东南极昆仑站周边沿“中国墙”的冰厚和冰下地形分布（英文）

冰厚和冰下地形是南极冰盖的基本特征参数,是南极冰盖底部环境和物质平衡研究的基础。2007/08年,中国第24次南极科学考察期间,运用深部探测冰雷达系统,在东南极位于Dome A区域的我国南极昆仑站周边,开展了沿"中国墙"的冰厚和冰下地形探测。结果显示:沿"中国墙"的冰厚主要分布在1600m-2800m之间,冰厚最大达到3444m,最小为1255m;冰下地形平均高程为1722m,但是最低仅有604 m;相较于分冰岭北侧,分冰岭南侧冰厚较大,冰下地形较低,并且发育了4个明显的冰下深谷。不过,没有发现Gamburtsev冰下山脉区域典型的冰底再冻结现象以及冰下湖和水体的存在。Bedmap 2中沿"中国墙"的冰厚和冰下地形数据与冰雷达测量结果存在一致性,但是分辨率和在冰下地形起伏剧烈区域的准确性上非常有限。通过冰雷达探测得到的沿"中国墙"的冰厚和冰下地形分布,进一步揭示了这一"不可接近区域"的冰盖特征,对于Dome A区域冰盖动力学研究和未来针对Gamburtsev冰下山脉的地质钻探以及深冰芯钻探选址具有重要参考价值。     

基于远震接收函数的南极大陆冰盖厚度研究

冰盖厚度是研究南极冰盖质量、建立冰盖动力学模型的基本参数,对于冰川均衡调整、冰盖物质平衡及全球气候变化研究具有重要意义.基于地震学的远震接收函数和H-Kappa格网搜索方法可以用于地震台站下方冰盖厚度的可靠探测,不仅能与冰雷达获得的冰盖厚度进行独立对比,还可以与冰雷达方法相互补充,进一步填补南极大陆冰盖厚度探测空白区.本文利用布设于南极大陆冰盖上方的流动地震台阵记录到的远震波形数据,基于接收函数方法对台阵下方的冰盖厚度进行了研究.结果显示:基于远震接收函数方法的冰盖厚度与Bedmap2冰厚格网模型相比,二者差别大多在200 m以内;少数台站差值达到600 m左右,这一差别可能与Bedmap2测线分布空区、冰雷达测深不确定性以及冰盖内部复杂波速结构等因素有关.本文研究结果表明:利用南极大陆冰盖上方的流动地震台阵,基于远震接收函数方法可以获得比较可靠的南极冰盖厚度,为独立验证冰雷达的探测结果并弥补冰雷达探测空白区提供了有效方法.同时,部分台站接收函数波形的复杂性可能暗示了南极大陆数千米厚的冰盖内部结构不是均一的,仍然存在比较复杂的内部结构变化.因此,有必要进一步利用包括接收函数波形拟合、地震面波反演等方法对南极大陆冰盖厚度及其内部精细结构进行更为深入的研究.     

南极冰盖昆仑站深冰芯的雷达内部等时层定年

目前,中国正在东南极Dome A地区的昆仑站(Kunlun)进行深冰芯钻探工程,截至2018/2019年,经过6个钻探季度的工作,已经钻进超过800m.冰龄和积累率是古气候与冰盖模式的重要边界条件.冰雷达探测得到的冰盖内部等时层可被用来测定冰体的年代并反演过去的冰雪积累率. 2004/2005年中国国家南极科学考察队和2007/2008年德国阿尔弗雷德韦格纳研究所收集了Dome A冰穹地区以及Dome A至Vostok冰芯钻探点的冰雷达数据.通过连接昆仑站钻探点与Vostok深冰芯钻探点的雷达内部等时层,比较了两个钻探位置的深度-年代关系.基于Vostok的冰芯年代,获得了昆仑站冰芯钻探点50%的冰盖厚度以上的10条连续的内部等时层的年代.这些层的冰龄涵盖从威斯康星(Wisconsin)冰期、Eemian间冰期到海洋氧同位素6期等冰期-间冰期旋回.在表面以下1640m处与最深层相对应的昆仑站冰芯冰体的年代被确定为～160400年.内部层的年代及其几何结构提供了冰芯所在区域冰盖过去上表面地貌信息.利用所得到的年代-深度关系,基于一个一维冰流模式,估算了该地区相应历史阶段的冰雪积累率,计算表明:Dome A区域过去16万年以来的积累率较低,与目前的观测结果一致.基于内部等时层获得的年龄-深度关系和古积累率信息将有助于构建并约束昆仑站深冰芯断代.     

基于短周期地震仪内置GPS位置数据的东南极冰流速测定

冰川表面流速是冰川和冰盖的基本特征,冰流速的测定对于南北极冰盖物质平衡估算至关重要.常见的冰流速测定方法包括采用花杆、雪坑及现场GPS地面测量以及遥感测量法.地面GPS测量技术具有高精度优点,然而目前南极大陆冰盖地面GPS监测点覆盖较少;基于遥感测量技术的冰盖表面流速测量其分辨率和精度较低.短周期地震仪内置的导航级GPS接收器记录的位置数据,尽管其精度不如大地测量GPS的位置精度,但是可以通过在足够长的时间内采集的导航级GPS数据来准确测量冰流速.本文利用中国第36次南极科学考察期间被动源地震观测时获得的导航级GPS位置信息,准确的对东南极拉斯曼丘陵冰盖和泰山站区冰盖运动特征进行了追踪.结果表明,两地的冰盖基本都向西偏北运动,且月均位移大小约1m;本文在泰山站区的结果与通过大地测量GPS结果基本吻合,说明利用短周期地震仪内置GPS位置信息进行冰盖运动特征的追踪是可行的.靠近中山站的拉斯曼丘陵局部冰流复杂,本文获得的间距200m的测量结果有助于认识该冰流.总之,本文结果对于冰盖动力学研究、冰川质量平衡研究和在地震成像中评估由冰盖流动带来的系统误差具有重要意义.     

水库冰气泡含量和密度对探地雷达测厚的影响分析(英文)

在水库现场试验了RIS K2型探地雷达探测水库冰厚度的能力,试验时所用天线频率为600MHz;同步钻孔测量雷达探测处的冰厚度;以及在一个点上取样测试分析冰晶体、冰内气泡和冰密度。试验时冰面积雪厚度0.03-0.05m,冰层上部有0.24m粒状冰,其下均为柱状冰;冰内气泡含量呈表层高底层低分布;冰密度随气泡含量变化;冰厚度在平面内不均一。通过探测厚度和实测厚度的对比分析以及气泡含量对介电系数影响的理论分析,建立了积雪、粒状冰和柱状冰三层介质模型,获取雷达波在冰内的理论传递时间。结果发现:能够利用等效介电常数或等效传播速度评价雷达波传递时间,结冰期冰层1/3深度处的对应介电常数或传递速度可以作为等效值;另外因冰内大气泡造成的理论传递时间大于雷达探测时间,其差值随理论传递时间或冰厚的增加呈非线性增加。     

南极冰盖内部结构特性研究——基于三维各向异性电磁波时域有限差分方法

冰雷达技术已成为目前探测南极冰盖内部结构的主要技术手段.近年发展起来的多极化雷达技术可根据不同方向雷达反射功率的变化推断冰盖内部冰晶组构特征和变化规律,进而推断冰盖内部应力应变历史,这对于理解冰流机制和动力过程以及解释冰盖过去、现在和未来的变化规律具有非常重要的作用.本文从Maxwell方程出发,推导出适于介电常数各向异性的三维电磁波时域有限差分方程,进而建立模型模拟各向异性介质的响应输出及其时空分布特征.模拟结果表明： (1) 电磁波在各向异性介质中传播时,波前面为椭圆形,长轴位于介电常数小的主轴方向; (2) 横向各向异性介质反射波振幅在水平面内具有180°的变化周期.通过对现场常用三种天线装置类型模拟对比分析发现,不同天线类型各向异性层底界面反射波存在“时差”现象,并且时差大小和正负与上下层介电常数差异以及同层各向异性差异有关.在模拟计算的基础上,作者讨论了由于介电常数各向异性导致的“时间延迟”和水平面内振幅“周期性变化”的原因.模拟结果和结论对于南极冰盖冰雷达数据处理和解释工作具有指导意义.     

基于波形拟合的中国东海地区410 km间断面附近速度结构研究

410 km间断面是地幔转换带的顶界面,对其速度结构和起伏形态开展地震学探测有助于认识地球内部物质组成和相关的地球动力学过程.本文选取了由中国数字地震台网记录到的位于琉球俯冲区的一个中源地震P波宽频带波形资料,利用三重震相波形拟合研究了中国东海地区410 km间断面附近的精细速度结构.结果表明：中国东海地区下方410 km间断面整体表现为一尖锐的速度界面且有8~15 km的小幅抬升;该间断面之上存在52~62 km厚的低速层,其P波速度降低0.5%~1.6%;440 km深度以下存在1.0%~3.0%的P波高速异常.结合前人在该地区的层析成像结果,我们推测该高速异常体与西太平洋俯冲板片在中国东海地区地幔转换带内的滞留有关;板片内水相E分解使得转换带内水含量增加,这引发了410 km间断面的抬升;410 km间断面之上的低速层应与含水矿物脱水导致的地幔橄榄岩部分熔融有关.     

东南极中山站-格罗夫山考察沿线海源物质空间分布特征研究

对东南极Lambert冰川东缘中国南极科学考察(CHINARE)沿线中山站-格罗夫山(距海450 km)段雪坑(或粒雪芯)中海源离子(Na+,Cl?,nss-SO42?和MSA)的分布状况进行了分析.海盐离子(Na+和Cl?)浓度在距离海岸带100 km以内(高程低于1500 m)呈现指数降低趋势,统计结果表明距海远近及海拔是影响内陆地区海盐离子的沉积浓度的两项重要因子.随着向内陆距离的增加,Cl?/Na+比值呈增长趋势,同时伴随标准偏差波动幅度的增加,表明东南极内陆地区可能存在除海盐之外其他来源的贡献.格罗夫山地区9个采样点获取的样品中Na+和Cl?离子的浓度高于CHINARE沿线与格罗夫山相似距海距离的采样点,格罗夫山的低海拔及特殊的地形条件可能是导致较高浓度的主要原因.考察沿线样品中nss-SO42?和MSA两种不同的硫化物呈现不同的变化趋势,相比MSA,nss-SO42?呈现出随距离的增加更为显著的降低趋势,表明不同的来源及传输途径可能对内陆地区两种硫化物的沉积具有重要影响,不同研究点两者的相关系数进一步支持了该研究结论.     

基于CryoSat-2测高数据的全南极冰盖DEM的建立与精度评估

数字高程模型(DEM)是南极冰盖变化研究的基础,由于现场实测数据的稀缺,卫星测高数据是南极地区构建DEM的'主要数据来源.CryoSat-2是新一代用于极地冰盖、海冰监测的测高卫星,本文利用2012-12-2015-01两个完整周期的CryoSat-2测高数据建立一个新的南极冰盖DEM.坡度是影响卫星测高精度的重要因素之一,利用改进的重定位方法对CryoSat-2数据进行坡度改正.插值方法是影响DEM精度的重要因素,通过对几种常用插值方法的比较,最后选用克里金插值方法对测高数据进行插值,建立了1km分辨率的南极DEM.在88°S以南的CryoSat-2数据空白区,利用南极数字数据库(ADD)的等高线数据对DEM进行填补,建立了全南极冰盖DEM.利用ICESat卫星测高数据、IceBridge航空测高数据以及GPS地面实测数据对新建立的CryoSat-2 DEM进行精度验证,并与Bamber 1 km DEM、ICESat DEM、RAMPv2 DEM以及JLB97 DEM等四种国际上常用的南极DEM进行比较.结果表明:新建立的CryoSat-2 DEM的整体精度约为0.730±8.398 m;在冰弯顶部区域,DEM精度优于1 m;在冰架上,DEM精度约为4 m;在内陆冰盖大部分地区,DEM精度优于10 m;在地形复杂的山区和沿海边缘地区,DEM误差超过150 m.     

中国东北地区下方660 km间断面研究

围绕中国东北地区下方俯冲的西太平洋板块是停滞在地幔过渡带内水平向西伸展, 还是穿透660 km间断面直接进入下地幔, 始终是一个具有争议的问题. 本文基于P--SV转换波对速度间断面的敏感性, 利用中国数字地震台网在东北地区布设的136个固定地震台站记录到的远震波形数据, 通过提取台站下方的接收函数并采用共转换点(CCP)叠加技术, 得到了该区域660 km间断面的起伏变化图像. 结果显示, 东北地区下方660 km间断面下沉幅度超过20 km的区域主要集中在44°N以南、 东西跨度约400 km的范围内. 660 km间断面的下沉表明西北太平洋板块俯冲到了中国东北地区下方, 在较小区域范围内观测到的较大深度异常可能暗示着俯冲板片穿透660 km间断面直接进入了下地幔.      

东南极冰盖Lambert冰川流域的物质平衡研究

Lambert冰川流域是南极冰盖最大的冰流系统, 因而在整个南极冰盖的物质平衡中占有非常重要的地位. 近年来穿越该冰川流域的路线考察所获得的现场观测资料和浅冰芯研究结果显示, 该冰川东、西两侧的积累速率分布和近期变化有明显差异: 东侧积累速率较高且近几十年来呈增加趋势, 西侧积累速率较低且过去几十年为明显减小. 冰体运动速度测量和冰流通量计算表明, 该冰川东侧运动速度较快, 冰流量也较大, 说明该冰川冰量补给主要来源于东侧区域. 计算出的考察断面上游物质积累总量大于流出的冰通量约13%, 意味着该流域目前处于物质正平衡状态, 如果保持目前气候状态, 冰盖将会增厚.     

基于ASTER立体数据和ICESat／GLAS测高数据融合高精度提取南极地区地形信息

为了更好地保证从中山站到DomeA的南极内陆冰盖考察,该考察路线沿线的地形信息是必需的．虽然Radarsat南极制图计划fRAMP）能提供迄今为止最高精度的全南极数字高程模型（DEM）,其最高水平分辨率为200m,但其真正的水平分辨率根据源数据的比例尺和区域覆盖密度不同而不同．对于冰架和内陆冰盖地区,水平精度约为5km．在东南极内陆冰盖地区和远离山脉地区该DEM的垂直精度估计为±50m,因此更高精度的地形数据还不存在．为了满足将来对地形信息更高精度的要求,由于ASTER光学影像具有高的空间分辨率05m）,而ICESat／GLAS测高数据有较高的高程精度（13．8cm）,因此本文融合ASTER立体数据和ICESat／GLAS测高数据提取了该考察路线高精度数字高程模型．首先选择一些测高数据点作为ASTER提取DEM过程中的高程控制,以减少匹配错误．由于从75°～81°S范围没有合格的ASTER立体数据覆盖,并且在该范围内ICESat轨道覆盖度大,观测数据比较密集,因此在该区域仅使用ICESat测高数据提取DEM,最后生成覆盖整条路线的DEM．分析结果表明DEM精度得到很大的提高,DEM的绝对垂直精度某些地区优于15m,除了影像009—001外,其余所有结果精度都在30m以内．其内部精度优于15m,某些情况下优于7m．生成的结果达到1：50000制图标准．结果表明在南极地区,综合利用各种遥感数据提取南极地区冰面地形信息是一种经济有效的手段．     

用接收函数反演甘肃测震台网下方的S波速度结构

利用接收函数方法对甘肃测震台网下方的一维S波速度进行了研究。结果显示甘肃测震台网各个台站下方地壳内部可分为两层:第一层深度为20~25 km之间;第二层为Moho界面,其平均深度约为50 km,界面上表面的速度约为3.8 km/s,界面底部的速度约为4.5 km/s。     

地球内核及其边界的结构特征和动力学过程

现代地震学展现出了一个复杂的地球内核内部和表面结构.地球内核内部结构的主要特征表现为其地震波速度和衰减呈现各向异性,且各种结构（速度、衰减和各向异性）均呈现东西半球差异,而内核表面的新发现则包括其局部区域存在起伏的地形和固液并存的糊状层.地球内核压缩波速度和衰减均呈现以地球旋转轴为轴的柱对称各向异性,沿地球旋转轴方向传播的压缩波比沿赤道方向传播的压缩波传播更快且衰减更强烈.同时,内核各向异性结构随深度而变化：内核顶部约100~400 km接近各向同性,而在内核最深处300~600 km内则可能存在一个具有不同各向异性特征的内内核.地球内核的东西半球差异表现在多方面：在内核顶部~100 km厚度内,东半球的各向同性速度比西半球快约0.8%,东半球具有较强的衰减（Q=250）,而西半球则具有较弱的衰减（Q=600）;西半球的顶部各向同性层厚度约为100 km,而东半球顶部各向同性层厚度则约为400 km;在各向同性层底下,西半球具有较强的各向异性（~4%）,而东半球则具有较弱的各向异性（~0.7%）.地球内核边界在菲律宾海、黄海、西太平洋以及中美洲下方存在1~14 km高的地形起伏,在鄂霍次克海西南部下方存在4~8 km厚的糊状层.地球内核的这些新发现引发了对许多可能的新物理机制的探讨,也促使我们重新评估我们对外核成分、外核热化学对流、内核凝固过程和地球磁场驱动力的认识.这些结果表明内核凝固过程和地球磁场的热和化学驱动力远比传统观念认为的横向均匀分布复杂得多.内核西半球可能不断凝固并释放潜热和轻元素,而东半球则可能不断熔化并吸收潜热和轻元素,外核对流的驱动力在东西半球可能截然不同,甚至呈现相反方向.这些凝固与熔化交替过程也发生在局部地形起伏区域.在糊状层区域,地球内核凝固释放潜热和化学能,而在大部分无糊状地区,内核凝固只释放潜热.     

新疆巴楚和塔什库尔干地震台下方地壳结构研究

利用位于新疆塔里木盆地的巴楚地震台（BCH）和西昆仑山区的塔什库尔干地震台（TAG）多年记录的高质量远震波形数据,应用接收函数H-k叠加方法研究了台站下方的地壳结构。研究结果显示,BCH和TAG地震台下方地壳厚度差异分明,区域地壳厚度与地形有很好的对应关系;两个台都具有高的地壳平均波速比Vp／Vs值。BCH台下方的地壳厚度为44km、地壳内的平均波速比为1．849,在该台地壳中部21km处存在清晰的间断面,该间断面内存在低的平均P波波速和作／K值,该间断面的深度与邻近巴楚台的伽师震源区的精确定位的震源深度下界面一致,可能为地壳内的脆．韧转换带。TAG台下方的地壳厚度为69km,地壳内的平均波速比为1．847,较厚的地壳和高波速比可能表明该台下地壳的物质易于发生塑性流动,为地壳的变形和增厚创造了条件。     

地形起伏对基于地震波形的浅源地震深度反演影响——以2017年9月3日朝鲜M6.3事件为例

震源深度是核试验以及塌陷等浅源地震研究中的关键参数,可以为事件成因分析提供关键信息.然而朝鲜核试验区域地形起伏较大,地形效应可能对震源深度反演的结果造成影响.本文基于理论地震图进行测试,研究了地形起伏对震源深度反演的影响.发现震源深度小于2km时,不考虑地形影响,反演得到的震源深度会系统偏浅0.2km左右.然后利用MDJ2速度结构模型,我们反演了2017年9月3日朝鲜M6.3事件的震源参数,结果显示震源深度约为0.8km.进一步基于带地形的格林函数重新反演了该事件的震源深度,发现在1km处波形拟合结果较好.不同速度模型测试结果显示该事件的震源深度反演误差约为1km.案例研究表明,基于层状均匀速度模型,利用区域地震波形资料反演的震源深度可以为浅源事件成因分析提供关键约束.     

中国南极科学考察探地雷达海冰探测

环绕着南极大陆陆缘海冰隐伏冰裂缝发育,严重威胁我国南极科考海冰运输的安全.探地雷达可以精确、快速、有效探测海冰层序空间结构、隐伏冰裂缝两翼形态、冰裂缝的分布范围等关键要素.探冰队对拟选东部线路约22 km进行雷达探冰作业,新发现规模较大隐伏冰裂缝5条.评估了中国第30次南极科考队海冰卸货运输路线,为科考船"雪龙"号上大量物资、科考设备和重型装备安全运抵中山站保驾护航.     

南大洋海底地形对冰山运动与搁浅的影响

冰山是南极冰盖-冰架-海洋系统中活跃的组成部分,南大洋海底地形是影响冰山运动与搁浅的重要因素,但前人对此鲜有研究,本文结合南极Bedmap-2海底地形数据和杨百瀚大学冰山数据库所记录的冰山运动轨迹数据分析了海底地形对冰山运动和搁浅的影响.结果表明:(1)冰山搁浅事件与搁浅冰山轨迹点的数量分布主要与冰山水下厚度分布有关,在水深为200~300m海域内数量最高.自由运动冰山在南极陆坡锋区域(海洋水深500m左右)存在数量与速度的峰值;(2)海底地形对冰山运动的直接影响是冰山搁浅,在沿南极海岸线外围水深低于2000m的362×10~4km~2的海域里,从冰架前缘崩解的小型冰山可能搁浅区(水深小于400m)占28%即不易搁浅,这些搁浅区主要分布在东南极与南极半岛沿岸.从大冰架上崩解的大中型冰山(长轴大于18.5km)可能搁浅区(水深小于800m)占总面积的74%即较易搁浅;(3)在水深小于2000m的海域内冰山运动速度与海水深度之间具有正相关性(R=0.85,P0.01)(即海水越深的地方冰山运动越快),而海冰的季节性变化对这种相关性的影响不大,说明海底地形起伏所引起的海水深度的变化会对冰山运动速度产生影响.     

基于中国中东部多站流星雷达的二维风场观测研究

全天空流星雷达广泛应用于中间层-低热层大气水平风场的观测,为研究该区域大气风场的变化特征提供了重要数据支持.目前流星雷达主要采用单站观测模式,没有水平分辨率,并且只能探测流星区域的大气平均水平风场.为了得到更加丰富且精准的中间层-低热层大气风场信息,本研究介绍了建设在中国安徽地区的多站流星雷达系统,该系统包括安装在蒙城（33.36°N, 116.49°E）的一台单站流星雷达和长丰（31.98°N, 117.22°E）的一台远程接收机,两地直线距离约为167km.相比于单站流星雷达,多站流星雷达系统探测到的前向散射流星数目增加了约70%,并且一般可以提供400 km×400km以上的水平观测区域.除此之外,多站流星雷达系统还可以提供更加丰富的流星观测角度.新多站系统可以实现中间层-低热层大气二维水平风场的观测,在获取平均水平风场以及风场水平梯度的同时,还可以估计水平风场的散度、相对涡度和拉伸、剪切形变信息.多站流星雷达能够提供更多的水平风场参数,对进一步研究中间层-低热层区域的大气动力学过程具有重要意义.不仅如此,未来即将建成的多站流星雷达观测网将会实现中国中东部地区上空的中间层-低热层...     

汤加-斐济地区300 km间断面的SdP转换波证据

上地幔速度间断面的存在形态及其性质的研究对于理解地球构造运动以及地球内部物质运移过程具有重要意义.针对上地幔中可能存在的300 km速度间断面, 本文收集日本Hi-net地震台网所记录的2004年以来、震源深度在145~219 km之间、且震级为m_b5.0~6.0之间的6个汤加-斐济地区地震的波形资料. 利用4次根倾斜叠加方法对收集到的波形资料进行叠加处理,获得了相应的叠加灰度图, 从中提取的离源下行的SdP次生转换震相, 进而据此确认了汤加-斐济地区下方的300 km深度附近的速度界面.因该界面起伏较小, 更倾向于该界面为辉石的斜方到高压单斜相变面; 同时基于转换震相的强度差异,我们发现该界面速度跃变量要大于410 km间断面, 因而俯冲带的化学分异和脱水过程产生的较轻物质可能在该界面处形成一定的聚集,使得汤加-斐济地区的该界面更容易被观测到.