南极冰架结构特征与不稳定性综述

肖 海 峰

(1.同济大学空间信息科学及可持续发展应用中心，上海 200092； 2.同济大学测绘与地理信息学院，上海 200092)



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南极冰架结构特征与不稳定性综述

肖 海 峰1，2

(1.同济大学空间信息科学及可持续发展应用中心，上海 200092； 2.同济大学测绘与地理信息学院，上海 200092)

从前缘线、接地线、冰裂缝、底部裂隙、缝合区、底部沟渠等方面，介绍了南极冰架的结构特征，并阐述了其与冰架不稳定性之间的联系，为进一步研究冰架的不稳定性和物质流失奠定了基础。

南极，冰架，结构特征，不稳定性

1 概述

南极冰层被公认为是全球气候变化研究中最为敏感和关键的区域之一，其物质平衡的微小变化都会对全球海平面变化、水循环、大气热动力循环等造成显著影响[1]，而南极冰层物质损失的主要途径是冰架的前端崩解和冰架的底部融化，其中冰架前端崩解和冰架底部融化损失的物质量各占到了总物质损失量的1/2左右[2]。冰架的不稳定性变化会减少冰架对上游冰川的支撑作用，进而导致上游冰川流速加快，物质损失加剧[3]。冰架的结构特征主要包括前缘线、接地线、冰裂缝、底部裂隙、缝合区、底部沟渠和表面融化特征等，这些特征是冰架不稳定性的重要指标，对分析冰架的稳定性具有重要的意义。六种冰架表面特征举例见图1。

2 冰架结构特征及不稳定性

2.1 前缘线

冰架前缘线就是冰架到海洋(夏季)或者海冰(冬季，固定冰)的过渡(见图1a))，前缘线后退一般表明冰架发生了崩解事件，反之，冰架则产生延伸。前缘线提取的主要方法有目视解译和自动影像分割等，基于的数据主要是光学和雷达影像镶嵌图[4，5]。前缘线变化速率一般可达每年几千米至几十千米。如果冰架前缘不断退却，并导致冰架中部向里边凹陷，形成弓形的前缘几何特征，那么表明冰架不稳定性较高。

2.2 接地线

接地线是南极内陆冰盖和漂浮冰架的分界线，其位置对于南极冰盖冰架的稳定性影响重大，接地线后退由冰架厚度变薄和显著质量变化所致。接地线的提取主要有两种方法，第一种方法是通过卫星影像的纹理特征，分析接地线附近的冰褶曲极限点，进一步确定接地线位置[6](见图2中的Ib)；第二种方法是应用激光测高或合成孔径干涉测量等技术分析海洋潮汐影响的冰垂直运动，并确定接地线位置[7],见图2中的F，I和H点。有些冰架(比如松岛冰川，PIG)接地线最大的退却速率可以达到每年1.5 km。如果接地线退却到上倾基岩上形成海洋型冰盖，那么接地线会加速退却，冰架加速变薄，冰架的不稳定性会进一步增加[8](见图3)。

2.3 冰裂缝

裂缝是穿透了整个冰架厚度的断裂，在影像上会表现出明显开口特征(见图1a))。冰架前端的大型裂缝是冰架崩解的前兆并决定着崩解冰山的尺寸。裂缝里边通常会被由多种不同类型的冰组成的特定混合物填充，这种混合物已被证明对裂缝的发展起着重要的调节作用[9，10]。但是这种混合物的构造和特性还需要继续探究，其对冰裂缝传播的具体作用也是未知的。有些学者认为这种混合物是一种冰架的稳定器，可以将裂缝一边的应力传递到另一边从而阻碍其继续扩张[10，11]；而另一些学者则认为，从裂缝两边冰架上落下的冰块会增加裂缝里边的应力，将裂缝进一步撕裂开来[9]。当前对裂缝的深度演化(通过静力平衡模型可以反演冰混合物的厚度)的测量主要是利用不同时期的机载和星载的激光测高数据或者是机载拍摄的立体影像对，但是前者获得的数据点通常只是沿着固定的轨道或者航线，而后者则很大程度上受限于影像的覆盖范围[11，12](见图4)。裂缝在穿透冰架的缝合区后会迅速扩张，易造成冰架前端的迅速崩解。

2.4 底部裂隙

底部裂隙是从冰架的底部开始断裂的，可以穿透整个冰架厚度的一半以上[13]。近年来的穿透雷达剖面测量表明在光学影像上面通常表现为几百米宽黑白相间线条的冰架表面凹陷是由于底部裂隙引起的冰架粘性调整所形成的(见图1a))，这些凹陷因而也通常是处在底部裂隙的正上方，因此确定底部裂隙的位置也可以通过对这些表面凹陷的定位来实现[13]。底部裂隙在融化加快和应力增大的情况下可以转变成裂缝，导致冰架的崩解[14]。

2.5 缝合区

缝合区是冰架不同冰流带之间的带状区域，一般起始在半岛下游并一直延伸到冰架前端，表面相对平滑，可以目视解译[15](见图1b))。最新的探冰雷达观测证实缝合区存在海洋冰，而海洋冰相对柔软的构造使缝合区能更好地分散应力并有效阻止裂缝或者裂隙的进一步传播，保持冰架的稳定[16]；反之，如果冰架不同冰流带之间或冰流带与冰架剪切带之间的冰流速差异过大则会导致冰架缝合区断裂，裂缝和裂隙形成和扩张，损坏冰架的结构完整性，最终加速冰架沿着结构的脆弱区域崩解。

2.6 底部沟渠

底部沟渠的形成与冰架底部的不均匀融化有关，一般起始于接地线附近并延伸到冰架的中部，但是在某些情况下可一直延伸到冰架的前端，底部沟渠的形成会导致表面形成线性的凹陷(见图4)，可以通过影像上的线性纹理特征对其进行识别(见图1c))。底部沟渠的形成被认为和冰架底部的融水羽流有关系(特别是冰下湖的排洪)，由于这些融水的密度比海水的密度要低，因而其会夹带着温暖的绕极深层水(CDW)漂浮到冰架的底部，造成冰架底部不均匀的融化，慢慢形成底部沟渠[17](见图5)。底部沟渠的形成会导致裂缝和底部裂隙的加速形成，对冰架的结构完整性造成损伤，在极端的情况下冰架会沿着底部沟渠崩解[18]。

2.7 表面融化特征

融水湖是气候变暖导致的冰架表面融水池，在遥感影像上表现为黑色、平坦的区域，目前大量出现在南极半岛的冰架(仲夏时节)(见图1d))。特别的，融水渗透进裂缝和表面裂隙后会通过融水水力压裂机制加速其扩张，进一步增加冰架的不稳定性[19]。凹坑为冰架表面低凹地形，可为融水湖里边的融水迁移后的痕迹，尺寸可达几十米到上百米，其原有的融水可通过裂隙进入冰架内部。如果冰架表面出现了大量的与融水相关的特征，那么说明大气温度较高，表面融化较多，冰架不稳定性较大。

3 结语

冰架的结构特征是冰架稳定性的重要指标，从某种程度上可以通过对冰架的结构特征进行提取和监测来对冰架的稳定性进行定性和定量的评估。另外，结构特征参数的提取也可以为冰盖冰架模型的准确预测提供数据和经验支撑。

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On structural features of ice shelf in South Pole and its instability

Xiao Haifeng1,2

(1.ApplicationCenterforSpatialInformationScienceandSustainableDevelopment,TongjiUniversity,Shanghai200092,China; 2.CollegeofSurveyingandGeo-informatics,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

From the trimline, ground lead, ice cracks, bottom cracks, sealing zones, and bottom grooves, the paper introduces the structural features for the ice shelf of the South Pole, and illustrates its relationship with the instability of the ice shelf, so as to lay the foundation for the instability and material losses for the ice shelf.

South Pole, ice shelf, structural feature, instability

1009-6825(2017)09-0194-03

2017-01-17

肖海峰(1991- )，男，在读硕士

P343.6

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