地震资料重新解释的必要性

最后更新于2023年1月16日星期一|南极研究

ERS-1卫星任务的一部分包括对地球表面进行精确的激光测高。卫星的轨道倾角覆盖了南极冰盖的相当一部分。Ridley等人(1993)整理了冰盖表面的激光测高数据，并从许多不同的轨道上进行了数学总结。这使他们能够绘制出非常精确的南极冰盖表面地图，在10平方公里的面积内精度为0.5米。这张地图上的等高线毫无疑问地显示，在罗宾博士1971-1972年和1974-1975年的底水反射所标记的区域上方，有一个平坦的、近乎水平的浮冰覆盖表面。这种冰盖与地面冰盖的斜坡明显不同。湖的独特岸边是由向上的一排小洼地和向下的“河岸”的一排平缓的小山所标志的。

作为他工作的补充，Ridley et al.(1993)获取了南极洲等高线的地图，并模拟低空飞行的飞机的侧视，计算出等距视图，阴影与低角度太阳的实际位置相对应。突然清晰(图5.1)，附近有一个长200多公里、宽约50公里的椭圆形大湖Vostok站就在它的西南偏南。

大约在这个时候，位于伦敦的皇家学会和苏联科学院签署了一项协议，开始了一项拨款计划。根据这项协议，苏联科学家可以向英国皇家学会申请一笔补助金，以支付在英国一段特定时期的费用，条件是斯科特极地研究所(SPRI)或任何其他英国研究所的杰出成员将发出邀请。我向罗宾博士表达了我想在SPRI工作的兴趣冰下湖问题，他肯定地回答了，同意留六个月。

Ridley的文章和他的地图相结合，显示出一个明显的椭圆形，暗示着一个“湖”，我来到SPRI，积累的数据提供了一个很好的

: 图5.1。由ERS-1卫星雷达-高度计数据编制的南极洲等距图。突出地表地形的细节，包括沃斯托克湖(改编自Ridley et al.， 1993)。

罗宾博士有理由在剑桥组织一次为期一天的研讨会，讨论与这个湖的存在有关的科学问题。对于这个湖是否真实(也就是说，它是否代表了一个相当深的液态水层)仍然存在疑问。需要解决一些相关问题。研究南极洲西部冰流的美国科学家发现，它们类似于相对较快的“河流”移动冰与周围冰盖的流速相比。通过无线电回波探测得到的一些冰流底部的反射显示出类似于水的平坦特征。然而,深钻但相反，他们发现了一层细冰碛类型的颗粒，由于快速移动的冰流产生的热量，在底部融化了饱和的水(Blankenship et al.， 1986)。

沃斯托克站下方的湖泊距离冰分水岭100多公里，冰以大约3米1的速度到达湖泊(这是通过简单计算得出的估计)。东方站的实验测量也给出了类似的速率。这并不是特别快，但这意味着冰盖在冰/岩石界面不断产生某种类型的冰碛碎片，这些碎片被移动的冰困住，带到湖中并沉积下来(图5.2)。毫无疑问，冰盖是这次活动的原因——最大的未知是，“有多少物质被运输了，运输了多长时间?”

在为为期一天的研讨会做准备时，我们估算了如果冰川没有将碎片带入湖中，湖水会有多深。我们在海底取了卷

图5.2。厚厚的南极型冰原中心部分的冰下湖示意图(改编自Zotikov, 1986)。(1)冰下基岩洼地(湖泊水库);(2)基础;(3)冰盖厚度;(4)基岩界面附近冰盖携带的颗粒;(5)冰盖上表面;(6)“湖”的边界投射到冰川表面;(7)湖上冰盖上表面(见第四章); (8) ice flowlines; (9) subglacial lake; and (10) sedimentary layer at the lake bottom.

罗宾博士1971-1972年和1974-1975年的飞行记录。根据湖底最高和最低部分的高差，南极洲东部200公里冰段(湖泊的大致长度)的“干”冰川底部的平均粗糙度估计约为500米。

其他研究表明，冰盖在湖面上移动可能会在湖的上游带来约100米的碎片，而在湖的对岸则会少一些。尽管这些估计非常粗略，但它们表明，这个湖可能还没有完全被填满，为液态水留下了空间。这些想法形成了我们对“地球物理研究研讨会”的理解水平。沃斯托克湖“”。这也是这个湖第一次被冠以这个特殊的名字——这是一种方便的称呼方式。对于熟悉“湖”的科学团体来说，没有人反对这个名字，而且这个名字也被认为是合适的，因为这个湖与东方站相连。我还考虑过“罗宾森湖”这个名字，以发现该湖表面迹象的飞行员的名字命名，他在另一次极地任务中不久就去世了。他的父亲是英国人，母亲是俄罗斯人，在某种程度上，他象征着英国和俄罗斯在湖泊研究方面的密切合作。然而，罗宾博士不同意，并说服我说“沃斯托克湖”更合适。截至2004年底，该名称还没有得到任何官方地理机构的批准。

从我和罗宾博士撰写的研讨会报告中，以下描述了沃斯托克湖。

研讨会回顾了现有的知识，并建议进一步研究，以扩大我们对“地球上最遥远的湖泊”的了解。该湖面积约为1万平方公里，约为亚洲贝加尔湖面积的三分之一。它位于东方站以北约4公里厚的冰层下。水层的深度是未知的，但可能平均大约几十到几百米。

研讨会由剑桥大学南极研究所组织，在英国南极调查局(BAS)的一栋大楼举行。出席讲习班的人员包括:G. Robin和P. Clarkson (SPRI);I. Zotikov和A. Kapitsa(在SPRI工作的俄罗斯人);里德利(米勒德空间实验室);以及C. Doake, D. Vaughan, B. Storey, A. M. Smith, E. King和D. J. Drewry(英国南极调查局)。研讨会议程包括五个主要项目:(1)数据审查;(2)资料地球物理解释;(3)未来计划;(4)长期目标;(5)结论。 Summaries of these items are as follows:

(1)数据回顾。苏联飞机导航员在1959年首次报告说，冰盖上的天然地标之一是边界微微倾斜的椭圆形洼地，或“海岸”，尽管它们不在地图上(Robinson, 1960)。国家科学基金会-斯科特极地研究所-丹麦技术大学(NSF-SPRI-TUD)项目通过机载无线电回波探测对亚冰地形进行了广泛研究，发现在几公里的航线上偶尔会出现强烈的基底反射。这是来自水深不少于一米的亚冰水界面的镜面反射。第一次是在1967-1968年的季节在Sovetskaia站附近报道的。在1971-1972年冰季之后报告了17个“亚冰湖”，并对它们的分布和其他性质进行了更详细的讨论(Oswald和Robin, 1973)。在19741975年的季节中，沿着航线也观察到了类似的反射，如图5.3所示为黑色的重带。Robin et al.(1977)也报道了一个大型“亚冰湖”的存在。上面的冰层厚度在3600 - 4200米之间。亚冰湖上有相对平整的冰面。 Digital data on the ice thickness and surface elevations from all NSF-SPRI-TUD flights are now stored on computer at the BAS. Copies of any of the relevant sections are supplied on request by D. Vaughan (BAS), with the original film records on flight data archived at the SPRI.

(2)资料地球物理解释。通过ERS-1卫星测高对南极冰盖表面高程的测绘，提供了南至南纬82°的表面轮廓的详细信息。通过初步或“快速交付”数据的初始映射，被用于提供图5.3中的表面轮廓。使用了大约2700个地表高程，冰盖高程的平均误差约为2米。在湖面平坦的中心区域，这些误差下降到0.2米。误差与当地地形有关。此外，卫星轨道误差可能为正负15米。研讨会上最有趣的讨论是关于湖水可能的深度。我们从理论估计和罗宾的无线电回波探测得到的所有数据都表明那里可能有一个真正的湖，这是人类历史上最伟大的地理发现之一

图5.3。图为1993年看到的沃斯托克湖地区。地面高程线由Ridley等人(1993)根据ERS-1卫星的低比特率(LBR)数据重建。还显示了Robin等人(1977年)的无线电回波探测(改编自Ridley等人，1993年)的无线电回波探测(RES)飞行路径和强底部“湖泊状”回波的位置。

20世纪末。然而，尽管罗宾的数据显示沃斯托克站下有一个湖泊，但卡皮察的地震数据显示没有湖泊——地震数据比无线电回波测深数据更可信。怀疑论者怀疑其他地区的地震数据，罗宾从无线电回波探测中解释为湖泊，是否会是负面的。《自然》杂志的编辑们也表达了这种不确定性，这反映在他们拒绝了罗宾的一篇手稿上，在这篇手稿中，罗宾第一次试图发表一篇关于发现一个湖的论文

雷德利的冰川侵蚀/沉积估算。《自然》杂志的编辑们说，他们几年前已经发表了一篇由同一作者撰写的关于冰下湖的论文，他们只会发表新材料，前提是该材料至少包含一个独立的证据，证明该湖的存在(例如，地震工作的水厚度数据)。然而，这一额外的证据似乎无法获得。答案似乎在于Kapitsa(1968年)在Vostok站的地震工作，如车间报告所述:

Kapitsa(1968年)在Vostok站和沿湖西岸及附近的三个地点通过地震反射拍摄测量了冰的厚度。他解释说，沃斯托克的第二个更深的回声来自沉积层，但目前的信息表明，它可能来自大约70米厚的水层底部。在距离获得其他测深的地方约50公里的地方，雪表面非常柔软，使旅行变得困难。这可能是由于平坦的表面导致轻空气中的雪沉积，而斜坡表面上几乎连续不断的风形成对比。

Kapitsa出席了研讨会，并同意我们的解释，并急于核对数据，因此发表了以下声明:

．.．但目前的信息表明，它可能来自约70米厚的水层底部。这一记录以及湖边缘附近的其他三次测深记录将在莫斯科重新检查。

(3)未来规划。未来研究的首要任务如下:(一)预计在一两个月内完成对较准确资料的评估;(b)应重新评估无线电回波数据，特别是其准确位置和周围地形;(c)卡皮察博士及其在莫斯科的工作人员将重新检查该湖区域的地震测深。

第二个优先事项包括在今后几年内通过标准方法获得更多的现场数据。(a)利用地面当事方放置或从飞机上投下的设备，在选定地点用卫星位置监测确定地面移动情况。或者，如果最近发展的雷达新技术(合成孔径ERS-1的雷达(SAR)干涉测量法可以用于测量速度，就像在鲁特福德冰流上一样，这将以有限的成本提供有价值和全面的数据。Doake博士(BAS)被要求看看这是否可行。(b)冰层厚度测定:需要额外的机载无线电回波测深，以便更好地确定湖泊和周围基岩上的基底地形。这项工作应尽快进行。它还应用于确定是否小湖Vostok附近的部分(图5.3)与大湖连续。(c)水层厚度:地震反射拍摄测量似乎是现有的最佳方法。广角反射测量还可以提供关于基底沉积物和基岩的性质和厚度的信息。(d)从沃斯托克目前的洞内进行长期监测。如果可以进入该孔，建议将其用于地热热流和微地震和声波活动的长期监测(10-100年)。当钻孔底部接近亚冰湖时，这一数值就会增加。

(4)长期目标。主要的长期目标是研究湖泊系统的地球物理和生物学。而遥感技术前面已经讨论过，可以提高对湖泊的一般认识，直接采样的化学和生物性质和持续监测湖中的仪器必须是一个长期的目标。需要对最佳抽样技术进行广泛讨论。必须特别注意避免引入外来物质(如深钻孔时使用的钻井液)污染湖水。在Vostok现有的钻孔可以加深到湖面之前，必须找到解决这个问题的办法，否则就需要开发替代的钻孔和取样技术。

(5)结论。地球上最遥远的湖的存在，在东方站附近，似乎接近被地球物理技术所证实。然而，在我们能够确定我们的结论之前，我们需要对水的厚度有更好的了解。建议的程序首先要确保现有数据被充分利用(在未来一两年)。(3)中所列的进一步地球物理研究计划可在此期间开始，预计将持续2-5年。与此同时，可以考虑用于湖泊水和沉积物取样的技术以及其他长期监测手段，以便在有关工程问题得到解决后- -可能在5-10年内开始- -进行这些调查。

(摘自罗宾和佐蒂科夫1993年11月29日的讲习班报告。)

继续阅读:东方站深钻冰芯

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