周巖 崔祥斌 戴振學(xué) 孫波 李霖

研究進(jìn)展

南極冰下水文研究進(jìn)展

周巖1,2崔祥斌2戴振學(xué)1孫波2李霖2

(1吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院, 吉林 長春, 130026;2中國極地研究中心, 上海, 200136)

南極冰下湖和冰下水系的廣泛發(fā)育, 不僅可以改變冰蓋基底環(huán)境, 影響底部滑動(dòng)過程, 冰下水系的排水活動(dòng)還可以淡化海水, 降低臨近的洋流深部溫度, 是影響冰蓋穩(wěn)定性及其對(duì)全球海平面和氣候變化貢獻(xiàn)的因素之一。因此, 開展南極冰下水文及其對(duì)南極冰蓋動(dòng)力學(xué)、南極冰下地貌演化進(jìn)程和南極冰蓋-海洋相互作用的影響研究具有極其重要的意義。冰下水文系統(tǒng)是包括冰蓋、冰下水、冰下湖泊、沉積物、基巖、地下水、水流通道和海洋在內(nèi)的復(fù)雜的相互作用的集合。當(dāng)前可利用衛(wèi)星測高儀和其他先進(jìn)的地球物理方法(如無線電回波探測技術(shù)、地震技術(shù)、磁法勘探技術(shù))來觀測和研究南極冰下水系, 另外, 通過數(shù)值模擬可以更好地解釋冰下水的形成、活動(dòng)和排泄以及陸地水-海洋的交互作用。本文依次綜述了南極冰下湖、南極冰下水文系統(tǒng)與模擬以及冰下水文與冰架及海洋系統(tǒng)相互作用的研究進(jìn)展，并給出了未來南極冰下水文系統(tǒng)研究的重點(diǎn)方向。

冰下水文 南極冰蓋 冰下湖 觸地區(qū)域 冰架

0 引言

南極冰下水文系統(tǒng)主要由冰蓋、冰下水、冰下湖泊、沉積物、基巖、地下水、水流通道和海洋等元素構(gòu)成[1], 對(duì)冰蓋動(dòng)力學(xué)和穩(wěn)定性有重要的影響。到目前為止, 南極地區(qū)已經(jīng)確認(rèn)發(fā)現(xiàn)的冰下湖的數(shù)量超過了400個(gè)[1-2], 然而數(shù)值模擬預(yù)測結(jié)果顯示可能仍有數(shù)以千計(jì)不同尺寸的南極冰下湖尚未被發(fā)現(xiàn)[3-4]。南極冰蓋就像一個(gè)天然的保溫層, 使冰蓋部分基底始終保持或者高于融點(diǎn)溫度, 保證了融水的流動(dòng)和交換[5], 南極約有55%的冰蓋-基巖界面中含有冰下水, 融水可以潤滑冰蓋基底, 加速冰流的運(yùn)動(dòng)[6], 它們會(huì)影響冰蓋和冰架的穩(wěn)定性、冰流的移動(dòng)方向以及冰架的斷裂方向[7-8]。理解復(fù)雜的冰下水文作用機(jī)理對(duì)于冰蓋動(dòng)力學(xué)研究、基底對(duì)冰蓋的潤滑作用研究、沿海地區(qū)觸地線的穩(wěn)定性研究、南極大陸淡水資源與海水的物質(zhì)交換研究[6,9-10]是至關(guān)重要的。南極冰下湖底部的一些含水沉積層可能是研究古地形演化規(guī)律和古氣候記錄的潛在載體[11], 微生物學(xué)家還認(rèn)為冰下湖可能是生命或極端環(huán)境微生物的潛在棲息地[12]。因此, 認(rèn)識(shí)冰下水文對(duì)于理解南極冰蓋早期形成和演變過程、預(yù)測全球氣候和海平面變化、尋找未知的地球生命形態(tài)、探索南極大陸地質(zhì)構(gòu)造等方面有著非常重要的意義[13]。冰下湖可能存在于火星的極區(qū), 相關(guān)研究也可為行星演化研究提供一定支持[14]。目前由于技術(shù)困難, 對(duì)南極冰下水文的探測研究工作多數(shù)由地球物理探測和衛(wèi)星遙感技術(shù)完成。南極冰下有一個(gè)巨大的動(dòng)態(tài)水文網(wǎng)絡(luò)[15], 衛(wèi)星(如ICESat衛(wèi)星)數(shù)據(jù)可以在一定程度上揭示基底的水文條件[16], 同時(shí), 利用各種地球物理研究方法(如無線電回波探測技術(shù)和地震技術(shù))也可以獲取深部冰蓋和基巖的剖面來重建冰下環(huán)境。研究表明南極的冰下水可以在短時(shí)間內(nèi)長距離地大量轉(zhuǎn)移,在南極100千米范圍內(nèi)的冰下湖泊之間都有可能存在復(fù)雜的水文聯(lián)系[17-19]。地貌特征的證據(jù)可以證實(shí)冰下快速排水是廣泛存在的[20-22], 排水作用可能主要涉及上游湖泊向下游湖泊排放[8]以及冰下湖向海洋的排放。

南極冰蓋的快速變化和不穩(wěn)定性對(duì)全球海平面的影響巨大, 是全球海平面上升的最不確定因素之一[8]。另外，南極冰架對(duì)于全球海平面的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面: (1)冰架對(duì)于大陸冰蓋起支撐和緩沖作用,可以阻止冰蓋快速進(jìn)入海洋; (2)影響海洋的局部循環(huán)[23]。冰下水文系統(tǒng)通常出現(xiàn)在基底融化的地方。一些融水可以到達(dá)冰蓋邊緣并通過不同的方式(如通過觸地線的滲流或通道)輸送到海洋[24], 其形成位置和連接的幾何形態(tài)一定程度上受地?zé)嵬糠植加绊慬25], 冰蓋下表面衍生的融水會(huì)沿著冰下的山谷、裂縫和空隙之間流動(dòng), 最終到達(dá)山谷的底部, 一部分流入其他水系, 一部分匯入地下水中[26-27]。在南極夏季融化期間, 沿海區(qū)域的水可能會(huì)直接滲透到南極大陸的基巖和沉積物中[26]。目前南極的冰下水文模型主要基于早期對(duì)北極和山地冰川的類似研究、對(duì)現(xiàn)代南極冰流的觀測[21]以及對(duì)南極侵蝕地貌的研究?；钴S的冰下湖泊幾乎遍布整個(gè)南極大陸, 冰下湖的排泄對(duì)冰蓋物質(zhì)平衡產(chǎn)生重要的貢獻(xiàn)。當(dāng)下游低水位的湖泊被淹沒時(shí), 水會(huì)溢出并通過觸地線流入冰架冰腔, 最終進(jìn)入海洋。通過數(shù)值模擬的方法可以估計(jì)冰下湖的體積變化, 將其與冰流模型相耦合, 可以研究冰蓋觸地線冰下供水量的時(shí)空變化, 與衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行比較可以驗(yàn)證相關(guān)結(jié)果[24]。模擬結(jié)果還表明, 這些額外的淡水流入可能對(duì)于冰架底部的融化有顯著的促進(jìn)作用,是冰架季節(jié)性融化的原因之一。南極的觸地區(qū)域可能存在河口, 海底地下水排放會(huì)是南極海岸冰下水與海洋物質(zhì)交換的有效途徑之一[28], 相關(guān)研究對(duì)于南極淡水總量估算及其與海洋之間的溶質(zhì)交換具有重要意義。本文基于國內(nèi)外已有南極冰下水文研究[19,29-30], 主要介紹了目前為止國內(nèi)外關(guān)于南極冰下水文研究進(jìn)展, 包括冰下水的類型、形成、分布, 冰下水與冰蓋邊緣(冰架)和觸地線的連通；冰下水對(duì)冰蓋和冰架動(dòng)力學(xué)的影響；南極冰蓋下河口的探索發(fā)現(xiàn)；模擬南極冰下水系-海洋水流路線的方法；最后對(duì)南極冰下水文研究現(xiàn)狀和不足進(jìn)行評(píng)價(jià)以及對(duì)未來重點(diǎn)研究方向進(jìn)行展望。

1 南極冰下湖

1.1 南極冰下湖的觀測

目前, 南極冰下湖和冰下水的觀測研究主要依賴航空地球物理技術(shù)和衛(wèi)星測高兩種觀測手段獲取的數(shù)據(jù)。航空地球物理技術(shù)憑借其深度大和效率高的獨(dú)特優(yōu)勢, 成為目前極地科考中最有發(fā)展?jié)摿Φ臄?shù)據(jù)獲取手段之一[31]。冰雷達(dá), 又稱無線電回聲探測, 是一種基于電磁場理論、通過雷達(dá)回波研究冰雪介質(zhì)特性的地球物理方法。迄今為止, 對(duì)于南極冰蓋厚度和冰下地形高程的勘測主要由航空器搭載冰雷達(dá)完成[32-33], 同時(shí)，利用此方法也可以獲取冰下地形地貌特征、識(shí)別冰下湖和冰下水分布。自20世紀(jì)60年代以來, 基于冰雷達(dá)的冰下湖探測工作為進(jìn)一步研究冰下水文系統(tǒng)提供了最為直接的觀測依據(jù), 并且持續(xù)對(duì)現(xiàn)有的南極冰下湖的數(shù)量進(jìn)行增補(bǔ)[34], 近些年來, 我國在南極的機(jī)載冰雷達(dá)探測工作也取得了顯著的成果, 在南極數(shù)據(jù)空白區(qū)域發(fā)現(xiàn)了多個(gè)冰下湖的存在[35]。衛(wèi)星測高是另外一項(xiàng)可以用在冰下水文研究中的技術(shù), 原理大致為冰蓋表面的高程變化都有可能是冰下水流運(yùn)動(dòng)(主要為水體的排水或填充)的反饋[6]。結(jié)合衛(wèi)星的測高數(shù)據(jù),可以利用重復(fù)軌道法或差分DEM法對(duì)流域的活躍冰下湖的平均高程和體積變化進(jìn)行監(jiān)測,并分析各冰下湖間的水文聯(lián)系[36]。地震觀測也可以幫助我們獲得精確的數(shù)據(jù), 不過在南極開展地震調(diào)查非常困難, 而且覆蓋面相對(duì)較小, 使用場景十分有限。冰下湖鉆探和測井技術(shù)可以直接獲得冰下湖水和沉積物樣品, 進(jìn)而提取古氣候和古環(huán)境的寶貴信息, 但需要進(jìn)行前期的選址研究來確定合適的鉆探位置。Woodward等人[12]2010年利用地球物理調(diào)查為Ellsworth冰下湖的鉆探項(xiàng)目提供了水深和地貌背景等信息。德克薩斯大學(xué)地球物理研究所(UTIG)和韓國極地研究所(KOPRI)曾在2016— 2017年合作利用直升機(jī)搭載的雷達(dá)和激光測高儀為David Glacier鉆探項(xiàng)目進(jìn)行了選址工作[37]。為了避免鉆井液污染, 熱水鉆是鉆探冰下湖更合適的選擇, 可以在鉆探過程中使用和循環(huán)利用鉆進(jìn)過程中周圍冰蓋產(chǎn)生的融水[38-39], 是一種較為先進(jìn)和科學(xué)環(huán)保的鉆探方式。

1.2 南極冰下湖的形成

冰下湖的形成是包括冰下地形、地?zé)嵬?、冰厚和冰蓋底部過程等多種因素共同作用的結(jié)果, 南極幾千米厚的冰蓋就像天然的隔熱層, 保護(hù)冰下環(huán)境不受冰蓋表層極低溫度的影響, 冰蓋導(dǎo)致底部壓強(qiáng)增加, 降低了冰的融點(diǎn)。至2018年, 通過航空冰雷達(dá)和衛(wèi)星測高技術(shù)手段在南極冰蓋下共計(jì)發(fā)現(xiàn)了402個(gè)湖泊, 被Wright和Siegert[5]以及Siegert等人[1]進(jìn)行了總結(jié)整理。除觀測外, 也可以通過數(shù)值模擬的方式來預(yù)測南極冰下湖和冰下水的分布。天然的水勢等值面是由真實(shí)的基巖和冰蓋的形態(tài)、高程定義而成的, 在模擬結(jié)果中可見水勢較低的區(qū)域表現(xiàn)為一個(gè)低洼的凹陷。一個(gè)區(qū)域內(nèi)生成的水流會(huì)沿著水勢流向較低的凹陷, 假設(shè)冰蓋底部全部處于壓力融點(diǎn)且有融水生成, 水流聚集到凹陷處達(dá)到一定規(guī)模, 則可以認(rèn)定為一個(gè)預(yù)測的冰下湖[3]。一般來說, 目前的研究對(duì)南極冰下湖分布位置和流域面積與路徑的預(yù)測可以通過三個(gè)步驟完成:(1)計(jì)算基底的水勢(圖1b所示), 得到水勢等值面; (2)對(duì)等值面中所有的水勢等值面凹陷進(jìn)行數(shù)值填充, 模擬融水填充的過程, 形成假想冰下湖; (3)將(1)和(2)的等值面計(jì)算殘差, 得到非零的元素集覆蓋區(qū)域即為預(yù)測的冰下湖(圖1a所示)。將預(yù)測湖泊的位置與實(shí)際探測到的湖泊位置進(jìn)行比較可以判斷南極冰下湖預(yù)測的有效性, Livingstone等人[40]利用基于Shreve方程的數(shù)學(xué)模型成功預(yù)測了60%以上的已知南極冰下湖; Goeller[3]提出的方法可以正確預(yù)測206個(gè)冰下湖, 占已知湖泊總數(shù)的54%。然而, 并不是所有的湖泊都可以用此類方法進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測。首先使用此類方法的前提為研究區(qū)內(nèi)(基巖和上覆冰蓋)不應(yīng)有空洞狀結(jié)構(gòu), 此外過度的人工插值以及假定冰蓋以下全部處于壓力融點(diǎn)可能會(huì)導(dǎo)致冰下湖預(yù)測數(shù)量過多。但也有人認(rèn)為, 確實(shí)有大量的冰下湖還未被探測和收錄, 例如Wright和Siegert[5]認(rèn)為冰下湖泊的總數(shù)將會(huì)是已知湖泊數(shù)量的數(shù)百倍。

關(guān)于南極冰下湖或冰下水的起源存在爭議。Duxbury等人[41]通過構(gòu)建二維物理模型進(jìn)行數(shù)值模擬, 模擬了一定時(shí)間段的Vostok湖區(qū)域的冰蓋厚度, 結(jié)果顯示湖水始終沒有完全冰凍(保持一定深度的湖水), 所以他們認(rèn)為在南極冰蓋形成之前, Vostok湖就已經(jīng)存在了, 即南極冰蓋形成于Vostok湖以后, 時(shí)間間隔大約為500萬年至3000萬年。南極冰蓋在冰期擴(kuò)張的時(shí)期，Vostok冰下湖從湖面開始逐步結(jié)冰(Vostok湖的區(qū)域?yàn)槌跏紪|南極冰蓋的邊緣地帶), 最后南極冰蓋逐漸形成, 也封住了Vostok湖, Vostok湖的原始湖水一部分冰凍到上覆冰蓋當(dāng)中, 一部分保存到了現(xiàn)在。此后, Pattyn[42]通過三維物理模型的模擬結(jié)果支持了這一結(jié)論。Pattyn在模型中加入了冰蓋與湖的相互作用, 認(rèn)為Vostok冰下湖可能形成于大約1500萬年前(南極冰蓋完全形成之前), 中間經(jīng)歷了完整的中新世中期。然而, Siegert[43]質(zhì)疑了之前模型中直接將Vostok湖作為封閉系統(tǒng)的處理方式, 以及Duxbury等人的模型沒有考慮冰流與氣候和地形之間的關(guān)系。Siegert[43]認(rèn)為在南極冰蓋的早期生長期, 不會(huì)有大的湖泊存在, 如果有的話, 后來水將通過水槽狀的地貌通道排出, 因此，Vostok湖應(yīng)該作為開放系統(tǒng)來研究, 況且同樣位于東南極地區(qū)的與Vostok湖基底各項(xiàng)參數(shù)類似的Astrolabe冰下盆地并不存在冰下湖。所以, 他認(rèn)為所有的南極冰下湖都不可能經(jīng)歷南極冰蓋生成的全過程。目前對(duì)冰下湖的形成起源仍有較大爭議, 兩種學(xué)說都需要進(jìn)一步的理論支持。

冰下湖可分為穩(wěn)定型和活躍型兩種類型。穩(wěn)定的冰下湖與其他冰下水系有少量或沒有水文聯(lián)系, 湖泊體積變化很小可以忽略不計(jì), 例如Vostok湖; 而在活躍的湖泊(指存在定期補(bǔ)排水活動(dòng)的冰下湖泊)之間, 水流會(huì)以不同的速度和流量通過各種不同的方式(見2.1節(jié))進(jìn)行著不同尺度的循環(huán)流動(dòng), 整體上體積變化率較高, 水流運(yùn)動(dòng)比較活躍, 經(jīng)歷周期性的冰下水排放和補(bǔ)給, 例如Cook湖[44]。

圖1 南極冰蓋下的冰下湖和模擬的水系分布示意圖.a)南極冰蓋冰下湖分布情況(改編自[40])，其中, 灰色代表高程大小, 紫色表示處于壓力融點(diǎn)以下的區(qū)域, 由粉色到藍(lán)色區(qū)域表示預(yù)測的由深到淺的冰下湖分布, 灰線表示模擬的融水路徑; b)基于Bedmap2數(shù)據(jù)集模擬南極冰蓋冰下水勢情況(改編自[4,45])，其中藍(lán)色點(diǎn)為依靠水勢預(yù)測湖的位置, 黃色點(diǎn)為已發(fā)現(xiàn)的379個(gè)湖的位置.

Fig.1.Simulated subglacial drainage pathways and subglacial lakes beneath the Antarctic ice sheet.a) Distribution of subglacial lakes in the Antarctica.Gray represents the elevation, purple represents the area below the pressure melting point, pink to blue areas represent the predicted distribution of deep to shallow subglacial lakes, and gray line represents the simulated melting pathways (modified from [40]); b) Subglacial hydraulic potential of the Antarctic ice sheet based on the Bedmap2 dataset, the blue points are the locations of the lakes predicted by the hydraulic potential, and the yellow points are the locations of 379 lakes that have been found (modified from [4,45])

2 南極冰下水文系統(tǒng)

2.1 南極冰下水文系統(tǒng)簡述

南極冰下水文系統(tǒng)各個(gè)構(gòu)成元素之間互相結(jié)合, 互相影響。冰下水系存在于冰蓋與基巖或沉積物當(dāng)中, 既以湖的形式存在, 又以水流的形式存在，其中地下水一般賦存于地勢較低的沉積盆地。冰下水系在南極大陸邊緣處可以與海洋建立水文關(guān)聯(lián)[1,21]。在概念模型的構(gòu)建上, 冰下水文模型類似于地下水模型與巖溶通道模型的耦合[30]。多年以來, 關(guān)于冰下水文系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)存在許多設(shè)想, 主要來自于冰川侵蝕地貌觀測以及古河流演化的研究啟發(fā)。判斷冰下水流類型的標(biāo)準(zhǔn)多種多樣, 如水文系統(tǒng)形成的機(jī)理、水流特征、流速和水通量的預(yù)計(jì)值等。南極地區(qū)的冰下水流可以根據(jù)其排水效率不同來描述為快速流或慢速流。快速流為“高效”和“渠道化”的排水系統(tǒng), 而慢速流為“低效”和“分布式”的排水系統(tǒng), 各種模式的示意圖如圖2所示[21]。

在南極冰蓋下, 一定數(shù)量的冰下湖已經(jīng)形成了高度動(dòng)態(tài)的冰下水文網(wǎng)絡(luò)。冰蓋下的南極大陸存在湖泊，河流以及豐富的水文系統(tǒng)。冰下水體之間存在復(fù)雜的相互補(bǔ)給的關(guān)系, 具體的補(bǔ)給方式可能包括管道、滲流、薄水層、空洞等。對(duì)冰下水流的研究發(fā)現(xiàn)其對(duì)冰流動(dòng)力學(xué)、冰蓋物質(zhì)平衡以及水循環(huán)和水營養(yǎng)富集具有重大影響, 相關(guān)研究包括冰下水的生成、儲(chǔ)存、流動(dòng)以及流出南極冰蓋的方式。

一般來說, 冰下排水通道有多種不同的形態(tài)模式[46]。Shreve[47]利用簡單的三維水流通道模型模擬了冰蓋中水流的一般情況, 得出了通道模型中水流運(yùn)動(dòng)的概化方程。R型通道由R?thlisberger首先提出, 這種冰川內(nèi)部通道模型以他的名字命名。他假設(shè)水在圓形或半圓形通道中存在飽和流動(dòng), 在流動(dòng)中, 由摩擦熱引起的通道開合率變化與周圍冰蠕變引起的通道收縮率變化保持平衡[48]。Wingham等[18]對(duì)冰下湖間的水文聯(lián)系進(jìn)行了研究, 認(rèn)為R型通道可能是冰下水流量合理轉(zhuǎn)移的機(jī)制[1]。Hooke等人[49]提出了一種扁圓的低通道模型—— N型通道, 該模型比R型通道更適合解釋冰下的基底水壓力。此外，他們認(rèn)為, 根據(jù)實(shí)際的流量條件, 非飽和管道(即液體沒有充滿整個(gè)通道) 更有可能存在于冰下基巖陡坡和冰蓋較薄的區(qū)域[50-51]。Rose等人[51]發(fā)現(xiàn)西南極地區(qū)保存了一系列大型的、較為完整的、切割狀的古基巖通道, 可能在遠(yuǎn)古時(shí)期運(yùn)輸了大量的冰下水體。Weertman[52]提出了在冰巖界面存在薄水層, 會(huì)減弱冰蓋和基巖之間的阻力, 從而作為一個(gè)潤滑層來影響冰蓋的滑動(dòng), 使得水可以自由運(yùn)輸。Nye[53]認(rèn)為該水層的厚度可能僅為微米級(jí), 因?yàn)樵撍畬蛹炔荒苤С直滤档幕亓? 也不能實(shí)現(xiàn)短時(shí)間輸送較大的水通量。Walder[54]認(rèn)為當(dāng)薄水層厚度小于4 mm時(shí), 其對(duì)應(yīng)的水流動(dòng)是相對(duì)穩(wěn)定的。薄水層存在的先決條件是該區(qū)域沒有或很少有空隙狀結(jié)構(gòu), 而且要有足夠的水供應(yīng)?；鶐r上各種凸起的形狀(如大小不一的頁巖顆粒)是一種可能的薄水層存在狀態(tài)。Kamb等人[55]發(fā)現(xiàn), 之前的冰下水動(dòng)力學(xué)研究無法解釋冰流運(yùn)動(dòng)期間水壓力與冰流運(yùn)動(dòng)之間的變化規(guī)律不一致的現(xiàn)象, 于是他們提出了一個(gè)不同的冰下排水系統(tǒng)：空腔, 既可以適應(yīng)冰下高壓的情況, 又能解釋與冰流運(yùn)動(dòng)的耦合問題，此外，這種模型還可以解釋冰下快速排水現(xiàn)象。目前的大多數(shù)研究認(rèn)為, 通道化模型(R型通道與N型通道)和冰腔應(yīng)是南極主要的冰下水體運(yùn)輸手段。另外, 碎屑物和沉積盆地中的多孔介質(zhì)可以容納南極大陸地下水的流動(dòng)[2]。Siegert等人[2]提出了南極大陸地下水研究的一個(gè)新視角, 即利用多相地球物理技術(shù)(主要為大地電磁法)來探測冰下沉積盆地的地下水含量, 并監(jiān)測各個(gè)含水層之間單位時(shí)間間隔內(nèi)的水流量交換率[21]。這可以證明南極大陸存在地下水，并在維持各冰下水體之間的水力聯(lián)系方面起著較為重要的作用。

圖2 典型冰下排水通道有多種不同的形態(tài)模式(改編自[21]).a)典型的高效渠化排水模式示意圖; b)典型的低效分布式排水模式示意圖

Fig.2.Typical drainage modes beneath the ice sheet (modified from [21]).a) typical efficient and channelized drainage modes; b) typical inefficient and distributed drainage modes

2.2 南極冰下水文模擬進(jìn)展

2.2.1 南極冰下水流路徑模擬

冰下水流路徑模擬主要數(shù)據(jù)來自于水勢的計(jì)算:

其中,w為水的密度,i為冰的密度,為重力加速度,s為冰面高程,b為基巖高程。

水勢主要受冰面高程的影響, 受基巖地貌的影響較小[3]。梯度決定了基底水流, 基底水流聚集在水勢洼地就會(huì)形成湖泊。建立冰下水勢面需要冰面高程和基巖高程的網(wǎng)格化數(shù)據(jù)庫, 主要來自于地球物理和衛(wèi)星測高數(shù)據(jù), 例如Bedmap 2數(shù)據(jù)集(圖1所示)、衛(wèi)星(如ICESat)搭載的測高儀得到的冰面高程數(shù)據(jù)等[4,45,56]。

由冰蓋表面高程DEM與底部高程DEM計(jì)算獲得等水勢面后, 依次進(jìn)行填洼, 流向分析, 流量累計(jì)分析, 得到水流網(wǎng)格柵格圖, 由水流網(wǎng)絡(luò)柵格圖與流向分布圖進(jìn)行疊加計(jì)算, 可以得到冰下水流路徑分布圖[3]。目前國內(nèi)外諸多研究涉及了相關(guān)內(nèi)容[4,35,40,57]。

2.2.2 南極冰下水流量模擬

南極冰下水流量模擬計(jì)算一般使用穩(wěn)態(tài)水流模型, 由輸入基底融化率和水勢進(jìn)行初始化。模型默認(rèn)融水在水勢等值面上運(yùn)動(dòng), 網(wǎng)格內(nèi)流出值等于流入值與網(wǎng)格內(nèi)融化量之和，即：

其中,out是一個(gè)網(wǎng)格流出(到下一個(gè)格子)的水流量,in為進(jìn)入一個(gè)網(wǎng)格的水流量,為基底融化率, ΔΔ為網(wǎng)格的水平尺度[24]。

其中,Q是流入8個(gè)向下梯度的相鄰網(wǎng)格之一的水通量,是相鄰網(wǎng)格中具有更低的水勢的個(gè)數(shù),θ為水勢,為相對(duì)位移。公式(3)用于計(jì)算高水力梯度向低水力梯度輸送的水通量。

冰下湖位置和體積變化周期可以為模型提供已知冰下湖的水流補(bǔ)給信息。數(shù)據(jù)主要從ICESat數(shù)據(jù)庫、雷達(dá)和激光測高數(shù)據(jù)庫以及MODIS衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)庫中獲得。當(dāng)網(wǎng)格位于已知的冰下湖的位置時(shí), 模型將會(huì)根據(jù)湖泊的狀態(tài)為網(wǎng)格設(shè)定狀態(tài)。當(dāng)湖泊是補(bǔ)給狀態(tài)時(shí), 網(wǎng)格會(huì)被設(shè)定為out為零, 相反, 湖泊為排泄?fàn)顟B(tài)時(shí), 來自于上游網(wǎng)格的out就會(huì)直接越過位于湖泊的網(wǎng)格, 向下游補(bǔ)給。模型運(yùn)算需要首先輸入水勢面、冰下湖位置、基底融化率等參數(shù), 運(yùn)行模型, 檢查水流量是否平衡, 然后提取冰下水流網(wǎng)絡(luò)，利用衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)對(duì)于冰下湖的體積變化估計(jì)值進(jìn)行比對(duì)和校準(zhǔn)。依次比對(duì)水勢數(shù)據(jù)、融化率分布數(shù)據(jù)、湖水體積變化數(shù)據(jù)以及水量轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)，然后修正水流總量、估算未平衡的冰下湖參數(shù), 進(jìn)行模型的校正、在沒有冰下湖活動(dòng)的環(huán)境背景下提取冰下水系的路徑, 為模型內(nèi)的主要的冰下路徑提供參考[24]。相關(guān)方法在西南極地區(qū)廣泛應(yīng)用[38,58]。衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)(如ICESat)推導(dǎo)得出的冰下湖泊體積變化估計(jì)值和冰下水輸送模型相結(jié)合, 可以用于識(shí)別冰下水流的空間分布、量化冰下水流對(duì)于湖泊體積變化的影響、評(píng)估計(jì)算得到的冰下流對(duì)于臨近冰架的融化率的影響、比較預(yù)測的冰下流水通量與冰下湖的體積變化量、觸地區(qū)域的南極冰下水流路線模擬。Carter等[24]采用獨(dú)立的穩(wěn)態(tài)水模型, 完成了2003—2008年間Siple Coast區(qū)域經(jīng)過Ross冰架觸地線流出的冰下水流量的時(shí)間與空間分布的模擬, 并且評(píng)估了冰下排水過程對(duì)于冰架海腔(cavity)淡水收支的影響[24], 研究結(jié)果如圖3所示。

南極冰下水流量模擬研究中還涉及南極基底融化率計(jì)算, 其中最大的不確定性來自于地?zé)嵬俊５責(zé)嵬恐饕艿蒯崃?、地殼輻射衰減所產(chǎn)生的熱量以及地質(zhì)構(gòu)造歷史等因素的影響[59]。通過重力異常的反演計(jì)算可以得到居里面深度分布, 進(jìn)而可以估算出地球上的熱流分布[60]。在南極, 地?zé)嵬渴够鶐r保持相對(duì)溫暖, 并導(dǎo)致冰蓋底部融化, 這也影響了上覆冰蓋的流動(dòng)和南極冰蓋的物質(zhì)平衡。Fisher等[61]首次直接測量了西南極冰蓋Whillans冰下湖的地?zé)嵬? 其結(jié)果遠(yuǎn)高于之前利用地球物理-冰蓋耦合模型估算的區(qū)域平均水平。這種差異可能有助于解釋為什么活躍的冰下湖數(shù)量眾多。An等人[62]利用新的三維AN1-S模型, 根據(jù)地幔礦物的熱彈性質(zhì)和橫波速度, 同樣推斷出了南極洲板塊下的地?zé)嵬糠植肌Ｈ欢? 高地?zé)嵬坎⒉皇巧杀滤w的唯一條件[6]。除地?zé)釛l件之外, 冰下基底融化率還受很多條件的影響, 如冰厚、積累率、冰川-基巖的摩擦熱以及冰川形變熱。例如在東南極中心, 在地?zé)嵬肯鄬?duì)較低的情況下, 冰蓋底部同樣可以達(dá)到壓力融點(diǎn), 導(dǎo)致基底融化率變大, 通過一定時(shí)間的積累形成了冰下湖[63]。

3 南極冰下水文與冰架及海洋系統(tǒng)相互作用

3.1 南極冰架海腔水文過程

冰蓋物質(zhì)平衡是指極地冰蓋的物質(zhì)收入和支出之差[64], 其中, 物質(zhì)收入主要來自降雪, 物質(zhì)支出主要包括冰架或冰川的崩解、冰架底部融化、冰下融水通過觸地線流入冰架海腔后進(jìn)入海洋、冰架表面融水經(jīng)表面通道進(jìn)入海洋以及通過大氣循環(huán)的損失。早前研究大多以為冰架崩解是南極冰蓋主要的物質(zhì)支出形式[64], 但是最新研究結(jié)果表明, 冰架底部融化量已經(jīng)持平或者超過冰架崩解的量, 成為南極冰蓋物質(zhì)損失的主要途徑[29,65]。冰架海腔按照冰架底部融化驅(qū)動(dòng)機(jī)制, 可以分為冷海腔(由高密度陸架水驅(qū)動(dòng))和暖海腔(由變性繞極深層水驅(qū)動(dòng)), 如圖4中模式1、模式2所示[29]。南極數(shù)量較少的暖海腔內(nèi)的冰架底部融化貢獻(xiàn)了南極冰架主要的凈融化量, 例如盡管體量較大的Amery冰架(冷海腔)下發(fā)生著大量的融化和再凍結(jié)現(xiàn)象, 但它的平均基本融化率相對(duì)較低。相比之下, 在Totten冰架附近海洋學(xué)測量結(jié)果顯示, 暖水進(jìn)入冰架空腔會(huì)推動(dòng)快速的冰架基底融化, 造成可觀的基底融化率[57]。

圖3 Siple海岸區(qū)域穩(wěn)態(tài)條件下冰下水流量模擬結(jié)果示意(修改自[24]).其中, SLM: Mercer湖; SLW: Whillans湖; SLE: Engelhardt湖; KIS: Kamb冰流; BIS: Bindschadler冰流; MIS: MacAyeal冰流;M1～M6:Mac湖1～ 6; B1～B6; Bindschadler湖1～ 6; R1: Raymond湖; K1～K12: Kamb湖1～12; W6～W8: Whillans湖6～8

Fig.3.Map of modeling subglacial steady water flux in Siple Coast, modified from [24].SLM:Lake Mercer; SLW:Lake Whillans; SLE: Lake Engelhardt; KIS: Kamb Ice Stream; BIS: Bindschadler Ice Stream; MIS: MacAyeal Ice Stream; M1～M6: Mac1～Mac6; B1-B6; Bindschadler 1～Bindschadler 6; R1:Raymond; K1～K12: Kamb1～Kamb12; W6～W8: Whillans 6～Whillans 8

當(dāng)位于南極沿海區(qū)域水位最低的冰下湖發(fā)生快速排水時(shí), 水會(huì)通過觸地線涌入冰架下的海腔內(nèi)部[24]。在海腔內(nèi)部, 由冰下水排泄而來的淡水在冰架底部與來自洋流的咸水匯聚, 由此參與到變性繞極深水(mCDW)以及變性冰架水(mISW)的近岸環(huán)流之中, 進(jìn)而匯入海洋, 如圖5所示。

研究發(fā)現(xiàn)冰下融水流出只會(huì)發(fā)生在觸地線沿線的少數(shù)位置[28]。如果這些位置位于大型冰下湖泊的下游, 那么這個(gè)流出量的變化可能很大, 這取決于冰下湖的活躍程度, 模型中處理觸地區(qū)域時(shí), 將向這些位置的補(bǔ)給視為向獨(dú)立冰下湖的補(bǔ)給來進(jìn)行計(jì)算, 冰下流出的淡水的空間集中會(huì)導(dǎo)致局部冰架基底融化速率短暫的升高, 影響區(qū)域性的洋流作用。另外，冰架基底融化的增強(qiáng)會(huì)隨著時(shí)間的推移影響觸地線的演變, 這些結(jié)果對(duì)未來進(jìn)一步加深我們對(duì)冰下水文系統(tǒng)與冰架海腔之間相互作用的理解具有啟示意義。

圖4 三種類型的冰架底部融化(改編自[57]).a) 模式1: 由冷的高密度陸架水(DSW)驅(qū)動(dòng)的底部融化; b) 模式2: 由暖的(變性)繞極深層水(mCDW/CDW)驅(qū)動(dòng)的底部融化; c) 模式3: 由表層水驅(qū)動(dòng)的底部融化

Fig.4.Three modes of ice shelf basal melting (modified from [57]).a) Mode 1 is driven by cold Dense Shelf Water (DSW); b) Mode 2 by warm (modified) Circumpolar Deep Water (mCDW/CDW); c) Mode 3 by surface waters

圖5 冰下水系入海通道形成機(jī)理圖.紅色箭頭表示相對(duì)溫暖的洋流, CDW為繞極深層水(改編自[66])

Fig.5.The mechanism of the formation of the underwater channel.The red arrow indicates relatively warm sea water entrainment to promote the high melting rate of local subglacial shelves.CDW: Circumpolar Deep Water, modified from [66].

3.2 南極冰下觸地區(qū)域水文過程

在南極冰蓋的觸地區(qū)域, 可能存在冰下淡水與海水之間的復(fù)雜的水文及化學(xué)組分交換作用。之前的研究明顯傾向于更為常見的“瀑布式單向水交換”的觀點(diǎn)[67], 即冰蓋下的獨(dú)立水流系統(tǒng)很少或根本沒有與海洋相互作用。然而, 針對(duì)南極冰下水文和沿海區(qū)域的地球物理觀測結(jié)果表明冰蓋底部區(qū)域可能存在冰下河口使得這種作用變成了可能,即冰下的河口地帶和海洋之間可能存在一個(gè)復(fù)雜的相互作用。河口處淡水和咸水的混合導(dǎo)致了海洋和大陸水通道之間豐富的化學(xué)和生物過渡帶的產(chǎn)生。隨著水文過程和生物豐度的增加, 河口具有非常獨(dú)特的沉積特征[28]。冰下湖泊廣泛分布于冰蓋之下, 隨著觸地線的后退, 冰下水流和海洋之間的聯(lián)系可能在觸地線沿線的某個(gè)點(diǎn)上建立, 并且形成類似潮汐潟湖的系統(tǒng)。在現(xiàn)代冰蓋中已觀測到相關(guān)的地形地貌。根據(jù)地球物理觀測, 在Whillans冰流下發(fā)現(xiàn)了類似結(jié)構(gòu)[28](圖6所示), 在活躍冰下湖與南極洲Ross冰架之間建立了聯(lián)系, 使得南極冰下水系和海水的相互作用成為可能。這個(gè)冰下河口是由主動(dòng)震源地震方法探測獲得的, 寬度為1 km, 最大深度為7 m[28]。對(duì)南極Pine Island冰川和格陵蘭島Petermann冰川相關(guān)的冰架進(jìn)行的觀測同樣證明了存在向上切割到冰架底部的通道, 并且可作為從冰架下空腔流出融水的管道[68]。雷達(dá)與MODIS圖像也揭示了Foundation冰流區(qū)域存在通向冰架空腔的冰下基巖通道, 形成了組織有序的排水系統(tǒng), 水從冰蓋流出與冰架空腔水混合后進(jìn)入海洋[69]。

冰下水流會(huì)流經(jīng)基巖的不規(guī)則處, 流動(dòng)水與基巖產(chǎn)生的摩擦熱會(huì)造成冰蓋融化, 使得局部水流區(qū)域的空間體積變大, 壓力降低[71]，導(dǎo)致水流不能通過河口排放到海洋。在這些情況下, 海水可能會(huì)反過來進(jìn)入冰下水文系統(tǒng)。冰蓋觸地區(qū)域的水文路徑在冰或基巖中以通道或海腔的形式存在, 只要它不因降溫作用而固結(jié)封閉, 所有輸送水流的通道或海腔都會(huì)在漲潮期間存在大量水的流動(dòng)。由于海水的溫度超過了冰的融點(diǎn)[70], 潮汐作用將有助于排水通道的擴(kuò)大, 以對(duì)抗冰水混合物的固結(jié)作用。另外, 潮汐作用會(huì)參與河口區(qū)域的沉積過程, 加劇海水的侵蝕作用。冰下融水的流量對(duì)于河道的形成和維持至關(guān)重要。冰上湖泊[71]或冰下湖泊[72]的排水都可能促成河道的演化, 然后被潮汐作用所放大。通道容納雙向水流(即海水與冰下水流雙向進(jìn)入), 有利于河口地帶的產(chǎn)生。冰蓋下河口發(fā)育可能存在兩種機(jī)制: (1)觸地線后退, 逐漸與冰下水體連接, 形成通道; (2)融水流動(dòng)或冰下(或冰上)湖泊的間歇性排水產(chǎn)生的冰下出口通道穿過了觸地線, 形成通道, 并被海洋或潮汐驅(qū)動(dòng)的融水?dāng)U大, 借助于冰下湖的強(qiáng)作用的水力輸入, 將有助于增強(qiáng)或保持通道暢通。顯然, 進(jìn)一步的研究需要在觸地區(qū)域進(jìn)行直接的海洋觀測和冰下觀測。這進(jìn)一步強(qiáng)化了以綜合地球物理測量為指導(dǎo)的冰下通道研究的必要性。

圖6 南極Whillans冰流區(qū)域水勢面透視圖及河口通道位置示意圖(改編自[28])

Fig.6.Perspective view of hydropotential surface of Whillans Ice Stream and the location of estuarine channel (modified from [28])

4 結(jié)語

南極冰下水文的研究是一個(gè)復(fù)雜的多學(xué)科、多尺度、多階段的問題, 涉及水動(dòng)力學(xué)、冰川學(xué)、地?zé)釋W(xué)、水文地質(zhì)學(xué)和海洋動(dòng)力學(xué)等交叉學(xué)科。過去幾十年的研究取得了很大的進(jìn)展, 但現(xiàn)在還存在許多未知的科研挑戰(zhàn)。大致分為以下幾個(gè)方面: 冰蓋(冰架)基底融化過程、冰下水流與上覆冰蓋及其和底部基巖(沉積物)之間的相互作用、冰架以下洋流的動(dòng)力學(xué)分析、冰下淡水的形成演化以及與海水的混合交互作用、海水對(duì)冰下環(huán)境的侵蝕作用等。各種有針對(duì)性的地球物理觀測方法的介入[73], 可以幫助研究人員更詳細(xì)地探索南極冰下水文過程及其與海洋系統(tǒng)的相互作用。

隨著綜合地球物理技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用, 以及多參數(shù)耦合建模方法的發(fā)展, 該領(lǐng)域?qū)?huì)有更多的科學(xué)問題得到解決。未來的一些可能的研究方向和熱點(diǎn)包括:

1.近幾十年來, 由于地球物理勘探的不斷深入, 除少數(shù)勘探數(shù)據(jù)空白區(qū)外, 南極大部分區(qū)域重要的、研究價(jià)值大的冰下湖已經(jīng)被發(fā)現(xiàn), 因此下一步工作的重點(diǎn)將逐漸轉(zhuǎn)移到活躍湖泊的識(shí)別以及對(duì)湖泊之間或者湖泊與海洋之間的水文循環(huán)和物質(zhì)交換的機(jī)理性研究。

2.了解南極大陸冰下淡水和周圍海水之間的相互關(guān)系對(duì)定量評(píng)價(jià)發(fā)生在冰海界面的物質(zhì)平衡、洋流對(duì)流、熱循環(huán)、物質(zhì)循環(huán)以及了解相關(guān)的物理化學(xué)過程和生物遷移活動(dòng)具有重要意義。

3.南極冰下水文系統(tǒng)與冰架海腔的水文聯(lián)系十分復(fù)雜并且區(qū)域性差異較大, 對(duì)于研究冰架崩解、冰架動(dòng)力學(xué)、冰架物質(zhì)支出、南極淡水預(yù)算等問題都很重要, 相關(guān)的研究探索對(duì)于加深我們對(duì)整個(gè)南極科學(xué)問題的理解具有啟示意義。

4.為了進(jìn)一步探索南極冰下水文系統(tǒng)的理化性質(zhì), 需要開展更多尺度的綜合調(diào)查、直接觀測和定量實(shí)驗(yàn)研究, 包括綜合的高分辨率的地球物理觀測、廣泛而有效的鉆探工作和更準(zhǔn)確的數(shù)值模擬。未來可能借鑒溫帶冰川研究中的示蹤試驗(yàn)方法在冰內(nèi)及冰下水系演化研究中的應(yīng)用[74], 用來了解南極冰下水文系統(tǒng)的某些性質(zhì)。目前的各種相關(guān)研究主要基于假設(shè)和大規(guī)模的地球物理測量, 空間分辨率較低, 結(jié)果可能難以令人信服, 難以探索細(xì)致的微觀過程[75-77]。

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Advances in subglacial hydrology of Antarctica

Zhou Yan1,2, Cui Xiangbin2, Dai Zhenxue1, Sun Bo2, Li Lin2

(1College of Construction Engineering, Jilin University, Changchun 130026, China;2Polar Research Institute of China, Shanghai 200136, China)

The extensive development of subglacial lakes and subglacial water systems in Antarctica have potential effect to not only change the basal environment of the ice sheet and affect the bottom sliding process, but also to desalinate the sea water and reduce the deep temperature of the adjacent ocean currents, contributing to one of the uncertainty factors affecting the stability of the ice sheet and its contribution to global sea level and climate change.Therefore, it is of great significance to study the subglacial hydrology and its influence on the dynamics of the Antarctic ice sheet, the evolution of the Antarctic subglacial landforms, and the interaction between the Antarctic ice sheet and the ocean.The subglacial hydrological system involves a complex set of interactions among various components, including ice sheet, subglacial water, subglacial lake, sediment, bedrock, groundwater, flow channel and ocean components.Scientists can use satellite altimeter and other advanced geophysical methods (such as radio echo sounding detection technology, seismic technology, magnetic exploration technology) to observe and study the Antarctic subglacial water system.In addition, numerical simulation supports modeling of the formation, activity and discharge of the subglacial water and the complex processes of land–water–ocean interaction.This paper summarizes the research progress of Antarctic subglacial lake, Antarctic subglacial hydrological system and simulation, and analyzes the interaction among subglacial hydrology, ice shelf and ocean system, and gives the key research direction of Antarctic subglacial hydrological system in the future.

subglacial hydrology, Antarctic ice sheet, subglacial lake, grounding zone, ice shelf

2020年10月收到來稿, 2021年7月收到修改稿

國家自然科學(xué)基金(41730102, 41772253, 41941006,41776186)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2019YFC1509102)資助

周巖, 男, 1994年生。博士研究生, 主要從事冰下水文系統(tǒng)研究。E-mail: zhouyancup@163.com

崔祥斌, E-mail: cuixiangbin@pric.org.cn

10.13679/j.jdyj.20200066