航空地球物理勘探在南极调查中的应用

2022-02-26李筱佟晶张婉姚国涛张玄杰

物探与化探 2022年1期

李筱，佟晶，张婉，姚国涛，张玄杰

(1.中国自然资源航空物探遥感中心，北京 100083； 2.自然资源部航空地球物理与遥感地质重点实验室,北京 100083； 3.中国地质大学(北京) 海洋学院，北京 100083)

0 引言

南极具有极其丰富的矿产与油气资源，南极冰盖稳定性也影响着全球气候与水平面变化，开展南极地区地质调查工作具有重要的战略意义与科学价值。但是，覆盖率超过95%的南极冰盖给南极调查工作带来了巨大阻碍。航空地球物理勘探方法(简称航空物探)能够克服恶劣的自然环境，具有观测效率高、安全性高、成本低等特点，在南极地区具有其他方法不可比拟的优势，现已成为国际上开展南极区域调查的主要方法技术手段[1-2]。我国在极地的航空地球物理调查才刚刚起步，亟须加大对南极地质调查研究力度，以确保未来我国在极地开发中的话语权。随着我国南极科考后勤保障能力不断加强，开展大规模南极航空物探调查工作的条件日趋成熟，采用国内自主技术进行航空物探调查势必将提到日程上来。

本文以大量文献和资料调研为基础，回顾了南极航空物探调查的发展历史，跟踪调研了航空物探调查装备与技术现状，归纳了各国应用航空物探方法在南极研究中取得的研究成果，为我国在南极地区开展航空物探工作提供借鉴。

1 南极航空物探发展现状

1.1 南极航空物探发展历程

航空物探的发展大致可划分为2个阶段，即独立调查阶段和联合调查阶段。

1.1.1 独立调查阶段

南极航空物探调查始于1956年，苏联率先使用固定翼飞机获取了Mimy科考站附近的航磁数据。1980年以后，美国、澳大利亚、德国、印度以及日本等国都陆续在东南极开展了航磁调查。1988年以后，随着GPS定位技术的突破，航空物探测量精度大幅度提高。

进入20世纪90年代，世界主要发达国家不约而同地加快了南极航空物探调查速度。在此时期。各国独立开展了大面积航磁调查，测量比例尺达1∶100万，而航空重力与航空冰雷达测量方法使用较少。仅1995～2001年间，以美国的SOAR测量计划为代表，各国共获取了近39万测线千米的航磁数据，局部测量比例尺达到1∶50万，覆盖南极大部分海岸地区。

1.1.2 联合调查阶段

步入21世纪后，各国开始通过政府层面的协商，签订合作计划，互帮互助，合作共享，开展极地航空科考工作，填补南极地区航空物探数据的空白。主要合作计划有AntGP(南极大地水准面计划)、AGAP(南极甘布采夫省计划)、ICECAP(南极中部板块冰冻圈演化调查研究计划)、IceBridge(两极冰川调查计划)、PolarGAP(极地冰盖调查计划)、ROSETTA-Ice(罗斯冰架调查计划)、RAE 61_Aero、WEGAS以及EAGLE计划等[3]。

1.2 极地航空飞行平台与测量仪器现状

1.2.1 测量飞行平台

由于南极气候环境复杂，航空物探调查工作多限于在南极夏季开展，每年仅有近两个月的时间适于勘测。在南极地区开展航空物探工作，需要在短时间内获取尽可能多的数据，并且深入南极大陆以覆盖更多地区，因此对飞行平台性能要求较高。南极航空物探飞行主要选用固定翼型飞机作为主要平台，直升机仅适用于近科考站地区，无人机仍不成熟。为了适应极地飞行环境并搭载多种航空测量仪器，飞行平台需具有冰雪起降、航程远、载重大以及能在-40℃下工作等性能特点。世界上已有多个国家拥有极地航空调查专用的固定翼飞机，具有代表性的主要有我国与澳大利亚使用的BT-67机型、英美两国使用的双水獭(Twin Otter)DHC-6机型、德国使用的多尼尔(Dornier)228系列机型以及俄罗斯(苏联)使用的IL-14机型，其中3种机型的性能参数对比见表1。

1.2.2 航空重力仪

随着卫星差分定位技术的发展，航空重力测量精度大幅度提高，具有比卫星重力数据更高的分辨率，能反映更细致的重力异常。各国使用不同的航空重力仪在极地进行了航空重力测量任务，目前在南极地区应用的航空重力测量系统主要有： Lacoste & Romberg S-83海空重力仪，均方根误差可达2.97 mGal； Sander Geophysics地球物理公司的AIRGrav航空重力仪，数据均方根误差可达1 mGal； Bell Aerospace 公司的BGM-3航空重力仪；俄罗斯研发的GT-2A航空重力仪，数据均方根误差可达 1 mGal。Studinger等[4]使用多个航空重力系统在南极同一地区进行了对比测试，结果表明GT-2A有较好的稳定性和分辨率。

表1 极地航空物探固定翼平台性能参数对比

1.2.3 航空磁力仪

适用于极地航空磁力测量的磁力计主要为Scintrex Cs-3等磁力仪，灵敏度可达0.6 pT。南极大陆冰层很厚，航磁观测面距离地表岩石较远，因此对磁力仪性能要求较高。不同于中、低纬度地区航磁测量，南极航磁测量在飞行过程中需要有效调整Scintrex Cs-3磁探头摆放的角度，以达到最佳测量效果。

1.2.4 航空电磁系统

航空电磁方法受限于冰层与电磁波能量的屏蔽作用，主要适用于无冰区与冰层较薄地区。在20世纪末，德国开展了南极航空电磁试验，测量了海上冰层厚度。目前已应用于南极测量的航空电磁系统主要有德国Alfred Wegener研究所(AWI)的直升机电磁(HEM-Bird)系统[5]，SkyTEM公司的SkyTEM504、SkyTEM312航空电磁测量系统[6-7]。SkyTEM312是SkyTEM公司的最新型航空电磁测量系统，发射面积约342 m2，具有短发射磁矩与长磁矩两种功能，最大探测深度可达600～700 m。

我国已掌握与目前南极航空物探调查水平相当的测量装备与技术，但在飞行平台改装技术方面仍有差距。极地的自然地理条件和气象环境是对航空重、磁飞行的最大考验，我国国产飞机目前还未作为飞行平台在极地开展过测量工作，参照国际执行极地任务的飞行平台，目前国产运12F机型具备与其相当的性能，可作为备选机型进行冰雪起降试验。我国已掌握GT-2A航空重力仪的测量技术手段，在国内已实现大规模的生产测量应用，但值得注意的是，目前国内使用的GT-2A航空重力仪和Scintrex公司的Cs-3铯光泵磁力仪只适用于纬度小于75°的地区，在极地应用时需要调整为极地模式。我国自主研发的HC-2000型He光泵磁力仪在极地地区可能更加适用，其在探头方向与磁感线夹角较小时信号最强，而国产航空重力仪已经在冰岛进行过测试飞行，取得了较好的效果。

1.3 极地现有航空重、磁数据情况

随着南极航空物探调查工作不断推进，数据共享成为各国合作的必然趋势，其中最具代表性的有ADMAP磁场数据库与AntGG重力数据库，这两套数据库分别汇总了南极现有航空、船以及卫星等多种手段采集的磁力与重力数据(图1)。

1.3.1 ADMAP磁场数据库

ADMAP计划始于1995年，在SCAR与IAGA两个组织的支持下，各国科学家通力合作汇编了南纬60°以南已有的航空、船测以及卫星测磁力数据。1995～2007年形成了第一阶段的磁力数据库，2008～2018年完成了第二阶段磁力数据库。截至目前，已经汇编整理了近350万测线千米的航磁与船磁数据，几乎覆盖整个南极(图1b)。汇编工作先将所有数据处理成网格数据，分别通过插值与滤波方法去除所有测线中的数据间隙、尖刺；在系统差分基础上进行统一调平，最终将航磁与船磁数据汇编为间距1.5 km的网格数据；最后，进行了波长大于7 km的低通滤波，得到ADMAP-2数据库[8]。目前，ADMAP计划正在谋划第三阶段工作(ADMAP-3)，计划汇编自2012～2019年美、德、英、俄、中等国采集的近546万测线千米数据。

1.3.2 AntGG重力场数据库

AntGG计划收集了南极重力数据[9]，以2007/2008国际极地年期间获得的航空重力数据为主，加入了IceBridge计划和德国在毛德皇后地获取的航空重力数据，形成了AntGG南极重力数据库。目前该数据库汇编了超过1 300万个数据点，覆盖面积达1 000万km2，近南极陆地覆盖率达到73%，南极海域覆盖率达到29%。

a—航空重力数据覆盖情况；b—ADMAP-2航磁数据覆盖情况a—free-air gravity anomalies in Antarctica;b—ADMAP-2 compilation of total field magnetic anomalies图1 南极地球物理数据覆盖情况[7-8]Fig.1 Field geophysical data covering over Antarctica[7-8]

目前,南极航空物探调查仍处于填补数据空白的阶段,其中西南极数据覆盖率最高，测量比例尺达到1∶50万。由于补给条件困难等原因，先期调查主要覆盖了科考站附近与南极大陆海岸带,南极极点周边、伊丽莎白公主地、南极横断山等地区仍存在大量航空物探数据空白，将是未来南极航空重、磁测量的主要目标区域。近年来，航空重、磁测量逐步从小比例尺、低精度发展为大比例尺、高精度测量。各国针对具体调查目标也开始在重点调查区域部署高精度、大比例尺航空重、磁测量，这也是未来南极航空物探调查的主要方面。

2 极地航空物探应用现状

南极处在超大陆地质演化的核心区域，包含着古大陆重建的重要线索，然而，恶劣的自然环境与覆盖率达到99%以上的冰雪层，为南极地质调查与研究带来了巨大困难，阻碍了南极地质演化的认识。21世纪以来，西方发达国家通过开展南极航空物探调查取得了一系列成果，主要体现在南极地壳结构、古大陆重建与恢复、岩浆与火山活动以及南极地质与冰层相互作用等前沿科学问题的研究上。

2.1 南极地壳结构研究问题

地壳是大陆岩石圈的重要组成部分，地壳厚度、结晶基底界面以及深大断裂系统等是表征地壳岩石圈结构构造主要参数，横跨海陆的航空重、磁数据反映了地壳结构与深部构造，是我们认识南极大陆区域构造演化历史的重要媒介。

南极半岛长期以来被认为是古太平洋与冈瓦纳大陆的俯冲带。通过西南极航空重、磁调查，发现了一个近1 500 km长的弧形航磁异常带，被命名为PMA，可能为多个弧形异常叠加而来。据航磁资料推测，南极半岛可能是一个岛弧复合块体[10-11]，由2个岩浆弧拼合而成，其间保存着近1 500 km长的缝合线。PMA两侧的块体航空重、磁场特征存在差异明显，表明两侧地壳成分明显不同，分别为古太平洋和冈瓦纳大陆块体；沿俯冲带的航空重、磁场横向存在差异，揭示了俯冲带不同部位存在着差异性拼合。Jordan T A等通过位于该俯冲带中部Adelaide岛的大比例尺航空重、磁数据，反演得到了Adelaide中生代岛弧的三维结构[12]，结合地表露头测年证据，认为该岛弧在古近纪停止俯冲；俯冲带北部Anvers岛的航磁异常特征表明，一些微小块体在俯冲过程中消亡[13]。

航空重、磁数据可以作为确定地体边界与划定地体展布的依据。南极大陆作为冈瓦纳大陆的主体，保存了众多组成冈瓦纳大陆的地体，这些地体之间的接触缝合线位置仍不清楚。最新的航空重、磁异常特征为划定其间各地体边界提供了依据。前人对毛德皇后地东部的TOAST地体进行了大量研究，通过地质年代学和地球化学分析确认了该地体是拉伸纪(1 000～850 Ma)形成的海洋弧形地体[14]，认为其与劳亚古陆重新聚合、冈瓦纳大陆形成有关，但其平面展布范围仍未被完整揭示。德国AWI研究中心Ruppe等基于最新的航空重、磁数据，进一步厘定了TOAST的平面展布范围(图2)[15]，认为其大小与南极半岛相当。TOAST地体的航磁特征表现为多个弧形条带状航磁异常，具有NW—SE向延伸趋势，表明其可能由两个或多个的弧形地体拼合组成。目前受限于数据空白，其南部边界仍不清楚。

a—TOAST地体的航磁异常；b—TOAST地体范围a—aeromagnetic anomaly over TOAST;b—the range of TOAST图2 TOAST地体的航磁异常与平面范围[15]Fig.2 Aeromagnetic anomaly and geological structure character of TOAST[15]

基于航空重力数据，可以反演得到地壳厚度模型，反映南极各地区的岩石圈厚度变化，为划分基底构造单元提供依据。Jordan T A等基于Wilkes盆地的航空重、磁数据，进行了地壳厚度反演[16]，结果表明该盆地南北地壳厚度差近15 km，认为后期伸展作用对盆地北侧产生了重要影响。Davis等使用重、磁、震联合反演方法描述了南极东部海域Enderby盆地地壳形态[17]。在盆地东、中、西3段分别选取典型剖面反演(图 3)，结果显示盆地由东向西地壳厚度逐渐减小，火山岩的发育也逐渐减弱，推断东冈瓦纳大陆裂解过程中，地壳形变和海底扩张程度沿裂谷走向存在差异。

图3 Enderby盆地东部重、磁震联合反演剖面[17]Fig.3 Aeromagnetic and gravity fitting inversion profile in the eastern Enderby basin and its crustal structure interpretation[17]

2.2 古大陆重建与恢复

南极大陆是冈瓦纳古陆的核心[18]，也是现今唯一与所有南半球大陆(南美洲、非洲、马达加斯加岛、印度、澳大利亚以及新西兰)有共同边界的古陆[19]，因此，确定超大陆裂解与拼合过程中断裂的对应关系、恢复板块间的相对位置关系是南极地质演化研究中的关键科学问题。大量研究成果表明，将航空重、磁数据与地质年代学、地球化学和古地磁数据结合起来，可以作为重建冈瓦纳、罗迪尼亚和哥伦比亚超大陆的重要依据[20]。

东南极的毛德皇后地(Dronning Maud Land)记录了东南极Grunehogna克拉通与非洲Kaapvaal克拉通之间的相对古位置信息。以往重建东南极与非洲相对古位置都是基于两大陆之间的扩张洋中脊的磁异常条带数据，而最新的航磁数据覆盖了两侧陆域，为重建东南极与非洲古位置提供了进一步约束。Riedel等[21]以Leinweber和Jokat[22]发表的东南极与非洲古大陆重建模型为基础，使用G-Plates软件将东南极与非洲板块进行旋转拼合，恢复后的两个板块上典型磁异常特征走向、位置以及大小都表现出较好的一致性。拼合后，两个大陆的深部断裂构造也可以很好地对应起来，进一步说明航磁数据可以应用于古大陆重建。

Aitken等[23]基于ICECAP项目采集的航空重、磁数据，恢复了南极Wilkes地与澳大利亚近南极侧的相对古位置。依据Williams等[24]建立的Leeuwin古大陆模型，Aitken等将两个大陆的航磁异常与剩余均衡重力异常拼合起来，重建冈瓦纳大陆裂解前的重、磁异常图，形成古冈瓦纳大陆拼合模型(图4)。拼合后模型显示两个大陆保存了许多相似结构，两个大陆上有磁性的花岗岩有着相似的重、磁场特征，其间的重要缝合带可以很好地连接起来。基于拼合后模型的重、磁异常对比结果，修正了前人的南极与南澳大利亚古大陆重建模型。

2.3 南极火山与岩浆作用

火山与岩浆活动伴随着板块俯冲、拼合及大陆裂解过程，广泛分布于广袤的南极大陆。火山与岩浆活动记录了板块运动过程，也影响着冰架下热流分布，因而揭示南极冰架下的南极火山与侵入岩体展布等特征一直是南极研究的热点科学问题。航空物探调查为研究南极大陆冰下岩浆与火山作用提供了重要信息。

a—航磁总场异常；b—均衡剩余重力异常a—total magnetic intensity anomaly data；b—isostatic residual gravity anomaly data图4 基于 Leeuwin模型恢复[24]的160 Ma冈瓦纳大陆南极Wilkes地与澳大利亚近南极侧古大陆对比重建图[23]Fig.4 Reconstruction of Gondwana fit at 160 Ma[23]based on the Leeuwin model[24]

Vries等[25]使用形态分析方法研究了航空冰雷达测得的冰层厚度数据，在已知火山口的位置约束下结合航空重、磁数据，建立了西南极火山口的航空重、磁识别标志，并据此推测出西南极存在138座冰下火山[25]，其中91座为新发现火山口。其研究结果表明，火山口在冰雷达数据剖面中表现为直径不超过5 km的锥形，同时具有环状磁异常特征，识别出的火山口多沿西南极裂谷带展布，分布密度达到约每18 500 km2分布1座火山。此外，基于航空重、磁数据还可以建立火山内部结构模型。南极半岛北部詹姆斯—罗斯岛哈丁顿火山是一座复式火山，自中新世至今持续喷发，但受到冰层覆盖，对于该火山的演化过程认识较少。Jordan T A等[26]基于航空重力数据，建立了该火山的三维结构模型。认为该火山对应布格重力正异常，可能由一个埋藏较浅的低密度体引起，推测为火山灰充填了火山口，需要进一步验证；Ghidella[27]通过该区域的航磁资料，分析得到了该火山喷发碱性火山岩的分布范围，反演得到多个向下延伸约3 km的近垂直高磁化率异常体，认为该火山存在多个喷发中心与岩浆通道。

在冈瓦纳大陆裂解过程中，南极大陆爆发了大规模的岩浆活动，形成了Karoo-Ferrar大火成岩省。为了探明与Karoo-Ferrar大火成岩省相关的侵入岩体展布，英国南极调查局开展了多次航空物探调查。Jordan T A等[28]依据航空重、磁数据，在东南极Coats地区发现了一个航空布格重力异常大于50 mGal，航磁异常大于1 000 nT的长80 km、宽30 km的异常体。通过重、磁联合反演，推测该异常可能为高密度、高磁化率的辉长岩体，认为其形成于冈瓦纳大陆裂解过程中，与下地幔岩浆活动有关。

2.4 南极地质与冰盖之间的相互作用研究

2.4.1 南极冰下地形与地貌研究

长期的遥感观测发现，海水对于冰架的侵蚀是引起冰架减少的重要原因。接地线是指海水与冰架相互作用发生的位置，接地线变化表明冰架物质增加或者减少，是冰川变化与海平面变化的重要指示器。南极海岸带地形条件复杂，很难对接地线进行直接观测，通过卫星遥感或其他间接方法也很难获得准确的海岸带地形数据。高精度航空重力测量为南极海岸带地形测量提供了有效解决方案。

针对两极海洋与冰架强烈交互地区，美欧国家有针对性地开展了航空物探调查Operation IceBridge计划，测量两极消融较快冰架区域的冰下地形。美国加州大学Romain Millan等[29]基于航空重力异常数据，首次在Crosson和Dotson冰架下发现了向内陆延伸的冰下峡谷(图5)，南大洋温暖海水沿冰下峡谷内流侵蚀冰架，加速了冰川溶解。Operation IceBrige计划获得的地形数据还发现，不同地形条件对冰架稳定性的影响不同。Thwaites冰下地形外高内低，导致海水易向内陆流动，使得冰川快速溶解；而在南极半岛，Constantino等[30]基于南极半岛航空重力数据反演得到的冰下地形结果表明，南极半岛存在沿岸山脊阻挡了海水内流，因而南极半岛冰架更加稳定。

a—南极沿岸冰架接地线示意;b—阿蒙德森海沿岸航空重力异常;c—航空重力数据观测曲线与反演拟合计算曲线;d—基于航空重力数据反演得到的Dotson冰架冰下E-E'剖面地形(粉色为MBES测量数据，黑色为重力反演结果曲线)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图5 基于航空重力数据反演得到的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 南极地热通量计算

南极地热通量是南极岩石圈的重要动力学边界条件，影响南极冰盖温度和岩石圈流变性质。但南极地热通量无法直接观测，仅可以通过低分辨率的卫星磁测数据、地震数据以及靠近各国科考站的零星钻井数据进行间接计算。

Martos等[31]基于ADMAP磁场数据库，反演得到南极居里面深度，依据热力学模型估算南极全区地表地热通量分布(图6)。该结果将原有地热通量分布图精度提高了近50%。研究结果表明，全南极地热通量值大致为42～180 mW/m2,平均值为68 mW/m2，与全球大陆地热通量平均值基本相当。高地热通量值异常主要位于西南极裂谷与南极半岛附近，最大值近170 mW/m2；东南极的地热通量值整体较低，由沿岸向中心逐渐变小。

2020年，Johnson A B等[32]联合多个科学家发布了南极地热通量研究白皮书，系统介绍了目前的南极地热通量研究方法，指出了各类方法的优缺点。

图6 南极地热通量分布[33](底图为南极冰下地形)Fig.6 Geothermal heat flux distribution at the ice-rock [33](interface superimposed on subglacial topography)

不同的岩石圈与地幔的结构模型和岩石物理性质，得到的南极地热通量结果有很大差异，因此需要更多钻井与地质露头以及地幔包体等提供的地热通量值约束，并综合多源数据建立更加精确的南极壳幔结构模型。

2.4.3 航空电磁方法揭示海冰厚度与地下水分布

目前应用航空电磁方法在南极开展的调查工作还相对较少，主要以试验性测试为主。Pfaffling等[33]2003年使用德国AWI研究所研制的直升机频率域电磁系统进行了海上浮冰厚度测量，最大可探测厚度达3 m，测量结果与海冰直流电阻率原位测量方法得到的结果基本一致[34]。在美国国家自然科学基金会资助下，Mikucki J A等实施了ANTAEM计划，先后于2011年与2018年在南极罗斯海沿岸Taylor峡谷进行了两次航空电磁试验性测量，旨在调查南极冻土层厚度与地下水分布。两次测量均使用了SKYTEM公司仪器，获得的航空电磁数据反演结果很好地显示了地下电阻率结构[6,35]。以钻井资料为约束的反演结果表明，该区冻土层厚约300～400 m，具有较高电阻率。同时，调查发现测区范围内地下存在低阻层，认为是地下水和冰下湖以及地表水系相连的通道(图7)。该项调查为航空电磁法在极地开展类似工作提供了较好的示范。

图7 Taylor峡谷电阻率反演成果(a)与地下水流通解释模式(b)[6]Fig.7 Resistivity cross-section for the length of the Taylor Valley(a) and conceptual diagram depicting predicted hydrological connectivity(b)[6]