[提要]无线电回波测深技术的发明和运用，开创了南极研究的新篇章。这里，一位极地探险家介绍了这项伟大工作的，经过以及由此得到的重大发现。读完这篇文章，你会感到：南极大陆——地球上这位高傲矜持的白衣少女，已经羞答答地在人类面前露出了动人的风姿……

南极大陆占地一千四百万平方公里，有二个澳大利亚或五十七个英国之大，在1773 ~ 1774年间Jams Cook船长第一个绕着它航行了一周'，到了19世纪那些年代，已有许多英国和俄国的捕海豹船和海员“发现了”这块大陆，而认真地对南极进行科学研究，是随着Otto Nordenskiold和Robet Scott发起南极探险才小心翼翼地开始。二次大战期间，关于如何穿越冰雪，准备充足的给养，提供可靠的无线电通讯这样一些关键问题得到了解决。这些进展与国际地球物理年（1957 ~ 1958）所取得的国际协作相结合，为现代南极研究建立了样板。今天，约有11个国家在南纬60°以南这块土地上，布置了整年整年的研究计划。为了和平起见，这些研究活动是在1961年批准、为期30年的《南极条约》制约下进行。

对于地球科学家说来，南极大陆乃是独一无二的天然实验室。茫茫南极，冰盖冰架连成一体，硕大无朋，深不及底，占去了全世界冰川总量的百分之九十九（相当地球淡水储量的90%）。研究它们的习性有助于我们了解今天以及过去冰川在塑造地球外貌当中所起的作用。气候和海平面的动荡会引起冰盖发生变化，这种变化受到动力作用和热动力作用的支配。因此，南极研究对于估计冰盖增长与退缩的方式和速率十分重要。由于人类和气候之间本来无意的冲突如今变为真有利害关系，所以，查明冰盖的稳定性确实已经日趋紧要。未来五十年间，大气圈中的二氧化碳将翻一番，它们产生的暖房效应将使世界转热，这种变化会否突变性地导致 ~ 部分举足轻重的南极冰川瓦解，造成海平面上升，洪冰泛滥呢？虽然电影剧本《CO₂》耸人听闻，几近超越科学范畴，但它确实精确地震现了南极冰川、气候、海洋和固体地球之间非常密切的联系。

南极大陆冰盖之下，横卧着一个只有用遥感技术方看得到的巨型陆块。这片岩石区对于地质学家和地球物理学家了解显生宙（从大约6亿年前到现在这一段时间）南极大陆地质演化的许多过程颇为重要。距今约1.4亿年前，南美，非洲，印度，澳大利亚，斯里兰卡，马尔加什以及新西兰一度围绕中央地块——南极大陆犬牙交错式地联结在一起，构成了冈瓦纳古超级大陆。冈瓦纳古陆复杂的解体史多数是根据南半球洋底的磁异常图案确定，各大陆的几何拼合是根据各大陆内部以及横切陆块边界的地质产状和岩石组合来推出。南极大陆——其裸露在冰盖之外，地质学家的锤子叩得着的基岩仅占全部岩石的百分之始终稳居中央，是冈瓦纳超级古陆中最高深莫测的地区。令人关切的问题是：南极大陆是由一个还是由几个岩石圈“板块”构成？如果是由一个以上板块构成，那么，在冈瓦纳解体期间，这些板块又是怎样相对运动的？

因而，对于冰川学家和地球物理学家说来，为了研究冰盖的厚度变化，解释冰盖下的陆地地质学，通常必须对冰盖作一番彻底的调查。

冰盖测深

50年代和60年代早期，各路科学家（主要是美国和苏联的科学家）碧坐着履带式车辆横越南极冰盖，进行地震勘探，以测定冰盖厚度和下伏地质构造（即石油工业中的spin－off技术）。这类工作进度缓慢，花几个月时间只能干完很小一片冰盖，甚至测定资料还可听任完全不着边际的解释。然而，南极冰盖一个粗略但却逗人的形象毕竟开始显了出来。为了跟冰川学家、气象学家以及地质学家与日俱增的好奇心相匹配，同时给日益复杂化的冰盖动力学计算机模型提供数据，显然要求改进探查方法，以对冰盖厚度进行快而准确、接连不断地测定。为之而起，使我们对大冰块的了解彻底改观的技术就是无线电回波测深（RES）。其许多原理与海洋（声学）回声测深中的类似。无线电回波测深系统用一个向下扫描的甚高频、脉冲调制雷达来探测冰盖。虽然美国科学家50年代就做了有关雷达测高计的种种实验，但直到60年代早期，冰川学家和无线电工程师会聚在一个共同的目标之下后，无线电回波测深方才成为现实。在剑桥大学Scott极地研究会（SPRI），Stan Evano博士和Gordon Robin博士发明了为此目的而建立起来的第一个空中系统。我们的无线电回波测深计划已由英国自然环境研究委员会提供资金。

南极大陆的长距离测深始于1967年。在那以前，美国国家科学基金会极地规划办公室的Albert Crary博士慷慨地提议，作为合作探险的分子，SPRI的设备应该让美国海军飞扒来执行空运。1967至1968年中的一段时间，用一架“超星座”（Super Constellation）飞机初次实验大获成功，这导致在美国至关重要的支持下，进一步用C－130型“大力神”飞机进行了前后五次空中测深。1971年起，无线电回波测深计划并入有六国参加的，多学科的《国际南极冰川计划》（IAGP）。70年代早期，在丹麦工艺大学Preben Gundmondsen教授的合作之下，造出了新型的雷达和天线，并于1974年把它们首次用于南极大陆。到1979年，无线电回波测深的野外工作结束时，我们已按50 ~ 100公里的测量网格探查了半个南极大陆（七百万平方公里），总航程约400，000公里。当时我们断定，对于这个计划的许多科研成果进行总结的一个行之有效的手段是，编纂一份既包括冰川方面又涉及地球物理的对开本地图册。除了地图外，每个冰盖还将配有表格，图解以及图示，以便用一段2000字的附文阐明要点。编纂工作在1980年开始，由于英国石油公司和Phillops石油公司的慷慨资助，今年秋天就可见到这本图册的上半集问世。David L. Fryer和所属的英国Henleyon－Thames公司承担了这份图册的设计和制图，Bob Hawkins负责监制。

冰盖的表面以及厚度

为了绘制最新式的南极冰盖轮廓图，除了覆盖南极大陆近50%的RES资料外，我们补充了六十年代用横穿雪原的测量线测定的表面高度数据，大地测量卫星的观测结果以及1975 ~ 1976年间向南漂移经过南极大陆上空的恒密度气球测到的5000个高度数据。以色列的电子工程师Noder Levanon博士处理了气球测到的资料，使这些资料可用于制图。表面高度数据则精确到误差小于50米。美国的“Seasat”号卫星在短暂的运行期间（1978）所进行的测高工作抵达到南纬76°，主要是威尔克斯地一带，精度为±2米。到八十年结束之际，当载有雷达和激光测高计的卫星（如欧洲空间组织的ERS－1卫星）射入高倾角的地极轨道时，将会出现进一步改进的高度数据。

现在所能勾勒出来的南极冰盖的表面，细节要比以往详细得多。冰盖表面高度图能够用来圈出冰川的排水盆地，确定冰川的精确流径，同时还是计算许多冰川参数（如驱使冰川克服底部摩擦，向外运动的力）的重要依据。表面地形和坡度对于气象学家了解冷空气如何侵蚀冰盖也很重要。南极冰盖的表面比较平缓，构成一个自海岸急剧隆起，在内部趋于平展的穹窿，形如“抛物体”。其高度在核部达到最大，但只超出海平面4000余米。南极西部的冰盖高度较小，这是由于冰川在底部溶化的缘故，这种溶化减少了对冰盖的抵抗作用，降低了摩擦力，使得冰川向外快速滑动。

令人惊奇的是，最厚的冰盖位于距海岸只约400公里的特雷厄德里，那里有一条巨大的冰下槽沟，充填了厚达4776米的冰层。更料想不到的是，一些最薄的冰盖出现在南极大陆的核部，那里有一条较大的冰下山链，隆起的最大高度3500米。南极大陆的最低点是西部的本特里，冰下槽谷低于海平面约2538米。

在南极，究竟有多少冰呢？这个经常提到的基本问题直到最近还难于作出准确的回答。早期的估算曾认为，南极冰盖的平均厚度为1750米，体积为24百万立方公里（总质量等于2.2×10⁹克）。我们最新的计算结果和对误差的仔细估计表明，以上数目估计过低。现在认为冰的平均厚度约为2160米，体积30.11百万立方公里（总质量等于2.7×10⁹克）。虽然，这个数字将进一步较正，但改变量不可能超过±2.5百万立方公里，这个误差极限我们认为是合理的。冰体的大部分（约26百万立方公里）集中在巨大的南极东部冰盖中。倘若这些冰全部融化，全球的海平面就会猛增大约55米。

冰下湖和反射层

无线电回波测深得到的一个比较奇怪的结果是在冰盖之下发现了实实在在的水体，称为“冰下湖”。这些冰下湖根据冰盖底部反射回来的持续不断且异常强大的回波测出，回波显示了明显的侧向连续性。冰下湖通常出现在巨厚冰层覆盖下的地面洼地中，那里可以指望底部的温度上升到压力熔点。现在已确定出好几十个宽度大于5公里的冰下湖，主要是在南极东部。最大的冰下湖位于苏联的Vostok观察站附近，约为8000平方公里（比两个美国特拉华州还要大）。推究这种冰下湖有否生物学意义是引人着迷的。虽然埋藏在具有40 MPascals正常压力的冰川之下，但湖水却可以舎有可观的溶解气体和其它一些溶解矿物，前者是被捕获的空气通过溶解从冰川中释出，后者来猄于被冰川作用碾碎了的岩石。

无线电回波测深工作揭示出来的另一个细节是：冰体内部存在着许多反射层。无线电回波深度记录图上定出这些反射层归因于冰盖上部500米中微小的密度变化产生的反射（例如，归因于降雪和温度的季节性变化）。在500米以下，冰体达到大约900千克/厘米3的恒定密度。反射是由酸性混杂物引起。这些物质源于火山活动，通过降雪而沉淀。可以利用这些反射层的数量，间隔，凸出部位，深度以及形变推断许多环境过程。例如，可以根据雷达反射波的强度估计冰的酸度。由于冰盖的深度等价于年龄大小（雪和冰构成地层学序列），所以，反射层反射强度的变化为我们提供了气候学资料，特别是有关历史上平流层酸度大小的资料，而酸度多少跟过去曾经延续达几百年的爆发性火山作用有关。

负着重荷的地壳

南极大陆壳中的岩石承受着总质量为2.7×10¹³吨冰盖的重荷。冰盖压低了南极大陆的真正表面，下沉量大致与冰和地幔的密度比（约1：3）成正比。然而，由于地球外壳的刚性或坚硬性，这种载荷的空间模式被弄得更为复杂。因为这种刚性要求，点载荷的传播按照这样一个数量：其呈指数律衰减，直到半径约350公里处变为零。利用计算机，我们已经能够根据新编地图上得到的冰层厚度数据，计算出冰盖引起的下沉量。地壳下沉量可以按三度空间图解表示，这是基于这样一个假设，即地壳普遍处于由区域重力异常所表明的均衡平衡之中。南极大陆东部的中央地带下降幅度最大（950米）。对这个受了歪曲而成为现今基岩地势的图案进行复原，可以做出一幅新的“调整过”的岩石表面地形图。这种“调整过”的表面将接近于冰川覆盖前的南极大陆轮廓（平均侵蚀作用相对较小），而且，它应该可以用来对冈瓦纳前古陆各毗邻陆块的陆地表面进行比较。

冰盖下的板块

南极大陆是一个还是多个构造板块呢？地球物理学家研究冰盖下的地壳以重新解决这个问题的有力工具是把空中无线电回波测深与地磁测量结合起来。冰盖厚度和地磁场的这种同时测量使得我们能够绘制出冰盖下的地形，定量地估计岩石的磁化强度以及算出距磁化了的源岩石（例如，构成垂直状岩脉或水平状岩床或者组成结蠤基底的火成岩侵入体）南深度。1977 ~ 1979年之间，在Johns Hopkins大学应用物理实验室和美国地质学会区域地球物理分会的配合下，我们在南极西部进行了这项工作，工作量约45，000公里。这项工作的目的是分出主要的构造单元，阐明古老稳定的南极东部地质？（或者是组成地质的“克拉通”）和年轻的南极西部地质活动带之间的关系。冰盖底部地形详情和距磁性基底的深度已经用地图和剖面图的形式绘出。据此可以定出南极大陆西部有四个彼此分离的小板块：埃尔斯尔斯板块，它已转离南极大陆东部科茨地附近的原先位置，在菲尔奇纳冰架之下的韦得安海内形成一个很深的盆地，如今充填有厚达10公里的沉积物；南极半岛板块，它已向着南美漂离而去；瑟斯顿和马里伯德地板块，它们漂离南极大陆东部，正在奔向南美，在晚中生代——早新生代（100 ~ 40百万年前）形成伯德冰下海盆地和罗斯海海湾。

在我们能够像过去几十年对全球海底那样来关注冰盖下的探索之前，还不可能作出完整的南极洲地质图。毫无疑问，答案必将取决于更为尖端的遥感技术和有深部钻探计划撑腰的地球物理计划。

[New Scientis，1982年7月22日]

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* 作者系剑桥大学Scott极地研究会会员。——原注