极地航空重力测量及其应用进展

高晟俊 郝卫峰 李斐 郭井学 崔祥斌

(1武汉大学中国南极测绘研究中心,湖北 武汉 430079;2极地测绘科学国家测绘地理信息局重点实验室,湖北 武汉 430079;3武汉大学国家领土主权与海洋权益协同创新中心,湖北 武汉 430079;4中国极地研究中心,上海 200136)

0 引言

地球重力场是地球本身固有的一种物理特性,与地球表层及其内部的质量分布、物质运动与变化密切相关[1]。同时,重力场还制约着地球本身及邻近空间内的一切物理事件,在自然科学、地球物理学、地球动力学、大地测量学、空间科学、资源勘探、海洋科学、现代军事等各个学科领域都有着广泛的应用[2-5]。

目前来说,地球重力场信息主要依靠 3种技术手段综合获取: 一是传统地面静态重力测量,二是船载重力测量与航空重力测量,三是卫星重力及运用卫星测高反演重力的方法[6]。

传统地面静态重力测量技术可以获取地球重力场的高频信息,是目前获取重力数据精度最高的技术手段,但是其受到作业区域、地形等因素的影响只能局限于可进入的陆地地区,对于诸如极地、高原、无人区等难以进入的地区,进行传统的地面静态重力测量,会使得作业难度与危险性加大,同时效率也会降低、作业的人力物力成本会相应升高。

船载重力测量技术是近 20多年来,获取高精度、高频海洋重力场信息最为有效同时也是最主要的一种技术手段,但由于航船运动速度低并且只能局限于海面作业,对于海陆交界的滩涂及浅水地区,其作业难度也很大,因此船载重力测量技术依然是一种低效的、有局限性的重力测量方法。

卫星重力及卫星测高重力反演技术经过 40多年的发展能够较好地解决占全球面积 71%的海洋重力场的确定问题。但是在近海、两极等地区仍然存在“盲区”,并且只能测定地球重力场的中长波长分量,要获取高精度、高分辨率的高频重力场信息依然需要综合其他重力测量技术手段[7]。

航空重力测量是以飞机为载体来获取局部重力场信息的方法,其测量效率高、成本低、使用区域广,可以很好地弥补之前 3种重力测量方法的不足[8]。综合来看,该方法是现阶段在南北极地区快速、高效获取大区域高精度高分辨率重力场信息最为有效的手段。国际上,美国、英国、德国、丹麦、澳大利亚、日本等国家都在极区开展了大范围的航空重力测量工作。

但两极地区作为地球上最偏远、气候最恶劣的区域,飞行条件相比其他地区要恶劣得多。以南极为例,作为地球的“风极”,南极大陆周边海域的西风带连绵不断的自西向东移动给南极周边带来的强风与降水,使得南极大陆天气变化迅速,时常出现低云、能见度低、结冰、低空风切变等对飞行安全产生威胁的不利天气[9-11]。同时,由极地气旋、风切变引起的大气湍流不可避免地会使飞机上下颠簸,而这种由湍流产生的颠簸是飞机垂直加速度中长波部分的主要来源,也是制约着航空重力测量精度的最大影响[12]。因此相对于其他区域,在极区开展航空重力测量任务要更为困难。

本文主要简述航空重力测量技术的发展历史及其原理(数学模型、各项改正、滤波方法、平差和向下延拓方法)。在此基础上着重介绍了在南北极开展过的航空地球物理勘探项目中的航空重力测量部分,并对其研究成果进行了总结。最后对中国南极科学考察正在实施的航空重力计划进行介绍。需要说明的是,本文主要侧重于南北极地区航空重力的相关计划与应用进展,航空重力测量技术原理和研究进展等已有许多研究成果,本文在这两方面仅作简略说明,详细论述见文献[12-14]。

1 航空重力的发展历史

航空重力测量的设想最早是由加拿大学者Hans Lundberg于1950年提出的[15]。世界上首次航空重力测量试验由美国空军于1958年11月在爱德华兹空军基地实施,飞行平台为一架 KC-135型固定翼加油机,使用一台 LaCoste&Romberg S型海洋重力仪,采用摄影测量结合多普勒雷达的方式进行定位,并使用三角测高仪来跟踪高度变化,最终测量精度达到了±10 mGal。世界上首次使用直升机作为载具进行的航空重力测量试验是由LaCoste&Romberg公司于1963年进行的。1965—1970年间,美国海军使用直升机通过平衡环作为稳定平台,搭载 LaCoste&Romberg S型海洋重力仪,配合早期的激光高度计、气压校准计来获取飞机垂直变化信息,运用NASA雷达系统、高密度飞行区导航雷达定位系统、摄影测量系统来获取飞机的实时位置,进行了多次直升机航空重力测量试验,实验结果表明,当直升机以 140—280 km·h–1的速度稳定飞行时,测量精度可以达到 3—5 mGal。1970年,一家名为EnTech的私人公司开始将其应用于商业领域,进行石油物探的相关试验与测试,试验表明直升机重力测量系统已具备了探测由地质构造引起的重力异常的能力。1974—1977年间,卡森(Carson)公司试图将直升机重力测量系统应用于石油勘探领域并于1978年初在墨西哥湾将直升机重力测量系统与传统地面重力测量系统进行了一次比对。比对结果表明,除了在地面起伏剧烈的区域外,两者之间的精度差约为 0.5 mGal,标志着直升机重力测量系统已经具备了石油乃至地址勘探的能力[16-17]。

对于固定翼飞机而言,早期的导航手段无法获得优于10 mGal的飞机垂直扰动加速度,因此基于固定翼飞行平台的航空重力测量技术在GPS技术出现之前一直处于停滞状态。在这段时间里,科学家们重点研究了重力仪稳定平台技术、导航定位技术、数据记录与处理方法、航空重力测量技术解决地质问题的可行性等诸多问题。直到1984 年,卡森(Carson)公司使用“Twin Otter”固定翼飞机进行航空重力测量试验并取得成功。1992年,苏黎世地球动力学和大地测量实验室(Geodynamics and Geodesy Laboratory in Zurich)使用“Twin Otter”飞机搭载 LaCoste&Romberg重力仪,运用 DGPS技术进行定位,对瑞士全境进行了航空重力观测。同年,LCT公司(后被卡森公司收并)也开始研制基于 GPS技术定位的固定翼航空重力测量系统,并于1994年在宾夕法尼亚州与新泽西州的飞行测试中获得成功,测量精度达到了±1 mGal。在1995年,该系统正式投入商业使用,标志着固定翼载具的航空重力测量正式进入规模化实用阶段[17]。同期,美国海军研究实验室(Naval Research Laboratory,NRL)使用P-3A猎户座海上巡逻机搭建了一套应用于大尺度范围的固定翼航空重力测量系统,并在北极地区投入使用[18]。在随后的十几年内,美国、加拿大、丹麦、德国、挪威等国相继应用航空重力测量的方法完成了大量的测量作业,获取了精度为2—10 mGal、分辨率为6—10 km的局部重力场勘测数据,满足了科研、工程等各方面的需要[16]。

我国的航空重力测量实质性研究始于 1998年[19]。2002年,西安测绘研究所引进了国内首套LaCoste&Romberg航空重力仪,并成功研制出我国首套航空重力测量系统CHAGS(China Airborne Gravity System)。该系统在2002—2003年间相继在陕西汉中、山西大同和黑龙江哈尔滨地区进行了测试飞行,测量精度为±2—5 mGal,达到国际同类水平[8,19-20],可以满足大地水准面测量等工程应用的要求,但还不能达到地质勘探等高精度高分辨率应用的要求[21]。CHAGS于2005年正式装备部队使用,在我国的一些军用工程项目中投入生产,取得了令人满意的成果。2007年,第二套 CHAGS系统也通过验收,装备部队[22]。2002年,中国地质调查局航空遥感中心也开始筹划建立一套的航空重力测量系统,经过 4年的综合考察与测试研究,于 2006年成功引进了俄罗斯GT-1A航空重力仪和数据处理软件,并结合自行研发的测高、定位、数据记录等设备,研制成功了航空重力测量系统。通过在渤海、黄海海域的试飞试验测得,该套系统的内符合精度能够达到0.6 mGal,接近国际先进水平,标志着我国的航空重力测量技术具备了多领域的生产应用能力[21]。

2 航空重力原理

由爱因斯坦广义相对论等效原理可知,在飞机内搭载的重力仪所观测到的信号同时包含重力及由于飞行平台的运动状态极度不稳定而产生的惯性力,并且自身系统内无法区分。因此航空重力测量技术的实质,就是寻求某种能精确获取飞机运动加速度的方法,分离载体加速度和重力加速度,从而得到精确的重力信息。目前由GPS提供的位置信息以及差分后得到的速度、加速度信息可以为飞行平台提供足够精确的改正,从而使得航空重力测量成为可能。

航空重力仪的搭载平台,基本可以分为两种:第一种是将重力仪搭载在一个水平稳定平台上,通过机械与电子手段,使得平台尽可能地保持水平稳定; 第二种是采用三轴陀螺仪及 3个垂直安装的加速度计,通过计算的姿态矩阵直接获取平台在当地水平坐标系下的姿态信息,从而实现航空重力测量[23-24]。

目前航空重力测量所使用的重力仪均为相对重力仪,其每个采样点上的重力异常 Δg计算公式为其中,gb为停机坪处的重力值,由重力基准点联测得到;fz、fz0为相对重力仪比力观测值及初值; 各项改正项见表1;γ0为椭球面上的正常重力[6,12-13]。

表1 航空重力采样点重力异常计算公式改正项介绍Table 1.Introduction of correction items in the formula used to calculate airborne gravity sampling point's gravity anomaly

航空重力测量中,飞行平台本身的稳定性较差,各类观测数据不可避免地包含了大量噪声,噪声的幅度可能会比重力信号高出几个数量级。而原始重力异常功率谱主要集中在极低的频率。垂直加速度、水平加速度改正集中在高频部分;交叉耦合改正集中在低频区域,但在中高频也有一定的能量分布; 厄特弗斯改正表现为长波特性。因此,针对航空重力观测数据特性,通常使用低通数字滤波器来消除噪声,如何选择适合的低通滤波器及其参数是航空重力测量的难点之一[6,12]。

经过各项改正和滤波后的重力数据还需要进行平差。实际航空重力测量测线交叉点处的重力值会出现差异,该值被称为交叉点不符值。产生交叉点不符值的原因可能是系统误差也可能是偶然误差。系统误差可以采用t检验法检验显著性,对经检验存在系统误差的测线需通过最小二乘平差,求得各测线系统误差模型中的系数,对所有采样值进行系统误差补偿。经过系统误差补偿后可认为只存在偶然误差,据此再对测线网进行平差最终得到测线网各个点的改正值。

航空重力测量获得的是航线高度的重力异常值,而在实际应用中需要将其格网化并归算到平均地形面或大地水准面上。在现有的重力向下延拓方法中,常采用的方法是求解球外Dirichlet问题的逆泊松方法[25-30],此外还有最小二乘配置(LSC)[31]、快速傅里叶变换(FFT)[32-33]、直接代表法、梯度法、迭代法、倒锥法等[34-35]。但是,由于延拓问题的不适定性,这些方法都各自存在着一些不足,因此向下延拓问题一直是制约航空重力测量的精度和分辨率的主要原因之一。

航空重力测量数据处理的具体流程如图1所示。图中符号的含义由表1及公式(1)给出。

3 南北极航空重力测量应用

近30来,美国、英国、澳大利亚等国在南北极开展了许多航空地球物理勘探项目,期间航空重力测量技术得到了巨大的发展与应用。随着航空重力测量仪器的不断发展,极地航空测量的精度也在一步步的提高。同时,测量计划的实施也从各国独立开展渐渐变成了多国间的合作。

图1 航空重力测量数据处理流程图[12]Fig.1.Flow chart of airborne gravity data processing[12]

3.1 各国独立开展的南北极航空重力测量

自 1987年开始,美国海军研究实验室(Naval Research Laboratory,NRL)联合阿根廷和智利开展航空地球物理计划对南极威德尔海(Weddell Sea)及别林斯高晋海(Bellingshausen Sea)的海冰进行了航空重力测量。NRL在北极考察项目也同时展开,其目标是测量并提供横跨北冰洋的连续重力场和磁场模型以了解北极区域的地质结构和构造演化,并运用项目测得的数据来加密并改善北极区域已有的地磁数据。在1991和1992年的夏季,NRL与美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)、美国国家图像测绘局(National Imagery and Mapping Agency,NIMA)及丹麦国家调查地籍局(National Survey and Cadastre of Denmark,KMS)合作在格陵兰岛区域进行了第一次的大尺度空中重力测量[36]。随后 1992—1999年,NRL继续对北冰洋的大部分区域进行了超过20万公里的航空重力测量,并一直持续不断地提高了精度,精度水平从第 1次测量的 4—5 mGal逐步提升至约2 mGal[13]。

航空重力测量的路线如图2所示,分别为Thule,Greenland(1992),Prudhoe Bay,AK(1994),Barrow,AK(1995,1996 和 1997)和 Svalbard(1998和 1999)。

图2 NRL北极航空重力测量已实施的测量路线[18]Fig.2.Airborne gravity measurement routes which NRL has measured in the Arctic[18]

同时期,俄罗斯也一直在南极洲和北极海域进行航空重力测量。诸如在20世纪80年代和90年代开展的俄罗斯南极科考计划(Russian Antarctic Expeditions)以及极地海洋地质研究考察(Polar Marine Geological Research Expeditions,PMGRE,Lomonosov)等项目,这些项目中由于没有应用动态GPS定位方法,而是使用气压海拔计、无线电导航等定位手段,因此测量精度通常比较低(5—10 mGal以及更差)[18]。

1996—1997年,英国南极科考组织(British Antarctic Survey,BAS)对南极半岛 2/3的区域进行了航空重力测量。

2000—2001年美国德克萨斯大学地球物理学院(University of Texas Institute for Geophysics,UTIG) 对东南极麦克默多站(McMurdo Station)和沃斯托克湖(Lake Vostok)区域进行了两期航空重力测量。图3中负异常区域即为沃斯托克湖的大致区域,而重力异常快速变化的区域则是沃斯托克湖大致边界,与其他手段探测到的结果相吻合[37]。

2002—2003年,澳大利亚国立大学地球科学学院联合德国对兰伯特冰川(Lambert Glacier)和查尔斯王子山脉(Prince Charles Mountains)附近区域进行了高精度的航空重力测量并在从海岸到内陆450 km的断面上建立了永久性的GPS跟踪站,用以检测在兰伯特冰川和查尔斯王子山脉附近区域发生的冰后回弹。

图3 Vostok湖区域的航空重力异常[37]Fig.3.Airborne gravity anomaly of Vostok Lake area[37]

3.2 ArcGP计划

1998年10月,在德国策勒(Celle)举行的北极边界国际会议(International Conference on Arctic Margins,ICAM)上,各国提出开展一项名为ArcGP(Arctic Gravity Project)的计划。该计划通过对各国已有重力数据的汇总编辑,旨在对包括冰岛与格陵兰岛全境、北冰洋、北美及俄罗斯部分边缘在内的北纬 64°以上的公共区域,建立一个5'×5'的自由空气和布格重力异常数据库。

这个项目由丹麦的Rene Forsberg及美国国家地理空间情报局(The National Geospatial-Intelligence Agency,NGA)领导,由来自美国、丹麦、加拿大、俄罗斯、挪威、瑞典、芬兰、冰岛、英国、法国和德国11个不同国家的成员组成特别工作组。以NGA为主的数据存储中心,汇总各成员国提供的机载、地面、船载、潜艇重力数据及俄罗斯部分地区的格网数据和卫星测高数据,对不同重力源的数据进行比较和校准,并对北极范围内的大地水准面模型进行计算。在该任务中,由于北极地区遥远而且无法进入,因此航空重力数据成为了北冰洋和格陵兰岛的主要数据来源,约占ArcGP总数据量的40%。该数据库于2000年正式向公众提供,并不断吸纳新数据进行更新。最后一次更新是在2008年3月,该数据库的建立对大地测量学、地球物理学、导航学、精确轨道测定和大地水准面建模等研究有着很重要的意义[38-41]。图4为最后一次更新的北极地区 5'×5'自由空气异常图。

3.3 AntGP计划

2003年,在札幌举行的国际大地测量与地球物理大会(The International Union of Geodesy and Geophysics,IUGG)上,国际大地测量学协会(International Association of Geodesy,IAG)提出成立IAG 2.4项目委员会(IAG Commission Project 2.4)来实施南极大地水准面计划(AntGP),意在建立一个高精度的南极大地水准面模型,用来改进南极地区的全球重力场模型。AntGP计划的主要任务是汇总编辑全南极的重力数据,以填补南极地区重力资料的空缺,来改进地面重力数据的分布,从而与Champ、GRACE、GOCE卫星计划一起来改进全球的重力场模型精度[42-43]。

传统上用来获取全球重力场模型的GRACE、GOCE以及CHAMP卫星计划在极区都存在盲区,并由于卫星在轨高度较高,分辨率较差。图5显示了这3个卫星计划由于各自的轨道倾角产生的测量盲区大小(CHAMP: 87.3°,GRACE: 89.5°,GOCE: 86.5°)。

图4 ArcGP计划生成的5'×5'自由空气异常图[41]Fig.4.5'×5' free-air gravity anomalies of ArcGP Project[41]

图5 CHAMP、GRACE、GOCE重力卫星计划在南极存在的盲区大小[43]Fig.5.Polar gap zone size of CHAMP,GRACE,GOCE gravity satellite project[43]

AntGP计划建立了跨学科的合作,其成员包含了来自全球各地的22个组织和相应的成员。图6展示AntGP计划中所有收集的重力数据的汇总,数字区域表示新添加的观测信息,其中主要收集了德国阿尔弗雷德韦格纳研究所(Alfred Wegener Institute,AWI)和俄罗斯的数据,仍缺乏许多较新的国际极地年(International Polar Year,IPY)数据,与GOCE获得的重力异常相比较,重力异常的分布和大小非常相似,但航空重力测量分辨率更高,能反映更细致的重力异常。从航空重力测量及海洋重力测量的结果来看,在南极半岛有带状分布的重力异常,而在东南极沿海区域则有斑状分布的重力异常,在格罗夫山区域可以观察到明显重力正异常[44]。

显然,AntGP计划依然未能完全覆盖全南极,尤其是GOCE、GRACE和CHAMP的盲区,暂时还未能起到弥补卫星测量不足区域的要求。2007年在意大利佩鲁贾召开的IUGG大会上,决定继续实施 AntGP计划来完善补充南极的重力数据。

3.4 AGAP计划

2007—2009年,美国哥伦比亚大学地球研究所拉蒙特-多尔蒂地球观测站(Lamont-Doherty Earth Observatory,Earth Institute,Columbia University,LDEO)联合中国、德国、英国、澳大利亚、日本等国科学家团队实施了 AGAP计划(Antarctica’s Gamburtsev Province Project)。该计划对南极大陆Dome A区域冰盖底部的甘布尔泽夫山脉(Gamburtsev Subglacial Mountains)进行了两次综合考察研究,旨在解决 4个基本问题: 甘布尔泽夫山脉是如何形成的; 冰底地形在东南极冰盖的诞生中起到了什么作用; 哪里最可能寻找到最古老的气候记录; 冰下湖的构造形成机制是什么。具体内容包括航空地球物理学探测、被动式地震波实验、冰心钻探、基岩钻探和后勤保障研究。

为保障这次计划的顺利进行,各国共同协作建立了两个大本营,分别为 AGAP北营地(后简称AGAP N)和AGAP南营地(后简称为AGAP S)(图7)。此次考察共动用了 9架飞机,其中来自英国和美国的两架“Twin Otter”飞机用于进行航空地球物理学考察,机上搭载了Scintrex公司的CS-3型铯光泵磁力仪和经过为机载飞行而特殊改装的LaCoste&Romberg重力仪及其他一些设备。通过这些观测旨在揭示冰川底部的地质情况、沉积盆地信息、构造结构和深层地壳结构的细节。其他7架飞机用来对两个后勤营地提供保障工作,诸如运送人员、燃料、设备和生活必需品等物资。其中,整个项目期间 AGAP N营地所有的燃料是由一架波音C-17运输机来负责保障,AGAP S营地是由一架洛克希德C-130“大力神”运输机保障。

此次考察共有两个科学团队,一个是完成航空地球物理学任务的GAMBIT团队,由LDEO和BAS的科学家来负责,包括两架科研型“Twin Otter”飞机。另一个是完成地震波实验任务的GAMSEIS团队,由华盛顿大学和宾州州立大学的科学家领导,他们将乘坐一架通用型“Twin Otter”在冰面上部署并维修 26个地震仪。图7为AGAP考察区域的冰下地形图及考察计划的简单示意[45-46]。

重力数据可以用来反演和解释冰盖下隐藏的信息,特别是与滑坡、火山、断层、水,甚至构造事件有关的各种信息。这个项目通过使用新的重力技术来获取冰下地质特征信息,甚至可以估计冰下湖中有多少的水、计算地壳的密度、基岩的类型等。而雷达不能穿透湖水,因此航空重力方法是唯一能获取这些信息的手段。

图7 AGAP考察地区冰下地形图及示意图[46]Fig.7.AGAP expedition area subglacial topography and schematic plans[46]

3.5 ICECAP计划

2008年,由美国德克萨斯大学地球物理学院(University of Texas Institute for Geophysics,UTIG)、英国爱丁堡大学地球科学学院(School of Geoscience,the University of Edinburgh)和澳大利亚南极局(Australian Antarctic Division)等机构联合开展了一项名为ICECAP(Investigating the Cryospheric Evolution of the Central Antarctic Plate)的长期国际合作计划。该计划旨在通过航空地球物理探测的手段来了解南极中东部板块冰冻圈的演化过程及其在全球气候变化和海平面上升中所起的作用。该项目原计划使用美国海军研究实验室(Naval Research Laboratory,NRL)的P-3猎户座飞机来搭建空中地球物理实验室,对东南极冰盖(East Antarctic Ice Sheet,EAIS)、Dome A和Dome C区域的冰盖消融情况、冰下地形等进行两期测量。以了解该地区的表面高程、冰下地形、基岩抬升情况、冰盖内部结构、冰下湖情况、融化率和地热结构等信息来建立该地区冰盖演化模型以预测未来变化,探测南极中部板块的边界并估算该区域的冰后回弹以揭示该地区长久以来的构造过程[47]。

实际上该计划使用一架BT-67型飞机搭载雷达成像设备、磁力仪、重力仪、激光测高计和GPS来进行观测。直到2016年该计划仍在实施,共累计覆盖超过25万km2的区域。2017年,一架名为“Tiburon Junior”的无人机加入,与BT-67型飞机共同进行数据采集工作[48-49]。

通过获取的数据,科学家们发现远离冰盖边缘数百公里的内陆区域存在着一个巨大的冰下盆地(Aurora Subglacial Basin,ASB),颠覆了之前一直认为的东南极冰盖的隆起是依附于底部的高山地形的观点,该盆地位于海平面以下 1 000多米,因此海水可能会渗透至冰盖底部使得部分冰盖断裂并浮出海面[50]。通过该地区的冰下地形图可以清晰地看见3 400万—1 400万年前的冰川运动在该地区蚀刻出了巨大的峡谷(图8)[51]。同时,科学家还通过 ICECAP获取的数据对托藤冰川(Totten Glacier)进行了大量的研究,发现托藤冰川地区已处于极不稳定的状态,并且证实托藤冰川的消融对历史上的几次海平面上升起了重要的影响[52-54]。

图8 东南极冰盖部分区域冰下地形图[51]Fig.8.Topographic map of a portion of the East Antarctic Ice Sheet[51]

3.6 LOMGRAV-09计划

2009年春季,丹麦技术大学(Technical University of Denmark,DTU)和加拿大国家资源局联合实施了LOMGRAV-09地球物理调查计划,对格陵兰北部和北极之间的地区进行了一次航空地球物理测量。该计划使用一架DC-3飞机,搭载了专为航空重力测量改造升级的一台 LaCoste&-Romberg S重力仪、Geometrics G-823磁力计及双频GPS接收机,设定航行高度为600 m,总共进行了54 000 km飞行,覆盖55万km2的区域。图9为该计划航行覆盖区域的示意图[55-57]。

通过该计划采集到的数据联合该地区原有的NRL、格陵兰岛[58-59]航空重力数据、LOMGRAV- 07船载重力数据及地基和冰基重力数据,最终得到该地区2.5 km×2.5 km的自由空气异常格网图(图10)。该结果结合同期采集的地磁勘探数据,共同揭示了横跨罗蒙诺索夫岭(Lomonosov Ridge)、埃尔斯米尔岛(Ellesmere Island)、林肯海洋架(Lincoln Sea Shelves)和阿尔法岭(Alpha Ridge)区域地质结构的一致性,为解释北冰洋构造运动及该地区白垩纪早期新生代板块运动的历史提供了重要的依据。

3.7 IceBridge计划

2009—2013年,美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration at Austin,NASA)联合德克萨斯大学(University of Texas at Austin,UTA)和NRL开展了IceBridge计划,利用航空平台搭载的多源传感器在极区获取连续的、高质量的观测资料。其中搭载航空重力仪对南极部分沿海区域进行了高密度的航空重力测量。

IceBridge计划是迄今为止在地球两极进行的最大的航空遥感科学观测工程,该计划主要观测区域包括: 格陵兰岛与南极洲的海岸线、南极半岛、南极内陆、阿拉斯加东南部冰川以及南北极的海冰区域。其中,重点监测区域包括格陵兰岛的Petermann冰川地区、Zachariae冰川地区、Jakobshavn冰川地区以及Russell冰川地区,南极的Abbot冰架地区、Larson冰架地区、南极半岛、PineIsland冰川以及Thwaites冰川地区。

图9 LOMGRAV-09计划航线示意图[57]Fig.9.The flight route chart of LOMGRAV-09 Project[57]

图10 LOMGRAV-09最终得到的自由空气异常图[57]Fig.10.The free-air anomaly map of LOMGRAV-09 Project[57]

IceBridge计划融合了多源观测手段,对南北极冰盖、冰架以及海冰等极地要素的结构进行探测,其中使用了 AIRGrav(Sander/LDEO Airborne Gravimeter)和BGM-3(Bell BGM-3 Gravimeter)两款航空重力仪进行重力测量。探知了冰下湖泊的分布与大小、评估冰下水影响机制、监测温暖海水对加速冰架底部消融的作用、辅助冰雷达对冰下基底进行测绘及对海洋峡湾区域进行物探,并利用每年重复一次的多方位高质量的观测来获取极地要素的时间序列,研究其变化特征[60]。图11为 IceBridge计划部分航线的覆盖区域示意图。

图11 IceBridge计划航线覆盖图Fig.11.The flight route coverage chart of IceBridge Project

在对冰下基底地形的绘制上,航空重力测量数据发挥了很大的作用。文献[61]利用IceBridge测得的自由空气异常结合水深模型反演了Thwaites冰川地区水下地形的大致形状,发现接地线前段 40 km处的两个基岩隆起峰,并指出它们控制了 Thwaites冰川的进化过程。图12a展示了2009年IceBridge计划在Thwaites冰川的测线及编号,图12b为利用航空重力数据解算的自由空气异常,负异常表征相对于其他区域冰川深度较大。图13为测线 1021.7的2D截面图,显示了接地线前段的基岩隆起。

图12 a)Thwaites冰川的测线分布图,b)自由空气异常重力分布图[61]Fig.12.a) The flight route chart of Thwaites Glacier,b) Free-air anomalous gravity distribution[61]

图13 测线1021.7的2D截面图[61]Fig.13.2D cross section of line 1021.7[61]

Cochran和Bell[62]利用IceBridge 2009年的重力数据反演了Larsen C冰架下大陆架的水深模型和地形走势,发现了冰架下海水的入侵通道和聚集区。

3.8 PolarGAP计划

2015年,英国南极调查局(British Antarctic Survey,BAS)与欧洲航天局(European Space Agency,ESA)进行合作,在丹麦技术大学(Technical University of Denmark,DTU)和挪威极地研究所(Norwegian Polar Institute,NPI)的共同协作下开展了PolarGAP计划。PolarGAP计划旨在运用航空重力测量的方法,来填补ESA的两个地球观测卫星任务(GOCE和CryoSat 2)在83.5°S以南的南极地区的数据空白,同时也是对之前未能完全覆盖极区附近的AntGP计划的补充。

图14 PolarGAP计划的航线示意图[63]Fig.14.The flight route chart of PolarGAP Project[63]

图15 GOCE卫星结合PolarGAP计划最终覆盖图Fig.15.Final coverage map of the GOCE satellite combined with the PolarGAP Project

PolarGAP计划从2015年的10月1日开始,到2017年的4月1日结束,使用一架“Twin Otter”飞机来搭建空中地球物理实验室。此次计划中飞机上分别搭载了 LaCoste&Romberg S-83型重力仪、iMAR公司的RQH-1001惯导元件(IMU)、航空磁力仪、激光雷达、ASIRAS雷达系统等一系列的科学仪器来获取极点附近这一空白地区的地球物理数据。测量中联合LCR重力仪和IMU数据共同处理,最终获取的结果精度约为2 mGal。图14为 PolarGAP计划的航线示意图,图中红圈内为卫星重力数据缺失的区域,蓝线为长达38 000 km的PolarGAP计划的完整航线。图15为到目前为止,GOCE卫星数据结合PolarGAP计划在南极地区最终的覆盖图,可以看到经过近30年的努力,在南极地区依旧存在着一些重力数据的空白区域,需要在今后进一步的去填补。

3.9 ROSETTA-Ice计划

2015年9月,由美国科罗拉多大学(Colorado College)、美国加州大学(圣地亚哥)斯克里普斯海洋研究所(Scripps Institution of Oceanography,SIO)、地球与空间研究组织(Earth and Space Research,ESR)、LDEO以及新西兰奥塔哥大学(Otago University)等附属机构联合开展了一项名为ROSETTA-Ice的联合研究计划。ROSETTA-Ice是通过航空物理勘测的手段揭示罗斯海、罗斯冰架环境及其地质构造并对其建模计划的英文缩写(Uncovering the Ross Ocean and ice Shelf Environment and Tectonic setting Through Aerogeo-physical surveys and modeling of the Ross Ice Shelf)。该计划旨在提供高质量的数据,用以研究温暖洋流与冰架末端崩塌及冰架底部消融速率的相关性,从而探索冰架系统中的冰、海及岩石圈三者之间的动力学关系[64]。

ROSETTA-Ice计划使用一架LC-130型飞机搭载一个名为“IcePod”的综合数据采集系统。该系统采集的数据包括: 冰表面高程(激光雷达),冰层的厚度(探冰雷达),海底地形及构造(使用重力和磁力测量)。此外还在罗斯冰架前缘的海中投放了 6个名为“Alamo”的浮漂用以采集海洋环流的各项数据,以精确修正海水温度与冰架消融的相关模型。该项目计划在2015/2016、2016/2017、2017/2018共飞行3期,于2018年8月结束[65,66]。

4 我国实施的南极航空重力计划

我国在2015年第32次南极考察之前,没有配备极地考察专用的固定翼飞机,一直以来都没有自主进行过南极地区的航空重力测量。经国家发改委立项海洋局批准,我国订购了以美国道格拉斯公司经典机型 DC-3为原型改造的新型Basler BT-67固定翼飞机,委托美国Basler公司进行定制改造,命名为“雪鹰 601”[67],并在 2015—2016年我国第32次南极考察中正式投入使用。

“雪鹰 601”搭载了专为极地环境特殊定制的加拿大产三轴稳定平台标量重力仪 GT-2A、Scintrex公司的CS-3型铯光泵磁力仪、UTIG研制的 HiCARS相贯探冰雷达、Riegl公司的LD90-3800HiP-LR型激光高度计、分布在机身前后及机翼两侧用来提供高精度位置和飞行姿态的4个GPS接收天线、Elphel公司生产的相机以及实时导航、数据记录、质量控制系统,成为名副其实的空中实验室。

在中国第32次和33次南极考察中,“雪鹰601”不仅完成后勤运输等业务化保障工作,同时也搭载了上述传感器,对南极冰盖特别是PANDA(Prydz Bay,Amery Ice Shelf and Dome A)断面及伊丽莎白公主地(Princess Elizabeth Land,PEL)进行包含冰架、裸岩、重力、地磁等多种近地空间要素的综合采集,为我国的南极科学考察研究提供了数据支持[68-70]。

5 结语

开展对地球重力场的研究,历来是大地测量学的热点和难点之一。航空重力测量方法作为目前唯一一种兼顾高精度、高分辨率、高效率的重力测量手段,对南北极地区重力的信息获取有着得天独厚的优势。本文简单介绍了南极航空的历史,对航空重力测量的原理进行了简要概述,分析了制约航空重力测量的精度和分辨率的主要原因,即为载体加速度的精度和重力数据向下延拓的不确定性,同时总结了近30年来各国在南北极开展的航空地球物理勘探项目中,航空重力测量技术的应用。

通过总结可以看到,目前的极地航空重力测量还存在着许多不足。南极地区的重力数据依旧集中在南极半岛、罗斯冰架、毛德皇后地、部分东南极及南极周边附近海域地区,在南极极点区域、伊丽莎白公主地、横断山区等地区的重力数据仍然存在大量的空白,而我国的极地航空重力科考也才刚刚起步。因此正在开展的我国南极航空重力测量,将会更加深入地认识 PANDA断面及伊丽莎白公主地的内部结构,对极地其他学科研究发展也有着重要的意义。

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