航空地球物理勘探在南極調查中的應用

李筱，佟晶，張婉，姚國濤，張玄杰

(1.中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083； 2.自然資源部 航空地球物理與遙感地質重點實驗室,北京 100083； 3.中國地質大學(北京) 海洋學院，北京 100083)

0 引言

南極具有極其豐富的礦產與油氣資源，南極冰蓋穩定性也影響著全球氣候與水平面變化，開展南極地區地質調查工作具有重要的戰略意義與科學價值。但是，覆蓋率超過95%的南極冰蓋給南極調查工作帶來了巨大阻礙。航空地球物理勘探方法(簡稱航空物探)能夠克服惡劣的自然環境，具有觀測效率高、安全性高、成本低等特點，在南極地區具有其他方法不可比擬的優勢，現已成為國際上開展南極區域調查的主要方法技術手段[1-2]。我國在極地的航空地球物理調查才剛剛起步，亟須加大對南極地質調查研究力度，以確保未來我國在極地開發中的話語權。隨著我國南極科考后勤保障能力不斷加強，開展大規模南極航空物探調查工作的條件日趨成熟，采用國內自主技術進行航空物探調查勢必將提到日程上來。

本文以大量文獻和資料調研為基礎，回顧了南極航空物探調查的發展歷史，跟蹤調研了航空物探調查裝備與技術現狀，歸納了各國應用航空物探方法在南極研究中取得的研究成果，為我國在南極地區開展航空物探工作提供借鑒。

1 南極航空物探發展現狀

1.1 南極航空物探發展歷程

航空物探的發展大致可劃分為2個階段，即獨立調查階段和聯合調查階段。

1.1.1 獨立調查階段

南極航空物探調查始于1956年，蘇聯率先使用固定翼飛機獲取了Mimy科考站附近的航磁數據。1980年以后，美國、澳大利亞、德國、印度以及日本等國都陸續在東南極開展了航磁調查。1988年以后，隨著GPS定位技術的突破，航空物探測量精度大幅度提高。

進入20世紀90年代，世界主要發達國家不約而同地加快了南極航空物探調查速度。在此時期。各國獨立開展了大面積航磁調查，測量比例尺達1∶100萬，而航空重力與航空冰雷達測量方法使用較少。僅1995～2001年間，以美國的SOAR測量計劃為代表，各國共獲取了近39萬測線千米的航磁數據，局部測量比例尺達到1∶50萬，覆蓋南極大部分海岸地區。

1.1.2 聯合調查階段

步入21世紀后，各國開始通過政府層面的協商，簽訂合作計劃，互幫互助，合作共享，開展極地航空科考工作，填補南極地區航空物探數據的空白。主要合作計劃有AntGP(南極大地水準面計劃)、AGAP(南極甘布采夫省計劃)、ICECAP(南極中部板塊冰凍圈演化調查研究計劃)、IceBridge(兩極冰川調查計劃)、PolarGAP(極地冰蓋調查計劃)、ROSETTA-Ice(羅斯冰架調查計劃)、RAE 61_Aero、WEGAS以及EAGLE計劃等[3]。

1.2 極地航空飛行平臺與測量儀器現狀

1.2.1 測量飛行平臺

由于南極氣候環境復雜，航空物探調查工作多限于在南極夏季開展，每年僅有近兩個月的時間適于勘測。在南極地區開展航空物探工作，需要在短時間內獲取盡可能多的數據，并且深入南極大陸以覆蓋更多地區，因此對飛行平臺性能要求較高。南極航空物探飛行主要選用固定翼型飛機作為主要平臺，直升機僅適用于近科考站地區，無人機仍不成熟。為了適應極地飛行環境并搭載多種航空測量儀器，飛行平臺需具有冰雪起降、航程遠、載重大以及能在-40℃下工作等性能特點。世界上已有多個國家擁有極地航空調查專用的固定翼飛機，具有代表性的主要有我國與澳大利亞使用的BT-67機型、英美兩國使用的雙水獺(Twin Otter)DHC-6機型、德國使用的多尼爾(Dornier)228系列機型以及俄羅斯(蘇聯)使用的IL-14機型，其中3種機型的性能參數對比見表1。

1.2.2 航空重力儀

隨著衛星差分定位技術的發展，航空重力測量精度大幅度提高，具有比衛星重力數據更高的分辨率，能反映更細致的重力異常。各國使用不同的航空重力儀在極地進行了航空重力測量任務，目前在南極地區應用的航空重力測量系統主要有： Lacoste & Romberg S-83?？罩亓x，均方根誤差可達2.97 mGal； Sander Geophysics地球物理公司的AIRGrav航空重力儀，數據均方根誤差可達1 mGal； Bell Aerospace 公司的BGM-3航空重力儀；俄羅斯研發的GT-2A航空重力儀，數據均方根誤差可達 1 mGal。Studinger等[4]使用多個航空重力系統在南極同一地區進行了對比測試，結果表明GT-2A有較好的穩定性和分辨率。

表1 極地航空物探固定翼平臺性能參數對比

1.2.3 航空磁力儀

適用于極地航空磁力測量的磁力計主要為Scintrex Cs-3等磁力儀，靈敏度可達0.6 pT。南極大陸冰層很厚，航磁觀測面距離地表巖石較遠，因此對磁力儀性能要求較高。不同于中、低緯度地區航磁測量，南極航磁測量在飛行過程中需要有效調整Scintrex Cs-3磁探頭擺放的角度，以達到最佳測量效果。

1.2.4 航空電磁系統

航空電磁方法受限于冰層與電磁波能量的屏蔽作用，主要適用于無冰區與冰層較薄地區。在20世紀末，德國開展了南極航空電磁試驗，測量了海上冰層厚度。目前已應用于南極測量的航空電磁系統主要有德國Alfred Wegener研究所(AWI)的直升機電磁(HEM-Bird)系統[5]，SkyTEM公司的SkyTEM504、SkyTEM312航空電磁測量系統[6-7]。SkyTEM312是SkyTEM公司的最新型航空電磁測量系統，發射面積約342 m2，具有短發射磁矩與長磁矩兩種功能，最大探測深度可達600～700 m。

我國已掌握與目前南極航空物探調查水平相當的測量裝備與技術，但在飛行平臺改裝技術方面仍有差距。極地的自然地理條件和氣象環境是對航空重、磁飛行的最大考驗，我國國產飛機目前還未作為飛行平臺在極地開展過測量工作，參照國際執行極地任務的飛行平臺，目前國產運12F機型具備與其相當的性能，可作為備選機型進行冰雪起降試驗。我國已掌握GT-2A航空重力儀的測量技術手段，在國內已實現大規模的生產測量應用，但值得注意的是，目前國內使用的GT-2A航空重力儀和Scintrex公司的Cs-3銫光泵磁力儀只適用于緯度小于75°的地區，在極地應用時需要調整為極地模式。我國自主研發的HC-2000型He光泵磁力儀在極地地區可能更加適用，其在探頭方向與磁感線夾角較小時信號最強，而國產航空重力儀已經在冰島進行過測試飛行，取得了較好的效果。

1.3 極地現有航空重、磁數據情況

隨著南極航空物探調查工作不斷推進，數據共享成為各國合作的必然趨勢，其中最具代表性的有ADMAP磁場數據庫與AntGG重力數據庫，這兩套數據庫分別匯總了南極現有航空、船以及衛星等多種手段采集的磁力與重力數據(圖1)。

1.3.1 ADMAP磁場數據庫

ADMAP計劃始于1995年，在SCAR與IAGA兩個組織的支持下，各國科學家通力合作匯編了南緯60°以南已有的航空、船測以及衛星測磁力數據。1995～2007年形成了第一階段的磁力數據庫，2008～2018年完成了第二階段磁力數據庫。截至目前，已經匯編整理了近350萬測線千米的航磁與船磁數據，幾乎覆蓋整個南極(圖1b)。匯編工作先將所有數據處理成網格數據，分別通過插值與濾波方法去除所有測線中的數據間隙、尖刺；在系統差分基礎上進行統一調平，最終將航磁與船磁數據匯編為間距1.5 km的網格數據；最后，進行了波長大于7 km的低通濾波，得到ADMAP-2數據庫[8]。目前，ADMAP計劃正在謀劃第三階段工作(ADMAP-3)，計劃匯編自2012～2019年美、德、英、俄、中等國采集的近546萬測線千米數據。

1.3.2 AntGG重力場數據庫

AntGG計劃收集了南極重力數據[9]，以2007/2008國際極地年期間獲得的航空重力數據為主，加入了IceBridge計劃和德國在毛德皇后地獲取的航空重力數據，形成了AntGG南極重力數據庫。目前該數據庫匯編了超過1 300萬個數據點，覆蓋面積達1 000萬km2，近南極陸地覆蓋率達到73%，南極海域覆蓋率達到29%。

a—航空重力數據覆蓋情況；b—ADMAP-2航磁數據覆蓋情況a—free-air gravity anomalies in Antarctica;b—ADMAP-2 compilation of total field magnetic anomalies圖1 南極地球物理數據覆蓋情況[7-8]Fig.1 Field geophysical data covering over Antarctica[7-8]

目前,南極航空物探調查仍處于填補數據空白的階段,其中西南極數據覆蓋率最高，測量比例尺達到1∶50萬。由于補給條件困難等原因，先期調查主要覆蓋了科考站附近與南極大陸海岸帶,南極極點周邊、伊麗莎白公主地、南極橫斷山等地區仍存在大量航空物探數據空白，將是未來南極航空重、磁測量的主要目標區域。近年來，航空重、磁測量逐步從小比例尺、低精度發展為大比例尺、高精度測量。各國針對具體調查目標也開始在重點調查區域部署高精度、大比例尺航空重、磁測量，這也是未來南極航空物探調查的主要方面。

2 極地航空物探應用現狀

南極處在超大陸地質演化的核心區域，包含著古大陸重建的重要線索，然而，惡劣的自然環境與覆蓋率達到99%以上的冰雪層，為南極地質調查與研究帶來了巨大困難，阻礙了南極地質演化的認識。21世紀以來，西方發達國家通過開展南極航空物探調查取得了一系列成果，主要體現在南極地殼結構、古大陸重建與恢復、巖漿與火山活動以及南極地質與冰層相互作用等前沿科學問題的研究上。

2.1 南極地殼結構研究問題

地殼是大陸巖石圈的重要組成部分，地殼厚度、結晶基底界面以及深大斷裂系統等是表征地殼巖石圈結構構造主要參數，橫跨海陸的航空重、磁數據反映了地殼結構與深部構造，是我們認識南極大陸區域構造演化歷史的重要媒介。

南極半島長期以來被認為是古太平洋與岡瓦納大陸的俯沖帶。通過西南極航空重、磁調查，發現了一個近1 500 km長的弧形航磁異常帶，被命名為PMA，可能為多個弧形異常疊加而來。據航磁資料推測，南極半島可能是一個島弧復合塊體[10-11]，由2個巖漿弧拼合而成，其間保存著近1 500 km長的縫合線。PMA兩側的塊體航空重、磁場特征存在差異明顯，表明兩側地殼成分明顯不同，分別為古太平洋和岡瓦納大陸塊體；沿俯沖帶的航空重、磁場橫向存在差異，揭示了俯沖帶不同部位存在著差異性拼合。Jordan T A等通過位于該俯沖帶中部Adelaide島的大比例尺航空重、磁數據，反演得到了Adelaide中生代島弧的三維結構[12]，結合地表露頭測年證據，認為該島弧在古近紀停止俯沖；俯沖帶北部Anvers島的航磁異常特征表明，一些微小塊體在俯沖過程中消亡[13]。

航空重、磁數據可以作為確定地體邊界與劃定地體展布的依據。南極大陸作為岡瓦納大陸的主體，保存了眾多組成岡瓦納大陸的地體，這些地體之間的接觸縫合線位置仍不清楚。最新的航空重、磁異常特征為劃定其間各地體邊界提供了依據。前人對毛德皇后地東部的TOAST地體進行了大量研究，通過地質年代學和地球化學分析確認了該地體是拉伸紀(1 000～850 Ma)形成的海洋弧形地體[14]，認為其與勞亞古陸重新聚合、岡瓦納大陸形成有關，但其平面展布范圍仍未被完整揭示。德國AWI研究中心Ruppe等基于最新的航空重、磁數據，進一步厘定了TOAST的平面展布范圍(圖2)[15]，認為其大小與南極半島相當。TOAST地體的航磁特征表現為多個弧形條帶狀航磁異常，具有NW—SE向延伸趨勢，表明其可能由兩個或多個的弧形地體拼合組成。目前受限于數據空白，其南部邊界仍不清楚。

a—TOAST地體的航磁異常；b—TOAST地體范圍a—aeromagnetic anomaly over TOAST;b—the range of TOAST圖2 TOAST地體的航磁異常與平面范圍[15]Fig.2 Aeromagnetic anomaly and geological structure character of TOAST[15]

基于航空重力數據，可以反演得到地殼厚度模型，反映南極各地區的巖石圈厚度變化，為劃分基底構造單元提供依據。Jordan T A等基于Wilkes盆地的航空重、磁數據，進行了地殼厚度反演[16]，結果表明該盆地南北地殼厚度差近15 km，認為后期伸展作用對盆地北側產生了重要影響。Davis等使用重、磁、震聯合反演方法描述了南極東部海域Enderby盆地地殼形態[17]。在盆地東、中、西3段分別選取典型剖面反演(圖 3)，結果顯示盆地由東向西地殼厚度逐漸減小，火山巖的發育也逐漸減弱，推斷東岡瓦納大陸裂解過程中，地殼形變和海底擴張程度沿裂谷走向存在差異。

圖3 Enderby盆地東部重、磁震聯合反演剖面[17]Fig.3 Aeromagnetic and gravity fitting inversion profile in the eastern Enderby basin and its crustal structure interpretation[17]

2.2 古大陸重建與恢復

南極大陸是岡瓦納古陸的核心[18]，也是現今唯一與所有南半球大陸(南美洲、非洲、馬達加斯加島、印度、澳大利亞以及新西蘭)有共同邊界的古陸[19]，因此，確定超大陸裂解與拼合過程中斷裂的對應關系、恢復板塊間的相對位置關系是南極地質演化研究中的關鍵科學問題。大量研究成果表明，將航空重、磁數據與地質年代學、地球化學和古地磁數據結合起來，可以作為重建岡瓦納、羅迪尼亞和哥倫比亞超大陸的重要依據[20]。

東南極的毛德皇后地(Dronning Maud Land)記錄了東南極Grunehogna克拉通與非洲Kaapvaal克拉通之間的相對古位置信息。以往重建東南極與非洲相對古位置都是基于兩大陸之間的擴張洋中脊的磁異常條帶數據，而最新的航磁數據覆蓋了兩側陸域，為重建東南極與非洲古位置提供了進一步約束。Riedel等[21]以Leinweber和Jokat[22]發表的東南極與非洲古大陸重建模型為基礎，使用G-Plates軟件將東南極與非洲板塊進行旋轉拼合，恢復后的兩個板塊上典型磁異常特征走向、位置以及大小都表現出較好的一致性。拼合后，兩個大陸的深部斷裂構造也可以很好地對應起來，進一步說明航磁數據可以應用于古大陸重建。

Aitken等[23]基于ICECAP項目采集的航空重、磁數據，恢復了南極Wilkes地與澳大利亞近南極側的相對古位置。依據Williams等[24]建立的Leeuwin古大陸模型，Aitken等將兩個大陸的航磁異常與剩余均衡重力異常拼合起來，重建岡瓦納大陸裂解前的重、磁異常圖，形成古岡瓦納大陸拼合模型(圖4)。拼合后模型顯示兩個大陸保存了許多相似結構，兩個大陸上有磁性的花崗巖有著相似的重、磁場特征，其間的重要縫合帶可以很好地連接起來?；谄春虾竽Ｐ偷闹?、磁異常對比結果，修正了前人的南極與南澳大利亞古大陸重建模型。

2.3 南極火山與巖漿作用

火山與巖漿活動伴隨著板塊俯沖、拼合及大陸裂解過程，廣泛分布于廣袤的南極大陸?；鹕脚c巖漿活動記錄了板塊運動過程，也影響著冰架下熱流分布，因而揭示南極冰架下的南極火山與侵入巖體展布等特征一直是南極研究的熱點科學問題。航空物探調查為研究南極大陸冰下巖漿與火山作用提供了重要信息。

a—航磁總場異常；b—均衡剩余重力異常a—total magnetic intensity anomaly data；b—isostatic residual gravity anomaly data圖4 基于 Leeuwin模型恢復[24]的160 Ma岡瓦納大陸南極Wilkes地與澳大利亞近南極側古大陸對比重建圖[23]Fig.4 Reconstruction of Gondwana fit at 160 Ma[23]based on the Leeuwin model[24]

Vries等[25]使用形態分析方法研究了航空冰雷達測得的冰層厚度數據，在已知火山口的位置約束下結合航空重、磁數據，建立了西南極火山口的航空重、磁識別標志，并據此推測出西南極存在138座冰下火山[25]，其中91座為新發現火山口。其研究結果表明，火山口在冰雷達數據剖面中表現為直徑不超過5 km的錐形，同時具有環狀磁異常特征，識別出的火山口多沿西南極裂谷帶展布，分布密度達到約每18 500 km2分布1座火山。此外，基于航空重、磁數據還可以建立火山內部結構模型。南極半島北部詹姆斯—羅斯島哈丁頓火山是一座復式火山，自中新世至今持續噴發，但受到冰層覆蓋，對于該火山的演化過程認識較少。Jordan T A等[26]基于航空重力數據，建立了該火山的三維結構模型。認為該火山對應布格重力正異常，可能由一個埋藏較淺的低密度體引起，推測為火山灰充填了火山口，需要進一步驗證；Ghidella[27]通過該區域的航磁資料，分析得到了該火山噴發堿性火山巖的分布范圍，反演得到多個向下延伸約3 km的近垂直高磁化率異常體，認為該火山存在多個噴發中心與巖漿通道。

在岡瓦納大陸裂解過程中，南極大陸爆發了大規模的巖漿活動，形成了Karoo-Ferrar大火成巖省。為了探明與Karoo-Ferrar大火成巖省相關的侵入巖體展布，英國南極調查局開展了多次航空物探調查。Jordan T A等[28]依據航空重、磁數據，在東南極Coats地區發現了一個航空布格重力異常大于50 mGal，航磁異常大于1 000 nT的長80 km、寬30 km的異常體。通過重、磁聯合反演，推測該異?？赡転楦呙芏?、高磁化率的輝長巖體，認為其形成于岡瓦納大陸裂解過程中，與下地幔巖漿活動有關。

2.4 南極地質與冰蓋之間的相互作用研究

2.4.1 南極冰下地形與地貌研究

長期的遙感觀測發現，海水對于冰架的侵蝕是引起冰架減少的重要原因。接地線是指海水與冰架相互作用發生的位置，接地線變化表明冰架物質增加或者減少，是冰川變化與海平面變化的重要指示器。南極海岸帶地形條件復雜，很難對接地線進行直接觀測，通過衛星遙感或其他間接方法也很難獲得準確的海岸帶地形數據。高精度航空重力測量為南極海岸帶地形測量提供了有效解決方案。

針對兩極海洋與冰架強烈交互地區，美歐國家有針對性地開展了航空物探調查Operation IceBridge計劃，測量兩極消融較快冰架區域的冰下地形。美國加州大學Romain Millan等[29]基于航空重力異常數據，首次在Crosson和Dotson冰架下發現了向內陸延伸的冰下峽谷(圖5)，南大洋溫暖海水沿冰下峽谷內流侵蝕冰架，加速了冰川溶解。Operation IceBrige計劃獲得的地形數據還發現， 不同地形條件對冰架穩定性的影響不同。Thwaites冰下地形外高內低，導致海水易向內陸流動，使得冰川快速溶解；而在南極半島，Constantino等[30]基于南極半島航空重力數據反演得到的冰下地形結果表明，南極半島存在沿岸山脊阻擋了海水內流，因而南極半島冰架更加穩定。

a—南極沿岸冰架接地線示意;b—阿蒙德森海沿岸航空重力異常;c—航空重力數據觀測曲線與反演擬合計算曲線;d—基于航空重力數據反演得到的Dotson冰架冰下E-E'剖面地形(粉色為MBES測量數據，黑色為重力反演結果曲線)a—grounding line model in Antarctic coastal ice shelf； b—free-air gravity anomalies in Dotson Ice Shelf;c—the observed and calculated airborne gravity anomaly；d—inverted surface topography of Dotson Ice Shelt E-E'profile based on airborne gravity data圖5 基于航空重力數據反演得到的Dotson冰架冰下地形[29]Fig.5 Basement surface topography under Dotson Ice inverted by airborne gravity data[29]

2.4.2 南極地熱通量計算

南極地熱通量是南極巖石圈的重要動力學邊界條件，影響南極冰蓋溫度和巖石圈流變性質。但南極地熱通量無法直接觀測，僅可以通過低分辨率的衛星磁測數據、地震數據以及靠近各國科考站的零星鉆井數據進行間接計算。

Martos等[31]基于ADMAP磁場數據庫，反演得到南極居里面深度，依據熱力學模型估算南極全區地表地熱通量分布(圖6)。該結果將原有地熱通量分布圖精度提高了近50%。研究結果表明，全南極地熱通量值大致為42～180 mW/m2,平均值為68 mW/m2，與全球大陸地熱通量平均值基本相當。高地熱通量值異常主要位于西南極裂谷與南極半島附近，最大值近170 mW/m2；東南極的地熱通量值整體較低，由沿岸向中心逐漸變小。

2020年，Johnson A B等[32]聯合多個科學家發布了南極地熱通量研究白皮書，系統介紹了目前的南極地熱通量研究方法，指出了各類方法的優缺點。

圖6 南極地熱通量分布[33](底圖為南極冰下地形)Fig.6 Geothermal heat flux distribution at the ice-rock [33](interface superimposed on subglacial topography)

不同的巖石圈與地幔的結構模型和巖石物理性質，得到的南極地熱通量結果有很大差異，因此需要更多鉆井與地質露頭以及地幔包體等提供的地熱通量值約束，并綜合多源數據建立更加精確的南極殼幔結構模型。

2.4.3 航空電磁方法揭示海冰厚度與地下水分布

目前應用航空電磁方法在南極開展的調查工作還相對較少，主要以試驗性測試為主。Pfaffling等[33]2003年使用德國AWI研究所研制的直升機頻率域電磁系統進行了海上浮冰厚度測量，最大可探測厚度達3 m，測量結果與海冰直流電阻率原位測量方法得到的結果基本一致[34]。在美國國家自然科學基金會資助下，Mikucki J A等實施了ANTAEM計劃，先后于2011年與2018年在南極羅斯海沿岸Taylor峽谷進行了兩次航空電磁試驗性測量，旨在調查南極凍土層厚度與地下水分布。兩次測量均使用了SKYTEM公司儀器，獲得的航空電磁數據反演結果很好地顯示了地下電阻率結構[6,35]。以鉆井資料為約束的反演結果表明，該區凍土層厚約300～400 m，具有較高電阻率。同時，調查發現測區范圍內地下存在低阻層，認為是地下水和冰下湖以及地表水系相連的通道(圖7)。該項調查為航空電磁法在極地開展類似工作提供了較好的示范。

圖7 Taylor峽谷電阻率反演成果(a)與地下水流通解釋模式(b)[6]Fig.7 Resistivity cross-section for the length of the Taylor Valley(a) and conceptual diagram depicting predicted hydrological connectivity(b)[6]

3 結語與建議

1) 南極地殼結構研究、南極古大陸重建與恢復、南極火山與巖漿作用調查和南極冰架與地質相互作用研究等典型實例表明，航空地球物理勘探是解決南極地區域地質構造問題的有效技術手段。

2) 目前，南極航空地球物理勘探處于填補數據空白和重點區域高精度中大比例尺測量階段，具有向南極大陸內部探測的發展趨勢。關于南極超大陸聚散過程中涉及的演化過程、古太平洋俯沖帶特征和中新生代裂谷等問題，已成為南極地質研究的焦點，可作為我國下一步南極航空地球物理勘探的重點。

3) 航空重、磁方法與航空冰雷達探測方法的結合，能夠提升南極冰下地質的準確性，是解決南極冰層與基巖相互作用問題的重要手段，可作為我國南極航空地球物理勘探的新方向。