南极冰盖内部等时层研究进展综述

唐学远 孙波 崔祥斌

（国家海洋局极地科学重点实验室，中国极地研究中心，上海200136）

0 引言

自1957年Waite等［1-2］第一次利用机载脉冲雷达高度计（pulsed radar altimeters）探测南极冰盖的冰厚以来，人类使用雷达技术对南极冰盖的直接观测已有50多年的时间。雷达技术得以作用于冰盖的原因是冰盖对兆赫级的电磁波是透明的。雷达技术最早的应用是获得冰盖的冰厚及其副产品——冰下地形，后来经过技术改进，穿越冰盖的长距离冰内分层结构也被清晰地分辨出来［3-4］。截至目前，已在南极冰盖上开展了大量冰雷达观测内部层调查。早期研究的焦点是辨识导致冰内成层现象的原因，后来转向通过内部层蕴含的信息揭示冰盖内部的冰流过程、冰盖表面积累率、冰下融化率、冰盖动力学和冰下水系统的研究。通过雷达技术与冰川物理学相结合，已经形成了一门新的交叉学科，称之为雷达冰川学（Radioglaciology）。2008年，国际冰川学会（IGS）在西班牙马德里召开“Radioglaciology and its Application”研讨会，成为雷达冰川学被认可并走向成熟的标志。雷达冰川学较重要的研究领域即是通过雷达图像显示的冰盖内部反射功率谱信号考察冰盖的内部成层结构。冰盖内部层结构在冰盖研究中的重要性日益显现。冰盖内部层主要有两个特点：（1）同一内部反射层是近乎相同年代的雪被后来的雪冰覆盖、压实而成的冰层，因而具有“等时性”（isochronous），称为内部等时层；（2）内部等时层的几何形态和结构是历史上冰盖表面物质积累、冰面地形、内部流场变化、底部融化和底部地形共同形成的结果，因而可以被用来理解冰盖的运动和演化。内部等时层在冰川学中的应用已经很多，例如1970年代，英国剑桥大学斯科特极地研究中心（Scott Polar Research Institute，SPRI）与美国国家科学基金委员会（National Scientific Foundation，NSF）、丹麦技术大学（Technical University of Denmark，TUD）在南极冰盖展开了第一次大面积的机载冰雷达调查，获得了近400 000 km的冰盖断面数据（图1）。Siegert等［5］据此给出了一个西南极的内部等时层数据集及其应用实例。崔祥斌等［6］在讨论关于冰雷达在南极冰盖的应用综述时对此有一个简要的介绍，但是还没有一个有关内部等时层研究进展的综合描述。鉴于此，有必要针对南极冰盖内部等时层研究进展做一个系统的阐述。

图1 SPRI在1970年代获得Vostok区域的机载雷达断面显示的内部等时层（图片为冰盖雷达胶片，由Siegert M J提供）Fig.1.Internal layers revealed in airborne radar profile at Vostok from the SPRI programme in the 1970′s（the radar film from SiegertM J）

1 冰盖内部等时层：定义与表示

冰雷达观测结果并不是简单的反射波组合，而是多个反射相互干涉的结果［7-8］。雷达图像显示的冰盖剖面实际上是冰下不同深度上的回波。自20世纪90年代后，研究发现，在理论上，冰盖内部反射层极可能代表了由近乎相同年代的雪被压实后形成的冰层，或冰下基岩与冰的交界面。在水平方向表现为层的结构表征了冰盖内部冰介电性质的差异［9］。目前有三个主要的冰内电介质差异被识别出来，即冰的密度变化、冰体酸性变化和冰晶组构差异［10］。雷达接收的冰盖内部反射信号用其接收和记录的反射信号电压值（记为W）的对数表达式给出，称为反射功率（记为A），其中一种表达方式是：A＝20lgW［11］。通过雷达反射信号数据，内部等时层可由图像形式直观表达（图2）。图像分为单道或多道记录波形图（A-Scope）和多道时间剖面图（Z-Scope）［12］。通常，在空间尺度上识别并提取内部等时层使用Z-Scope图像。利用Z-Scope图像显示的内部等时层所在冰盖内部的空间位置与几何特征，获取其所埋藏的深度和位置信息［13］。只是有时反射信号易被测量装置和环境产生的各种噪声所干扰，使得某些内部等时层产生剧烈的扰动或者断裂，而很难被示踪。分析单点回波信号时，则使用A-Scope。

图2 雷达生成的冰盖内部反射信号图.纵坐标表示冰盖下方相对于表面的深度.A-scope（右）：横坐标表示雷达反射功率谱值A；Z-scope（左）：横坐标表示距离雷达观测测线的起始点的水平距离（据文献［3］）Fig.2.Reflect signals of radar echo sounding to ice sheet.Vertical coordinates represent the depth beneath ice surface.A-scope（right）：the level coordinates are the power of the reflection，and Z-scope（left）：the level coordinates show the distance from the starting point of radar operation along the observed route.（From the Ref.［3］）

2 冰盖内部等时层产生的原因

南极冰盖雪的密实化过程和成冰深度在不同位置是不同的。然而，在雪转成冰的过程中，自冰盖表面以下，密度变化有两个明显的深度临界点：从表面向下，随深度增加密度迅速增加，密实化过程由机械压密阶段向塑性变形和再结晶阶段逐渐转变，其临界密度为550 kg·m-3；到达此临界密度后，密度增加幅度减缓，830 kg·m-3成为雪层内空隙封闭为气泡的临界密度。冰芯研究表明，冰密度变化的下限在700—900 m之间，随着深度增加，冰内气泡被孤立和压缩，最后相变进入晶格内部形成笼形水合物形式，冰密度也趋于917 kg·m-3稳定下来，再往下密度趋于均匀。在冰盖浅部介电常数变化引起的反射波主要是由密度变化引起，相反在深部出现与介电常数有关的反射主要是由晶体组构（Crystal Orientation Fabrics，COF）变化产生。根据介电常数和电导率来区分优势反射原因是基于冰晶体六方晶系复杂的介电特性，据此可找出引起反射的优势原因是介电常数还是电导率。研究表明，浅层的冰密度变化（深度＜700 m），较深层的酸性物质和冰晶组构变化（深度＞900 m）决定了不同深度的内部层结构［10］。密度和导电性变化具有等时性特征［14-15］。在判别内部等时层的形成来源究竟是冰密度变化、冰体酸度变化还是冰晶组构变化时，有效途径为采用双频或多频冰雷达系统进行探测试验对比，分析雷达回波信号在冰盖不同深度和局部的变化特征［15-16］。密度变化引起介电常数的变化（记为PD），主要在冰盖最上层700 m内显现；在深度＞900 m时，密度变化很小，不会显著影响介电常数。酸度变化主要引起冰体电导率的变化（记为CA）。酸度变化的主要来源是火山喷发悬浮物沉淀在雪冰中所形成的酸层。冰晶结构变化主要是指冰盖内部冰晶C轴的指向变化，其能引起介电常数的变化（记为PCOF）。冰晶结构的细微变化可能引起介电常数的剧烈变化，形成内部反射层。

基于文献［10］，令RP和RC分别表示介电常数和电导率的反射系数，则介电常数（PD和PCOF）和电导率（CA）可用来区分相对优势的反射波。在平坦边界，RP与介电常数Δε变化的平方成正比（即RP∝Δε2），其中涉及密度对介电常数PD的影响和冰晶结构对介电常数PCOF的影响；RC与电导率Δσ变化的平方也成正比（即），涉及酸度对电导率的影响（CA），这里f为电磁波频率。冰雷达信号不是记录的反射功率系数，而是接收功率的时间序列。接收天线的接收功率（PR）和目标体的反射可通过下列等式描述：

其中PT是发射功率；R是反射功率系数，表示为RP或RC；G、λ和q分别是天线增益、真空中波长以及折射增益。

因此对于同一深度双频雷达系统接收的相对PR系数，我们有：

通过对比两种频率的雷达反射信号，计算其反射功率差值，可判定出反射主要是由哪种变化机制所引起的。物理机理在于：与频率相关的独立项C与引起反射的冰盖内部冰介质电磁参数无关，而只与仪器系统参数相关。如果能忽略C项，将得到只与反射功率系相关的ΔPR值。如果反射主要是由PD或PCOF引起，则上式ΔPR中第一项值为0（dB）；如果反射主要是由CA引起，则ΔPR中第一项值为20lg（f2/f1）（dB）。假定固定雷达的 λ、PT和G等参数，则第二项C将是一个固定的差值。通过观测ΔPR随深度变化的量值（20lg（f2/f1）（dB）），能从CA反射中区分出PD/PCOF引起的反射（图3）。根据上述雷达信号包含的冰体信息，可给出冰盖雷达剖面上由密度、冰晶组构和酸性物质决定的各个区域以及信号盲区（Echo-Free Zone，EFZ）。

冰晶组构与内部等时层的关系是当前的一个研究热点。研究表明冰晶组构可能也具有等时特征，然而它易受冰体流动的影响［17］。冰芯记录表明，在冰盖深部晶体结构主轴方向在冰川上游和下游有着结构性的差异：上游以单极结构的单晶冰为主，水平方向为各向同性特征，双折射使得接收功率在水平面上具有90°的变化周期；而在下游地区则以垂直带状冰为主，水平方向具有各向异性，水平面内接收功率的变化周期为180°［18］。说明使用雷达极化测量可识别冰晶组构在冰盖不同区域的变化规律［19］。例如，中国第21次南极考察队在Dome A开展的旋转极化面观测，共测量了覆盖360°范围内的16个方向反射功率系数。研究表明：Dome A多极化面雷达记录中出现双折射特有着90°变化周期，冰晶组构类型是被拉长的单极COF，而且在不同周期上，其主轴方向存在的偏差可能与冰流方向在不同深度的变化有关［20］。

图3 中山站-Dome A断面五个测点的详细单道A-scope的冰盖内部回波信号的比较（坐标分别为（79.608°E，78.798°S），（79.560°E，78.482°S），（79.068°E，76.990°S），（78.788°E，77.032°S），（78.346°E，77.004°S））。数据由 2004/2005中国第21次南极考察队在南极内陆冰盖断面使用f1＝60 MHz和f2＝179 MHz双频极化雷达获得.红线和蓝线分别表示PR（179）和PR（60）.ΔPR＝PR（179）-PR（60）＞0的部分用黄色显示.不同深度范围的主要反射机制用PD、PCOF、EFZ和CA来标示（由王帮兵提供）Fig.3.A comparison of A-scope single records from five locations at the Zhongshan Station-Dome A section（the coordinates are（79.608°E，78.798°S），（79.560°E，78.482°S），（79.068°E，76.990°S），（78.788°E，77.032°S），（78.346°E，77.004°S），respectively）.Data were collected by using adual polarization radarwith frequency of f1＝60 MHz and f2＝179 MHz during the 21th Chinese National Antarctic Research Expedition in 2004/2005.The red and blue curves are PR（179）and PR（60）.The yellow areas present the range ofΔPR＝PR（179）-PR（60）＞0.Different reflection mechanism depending the depth are shown as PD，PCOF，EFZ and CA（From Wang Bangbing）

3 内部等时层的形变

内部等时层的形态被认为与冰流运动与冰下地形紧密相关。首先，等时层空间分布与冰下地形密切相关，但并不与冰下地形严格一致。冰下等时层形态与冰盖内部冰流在山脉附近可能发生的转向有关，Robin等［21］指出等时层信号扰动通常由不规则的冰流所引起。内部等时层受到冰流剧烈的扰动，形成不规则的空间分布。数值模拟表明，内部等时层的几何结构与冰下地形的起伏存在的相关性可由冰盖内部剪切力梯度在水平方向的变化来解释，即在一定程度上内部等时层追踪了冰流线的轨迹［22］。可能的原因是冰盖在这里的流速的水平分量很小而垂向分量起决定作用，并且冰盖底部可能存在滑动现象，从而导致冰盖内部冰流出现显著的垂向运动。特别地，假设底部没有冻结，在冰穹地区（如Dome A），其近似径向的冰体运动将物质从冰盖上表面输送到下表面，使得流线轨迹在冰盖底部与等时层渐近重合［23］。

另一方面，冰岩界面信号返回时在表面产生的平移依赖于冰下地形的波长，其结果也会影响等时层的形变。由于内部等时层会追踪冰下地形，覆盖长波波段上的起伏，而在短波波段则趋向于平行于冰岩界面，并产生褶皱。因此局部的单个冰下山峰（不论其空间尺度多大）将使内部等时层产生强烈的形变［22］。在冰盖500 m以上的近表面和浅层，由于积累率在空间分布上的变化，内部等时层会出现局部背斜和向斜现象。在积累率增加的局部，等时层出现向上突出的背斜层；而在积累率相对减少的局部，内部等时层呈向下弯曲的向斜层。冰芯研究表明，在厘米尺度上冰芯剖面上可识别的等时层形变由冰盖内部局部存在的物理和化学性质差异所造成［24］。然而，雷达信号中显示的内部等时层水平分辨率在数十米级，而垂向分辨率至少在米级，因此雷达剖面显示的内部等时层的不连续或断裂来自结构性干涉信号的缺失［7］。

4 内部等时层的应用

4.1 深冰芯断代与选址

内部等时层反映了冰盖的冰体介电性质的成层性变化和扰动特征。其几何特征包含了历史上的火山喷发、降水差异等以反映冰盖过去特定时间的冰体形变特征。通过内部等时层可将已有深冰芯钻孔与潜在的深冰芯位置连接起来，获取其深度-年代关系，然后利用数值模式对深冰芯候选点进行断代和估计古平均积累率，为冰芯断代与选址提供数据支持［25］。Siegert等［26］利用内部等时层将 Dome C与Vostok冰芯连接起来，在长度超过500 km雷达剖面里找出的5条连续的内部等时层，为Dome C深冰芯位置定年。结果显示在末次间冰期（120 000年）Dome C冰沉积对应的冰厚比Vostok大300 m；在同一深度上，Dome C冰芯处在10 000—25 000年的冰比Vostok对应的冰年代轻。Steinhage等［27］对EPICA在毛德皇后地（Dronning Maud Land，DML）的冰芯钻探计划做出前期调查，在其深度的2/3范围内的雷达剖面上部，对数百上千米范围内的等时层同时进行了示踪定年，对DML深冰芯钻探候选位置进行了评估。另外，可通过内部等时层将已有的冰芯记录年代信息拓展到南极冰盖的内部，获得某些有独特环境地区的冰盖内部冰体特定深度的年代地层学信息。例如，通过雷达测线与Vostok冰芯的结合，可获知Titan Dome最底部的冰层年代在165 000年，说明南极点存在涵盖末次冰期-间冰期旋回记录的冰芯，是一个潜在的高分辨率冰芯钻探理想位［28］。对Hercules Dome和南极点之间冰盖雷达断面的研究显示那里存在一个适合冰芯钻探的冰下盆地，该盆地埋藏在一个有显著表面侵蚀，海拔高达1 400 m的冰下山脉附近［29］。可以设想，利用内部等时层连接的相关性可将目前的深冰芯研究热点如Dome A、Ridge B与 EPICA Dome C、EPICA DML、Vostok、Dome Fuji等已有深冰芯通过内部等时层联系起来，获得东南极冰盖内陆许多典型区域的年代信息，从而优化未来的深冰芯钻探选址和定年。

4.2 冰盖动力学过程

内部等时层也可被用来研究冰盖流动历史及内部形变过程，并评估冰盖内部形变及估计速度场的空间分布特征［6］。基于雷达剖面能估计并描绘冰盖内部一些特殊区域的流场特征，平坦的内部等时层往往暗示冰下湖泊的出现，而湖上方等时层呈现的许多局部隆起和凹槽则意味着湖上的冰流受到了表面坡度的影响［30］。使用内部等时层通过湖岸坡度判断，可以计算湖中的水深以及对湖泊表面上方的冰盖流场进行估算［31］。在某些特定情况下内部等时层可作为冰盖内部流场的指示物，如褶皱形态的内部等时层通常伴有一条揭示古冰流特征的长距离对称轴（数十至数百上千米不等），此类对称轴在西南极冰盖已被发现通常不与现代冰流方向一致，其形态揭示出南极冰盖内部冰流历史上发生过突然的转向（图 4）［32］。

图4 雷达图像揭示南极冰盖内部冰流历史上发生过突然的转向，该图像为Siegert［32］根据在西南极 Byrd站的雷达内部等时层建立的冰流与等时层褶皱变化关系概念模型（据文献［32］改画）.（a）内部等时层褶皱可被看做是冰流穿越无滑动/滑动过渡带及冰下融化区的结果.这里褶皱轴平行于冰流方向，褶皱的振幅自X至Y方向增大；（b）冰流方向的变化引起等时层褶皱上冰体额外的应变，进一步改变了褶皱的振幅Fig.4.A conceptualmodel of ice flow and englacial fold based on radar data in the Byrd station ofWest Antarctica.（a）The fold is a resultof ice flow across a no-sliding/sliding zone and subglacial melting.The foldaxis is parallel to ice flow and the amplitude ofthe fold increases from X to Y.（b）Ice flow change causessecondary deformation of the ice on the fold and the undulation of the amplitude（Reprinted from Siegert［32］）

根据内部等时层是否被扰动这一性质可对冰盖雷达断面进行分类，其中被扰动的内部等时层意味着来自冰盖表面和底部的反射存在明显的发散。此类内部等时层近似平行于冰盖表面与底部地形等几何曲面。被扰动内部等时层和光滑冰下地形能表征过去或者目前的增强冰川支流（enhanced-flow tributaries）。因此在某些冰流区域，即使不存在卫星或者地面观测数据，也可通过冰盖雷达图像，并综合数值化计算（如冰盖底部的粗糙度和底部反射因子），识别出快速冰流区的内部状态、范围和源头［33］。断代后的内部等时层与模式相结合也被用来讨论冰盖历史上的消融状态。例如Siegert等［34］通过考察沿着穿越南极横断山脉（Transantarctic Mountains）前缘的一条冰流（绕过1座几何尺度＞1 km的冰下山脉）的冰盖内部等时层，将这些层连接到Vostok冰芯后进行了定年，再使用一个二维的冰流模式去计算稳定条件下内部等时层和冰晶颗粒的轨迹。发现在末次冰期最盛期（过去85 000年以来），那里存在一个大的表面消融区。内部等时层的几何形态也蕴含着冰穹运动的信息。事实上，冰盖的弧形内部层总是出现在底部冻结的稳定冰穹内部。如果底部处于冰的压力融点之上，通过雷达图像呈现的冰流状态能判断出底部冰是否曾经发生过滑动，从而识别出冰穹已经发生了迁移或者底部发生了滑动的特征［35］。

冰下山脉的地形与冰流的时空演化图景直接相关。内部等时层的形态与冰下地形的相关性对于了解冰盖内部的冰体运动历史尤为重要。一般来说，内部等时层与冰下地形之间的关系有两种特征：（1）内部等时层覆盖（override）了下面的冰下地形，在那些冰下山峰上方的内部等时层不会随着山峰的起伏而起伏，几何上表现为较为平坦的形态；（2）内部等时层呈现褶皱（drape）状态，随着冰下山峰的起伏而起伏。Hindmarsh等［22］通过一个力学模式显示这两种特征是冰下地形波长与冰厚关系在满足一定条件下的一种必然表现。当冰下地形波长与冰厚可比较或者小于冰厚时，内部等时层将覆盖冰下地形，不反映冰下地形的起伏变化；当冰下地形的波段处于长波波段时，内部等时层表现为褶皱。不管是固定的冰床还是滑动的冰床，内部等时层形成上述两种特征之一的决定性因素是冰下地形波长的变化或者说是底边界条件的变化。而且当冰下地形除以冰厚波长小于冰速除以积累率时（即沿着流线冰龄水平梯度小于沿着任何其他路径的冰龄水平梯度时），内部等时层与冰流线的形态相似，即此时内部等时层可以用来近似表征冰流线。

4.3 冰盖物质平衡

在各个历史时期的表面冰雪积累率空间分布对于冰盖的形成与稳定起着关键作用，也显著影响着海平面的升降。在南极，由于观测资料空间上的稀疏，存在许多盲区。通常，数据盲区的资料通过插值得到，显然插值对于理解当今的积累率分布存在很大限制。另一方面，对历史上南极冰盖表面的冰积累情况的了解，只有数目很少的冰芯记录和数值模拟结果。首先，古积累率数据主要通过冰芯数据获得。一般通过凭借连接冰芯和机雷达剖面，对内部等时层进行断代获取深度-年代关系，然后以此作为输入量，通过一维模式（Danagard-Johnsen模式或其改进型）得到了积累率的空间分布［36］。计算结果也用来判断古冰盖在过去某个特定时间或者时间段上表面积累率的空间分布与差异，据此推断其降水与当时气象或者气候特征的关系。例如，通过使用内部等时层信息的计算显示在124 000年前，Vostok湖到Ridge B一线，积累率总体上是增加的。冰穹Ridge B的西侧比东侧相应时期里经历了更多的降水。此外，沿着冰脊向北，积累率是增长的［13］。在过去3 100年，Byrd冰芯钻探位置平均积累率与目前相当，这与在Siple Dome已有的观测结果相当。过去6 400—16 000年间的平均积累率约是目前的一半，这与最近冰盖模拟的结果一致［32］。通过连接Ross海与Amundsen海之间冰穹雷达剖面中显示的内部等时层，并利用Byrd冰芯及另一支在该冰穹附近钻取的105 m长的冰芯研究表明，在过去5 000—3 000年时间段里，该区域的积累率较现在高出了30%。说明，今天南极气候变化的决定因素是由于绕极涡增强（circumpolar vortex）产生的周期性震荡，即积累率高的时期可能对应着绕极涡较弱的时期。而最近沿着该断面穿越该冰穹的积累率几乎是线性减少的［34］。Neumann等［35］研究显示出，Ross海断面是接近稳定的，然而在200年前那里有一个强的物质支出，因为那时Kamb Ice Stream是活跃的。相反，最近Pine Island和Thwaites冰川流速的增强，可能导致了Amundsen断面的物质平衡为负。因此，该冰穹现在可能正在朝Ross海迁移。

4.4 冰盖稳定性

冰盖物质平衡的估算与有关冰盖的稳定性的紧密相连，内部等时层成为探讨冰盖稳定性的重要媒介。相对于西南极冰盖来说，传统的观点认为东南极冰盖较为稳定，在末次冰期最盛期，其表面轮廓可能只有很小的变化。但是根据在东南极Coats Land获得的雷达图像显示的内部等时层褶皱，识别出了一个已不再活跃的冰流增强区域（enhanced flow unit），这可能是由于在20 000年前末次冰期最盛期，冰流在某些位置被阻断引起的［37］。该现象说明东南极冰盖的部分外流区（outlet drainage system）自末次冰期最盛期以来已经发生了很大的变化，因此东南极冰盖在末次冰期最盛期较为稳定的观点可能需进一步厘清。

4.5 冰下环境

冰下底部环境对于冰流的状态和演化起着重要的控制作用。当其下方的冰岩界面倾斜时，内部等时层会发生相应的扭曲和倾斜，这可能是由于冰下冰岩界面变化使得其上方冰体的剪切力和应变率发生相应变化引起的［38］。不规则冰盖表面与冰下的剪切力变化会产生冰盖内部等时层的褶皱（folding）、混合（mixing）和断裂（faulting），导致连贯一致的反射受到约束［10］。

内部等时层的几何图像可被用来发现冰盖下方的湖泊。冰下湖由冰盖底部的地热导致的融水聚集在冰下的凹陷谷地所生成。目前，在南极冰盖上共发现了超过300个冰下湖，其中最大的冰下湖是Vostok湖，该湖宽度超过 250 km，深度达1 000 m［39-40］。另外，冰盖内部回波强度和冰厚可被用来估计局部区域的平均变化率，评估冰盖底部是否具有液态水体——高底部反射率意味着底部有水相出现［41］。

内部等时层的几何形态在一定程度上反映了冰盖内部冰晶组构与EFZ的性质。EFZ一般出现在距冰岩界面上方几百米无反射信号或者信号很弱的区域。由于缺乏其来源的直接证据，以前对产生这一现象的原因是不清楚的。最近Drews等［42］通过比较在东南极毛德皇后地EPICA DML钻探点的反射信号，分析EPICA-DML冰芯的微结构和介电性质，发现内部等时层信号的缺失与冰流的扰动有内在联系。EPICA DML的研究表明EFZ的出现以2 100 m深度为上边界，在该深度之下，冰流可能经历了不同程度的扰动。因此在1 900 m以下有关气候记录断代面临的困难大大增加，到2 400 m以下，它与Dome C冰芯记录的关联则全部消失了。该现象表明在流变学上，EFZ内部与内部等时层清晰存在的冰盖区域显著不同。若EFZ不是来源于雷达系统的敏感性，那么冰体的冰晶结构重组（重结晶化）可能代表了EFZ形成的一个重要因子［43］。即EFZ可作为一个冰芯古气候反演指示物。因此，通过其上方的内部等时层，可估算出EFZ区域冰体相应深度上的年代下界。自EFZ发现以来，尽管EFZ在南极冰盖的广大地区都有所发现。然而由于没有直接的证据可资利用，并不了解为何EFZ内会出现层缺失现象［10，38，43-45］。最近的研究发现，内部等时层缺失的部分EFZ区域也能被新的雷达系统识别出来。它们代表了冰盖底部水重复冻结形成的冰（Frozen-on ice）。这一过程由汇集于冰盖底部的水通过对流、冷却，或是当水从陡峭谷壁被挤迫而上遭遇超级冷冻时发生的［46］（图5）。结果可能改变冰体的热力学和晶体结构，使得该区域冰体的介电性质差异变得紊乱，形成了重复冻结冰。

图5 （a）位于Dome A地区冰下山谷下流20 km长雷达断面显示的冰岩界面、内部等时层、信号盲区与底部反射信号“亮区”表达的重复冻结冰区域；（b）根据雷达图像描述的内部等时层、重复冻结冰区、冰岩界面，以及冰流方向；其中：重复冻结冰区厚度达1 100 m，其上方的内部等时层向上偏转扰动400 m以上，在朝向山谷出口方向由于冰流的影响，内部等时层断裂，并趋近冰岩界面（图片引自文献［46］）Fig.5.（a）Radargram with a length of 20 km，showing the bedrock，internal layers，echo free zones and freeze-on icepackage，beneath the Dome A region；（b）Illustration of the internal layers，freeze-on icepackage，bedrock and ice velocity from the radargram，where the thickness of the accretion ice package is 1 100 m，the internal layers are disturbed upward 400 m along the profile，and towards the direction of the outflow ice，the internal layers are disrupted and close to the topography of the bedrock.（Redrawed from the Ref.［46］）

冰盖雷达剖面内反映的冰盖内部与底部回波信号，也被用来调查冰岩界面的状态，测试底部是否出现液态水环境。其前提是从底部回波信号中提取有关冰岩界面的信息，并给出一个有关信号在冰体中衰减的估计。底部环境可通过FFT（快速傅里叶变换）分析雷达图像显示的底部粗糙度来刻画。来自东南极的雷达数据得到的粗糙度实例可用来提供前第四纪冰盖冰下环境的演化历史内细节，其中冰下侵蚀主要在内陆流速慢的区域，其冰下地形保留了冰川作用前的较粗糙状态。冰下沉积是冰下地貌在冰川作用后的产物，主要发生在冰流下游的一些较光滑的区域。通过对穿越西南极Institute到Möller冰流雷达断面与穿越Siple Coast海岸冰流的底部冰下粗糙度进行的计算及比较结果表明，冰下粗糙度的空间变化是系统性的，反映了冰下侵蚀和沉积过程［47］。来自西南极的2个例子表明粗糙度可以用来评估是否存在冰下沉积物、沉积物的范围以及冰川动力学状态和历史上冰盖的尺度［48］。

5 讨论与展望

经过近30年的研究，对冰盖内部等时层已在更大的时间与空间尺度上进行了量化分析，扩张了对南极冰盖的理解与认识。内部等时层研究在南极冰盖的演化、冰盖动力学方面的应用显示未来对内部等时层的更深刻理解与科学运用需要多学科的合作与交叉。需要冰川学家、地球物理学家、遥感技术工程师、数学家和地球系统科学家等共同致力于对内部等时层的物理与化学本质，以及在冰盖动力学演化历史中的角色进行进一步的辩论与解析。需要更细致的野外考察，更大范围、精度与分辨率更高的观测数据。需要引入更广泛的分析技术与理论针对多尺度的内部等时层分布进行研究。同样地，在数值模拟方面，对内部等时层的研究依赖于目前已经获得的对内部等时层的观测与理论事实。需要在抽象的物理条件下进行新的计算及结果分析与提炼。需要结合更多尺度的现场数据记录、遥感和地球物理技术。未来研究内部等时层的潜在途径及其可能面临的挑战，涉及如下几点。

（1）冰雷达技术和冰盖数值模式的发展给我们提供了前所未有在更大时空尺度上对内部等时层演化进行研究的机遇。这可能使我们对冰盖内部等时层蕴含的冰盖内部动力学过程、南极冰盖潜在不稳定性等机理有更明确的解析，进而加深对冰盖演化的预测及其对未来海平面变化贡献的了解。内部等时层包含了反演古冰盖历史与过程以及预测其未来变化的关键证据，然而对埋藏在冰盖表面以下的包含古冰流信息的内部等时层仍然缺乏系统的观测。冰雷达技术的发展使得我们有机会获得高分辨率的冰下环境要素（如冰岩界面、冰下地形、底部冻结状态等）。因此发展更精细描述并测试内部等时层结构时空变化的数值模拟技术框架尤为紧迫。通过发展冰盖模拟（如高阶的有限元或者差分格式的三维冰盖模式）可能有助于揭示现代冰盖的底部过程，验证有关冰盖起源及其演化和底部沉积与滑动过程的假设，同时能避开目前仍无法观测到南极冰盖大部分地区的冰下环境这一困境。

（2）冰下环境要素数据的获取，及其覆盖范围的扩展为获得整体性的冰盖内部结构图像提供了可能。从而将会为内部等时层的研究，特别是三维情形下的模拟研究提供数据支持。此类数据收集需要花更多时间进行极地野外考察，并要求卫星遥感技术、冰雷达技术和冰芯钻探取样等能进行集成观测。小尺度的冰川或冰盖特殊区域（如冰穹或者冰脊、快速冰流区）可以提供内部等时层的地球物理成像，例如对Dome A、Dome C和Ridge B的冰雷达测量。此类冰盖“典型”区域可视为用于测试冰雷达设备和技术，检验适用于空间尺度更大和时间尺度更长的有关内部等时层的猜测、理论和物理定律。结合数值模拟，可获得冰盖内部动力学的基本原则，并通过对在所有尺度上的分析，提供大陆冰盖尺度的冰内动力学过程研究框架。综上可知，为便于得到冰内冰体形变与演化的更多数量化信息，获得更高分辨率的内部等时层图像，应强化冰盖冰下环境的重复观测。

（3）虽然在利用内部等时层推测冰盖的形态演变，并反推以目前南极冰盖作为初始条件的冰盖质量变化方面在稳步推进，但缺乏显著进展。原因在于，一方面，尽管已获得了南极冰盖大部分地区的冰下地形数据（Bedmap 2）［49］，但是大范围的冰内等时层数据仍显稀疏。另一方面，在刻画冰盖底部的性质与演化过程方面，数值模拟技术的发展未有实质突破。反演冰盖物质平衡的一条主要途径是研究内部等时层标示的古冰盖内部及其底部动力过程，特别是古冰流的动力学。这需要地球物理观测方式与冰盖数值模拟技术的结合运用。但是如何从内部等时层蕴含的信息推断鉴别以目前南极冰盖作为初始条件的冰盖质量变化，对此，目前知之甚少，而这是评估冰盖不稳定性及其对海平面变化的重要前提。

致谢英国布里斯托尔大学（University of Bristol）的Martin John Siegert教授提供了1970年代南极冰盖Vostok站附近机载雷达断面胶片。浙江大学王帮兵副教授提供了中山站-Dome A断面的相关双频雷达数据比较图，在此深表谢意。

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