Лёд и Снег • 2014 • № 4 {128)
Подземные льды и наледи
УДК 550.31
Опыт применения георадара для изучения строения снежно-фирновой толщи и грунта
Восточной Антарктиды
© 2014 г. С.В. Попов1, Л. Эберляйн2
1Полярная морская геологоразведочная экспедиция, Санкт-Петербург;
2Институт планетарной геодезии Дрезденского технического университета, Германия
spopov67@yandex.ru
Investigation of snow-firn thickness and ground in the East Antarctica by means of geophysical radar
S.V. Popov1, L. Eberlein2
1Polar Marine Geological Survey Expedition, Sankt-Petersburg; 2Inatitute of Planetary Geodesy, Dresden Technical University, Germany
Статья принята к печати 11 февраля 2014 г.
Восточная Антарктида, георадарное профилирование, станция Восток, станция Прогресс.
East Antarctica, GPRprofiling, Progress Station, Vostok Station.
Рассматриваются результаты георадарных исследований, проведённых в Восточной Антарктиде в летний полевой сезон 58-й РАЭ (2012/13 гг.). Цель этих работ - изучение строения снежно-фирновой толщи и грунта районов подледникового озера Восток, трассы следования санно-гусеничного похода «Восток - Прогресс» и холмов Ларсеманн (станция Прогресс). Использовался промышленный георадар GSSI SIR10B (Geophysical Survey Systems, Inc., USA) с антенной «5106» и частотой зондирующих импульсов 200 МГц. Выяснены возможности метода георадиолокации для решения гляциологических и геологических задач. Разработаны методические рекомендации для научной и производственной работы с георадаром в условиях Восточной Антарктиды. Получены данные о строении снежно-фирновой толщи в районе станций Восток и Прогресс, на участках маршрутов в центральной и северной частях акватории озера Восток, а также по трассе следования санно-гусеничного похода «Восток - Прогресс». Кроме того, в районе станции Прогресс получены данные о строении грунта.
Results of field investigations of snow-and-firn thickness and ground structures performed with the use of geophysical radar GPR (Ground-Penetrating Radar) are discussed in the paper. The works were done during the austral summer season of 2012-2013 (58th Russian Antarctic Expedition) in the Eastern Antarctica and mainly concentrated in the vicinity of the Lake Vostok, between the Russian stations Vostok and Progress (the Larsemann Hills). Methodological recommendations on using the GPR under conditions of the Eastern Antarctica were developed.
Введение
В летний полевой сезон участниками 58-й Российской антарктической экспедиции (2012/13 гг.) проведено, насколько можно судить по отсутствию публикаций, новое для отечественных антарктических работ исследование — георадарное профилирование — радиолокационный метод изучения строения верхней (приповерхностной) части геологического разреза, сложенного снежно-фирновой толщей для ледников или грунтом. Работы вели с помощью приборов, излучающих короткие и высокочастотные импульсы, что позволяло получить гораздо большее разрешение по глубине, чем при использовании ледовых локаторов. С сожалением отметим, что новым этот метод считается лишь для отечественных исследований. На протяжении последних, по крайней мере, пятнадцати лет он активно применялся нашими зарубежными коллегами для решения гляциологических задач в Антарктиде, Арктике и на горных ледниках. Этот метод доказал свою эффективность, о
чём свидетельствует большое число публикаций, например [9-15, 17, 18]. Георадиолокация широко используется и в нашей стране, и за рубежом для изучения верхних частей геологических разрезов, а МГУ имени М.В. Ломоносова и СПбГУ (и не только они) готовят специалистов по этому профилю. Каждый год по данной тематике проводятся специализированные международные геофизические симпозиумы и конференции, и остаётся только сожалеть, что этот перспективный геофизический метод до сих пор не использовался в отечественных антарктических исследованиях.
Георадарные работы сезона 58-й РАЭ носили опытно-методический характер. Их основные цели - выяснение возможностей данного метода применительно к научным и производственным задачам в Антарктиде, а также получение опыта работы с новыми приборами в суровых климатических условиях внутренних районов континента. Исследования вели по двум направлениям: 1) изучение строения приповерхностной части
ледника; 2) исследование грунта. Ледник изучался в районе станций Восток и Прогресс, а также в санно-гусеничном походе «Восток — Прогресс». Строение грунта (верхняя часть геологического разреза) исследовалось на холмах Ларсеманн (район станции Прогресс и полевых баз Про-гресс-1 и Прогресс-3).
Работы вели промышленным моноимпульсным георадаром GSSI SIR10B (Geophysical Survey Systems, Inc.) производства США с антенной «5106» (частота зондирования 200 МГц), который любезно предоставили нам сотрудники Национального института геофизики и вулканологии Рима (Istituto Nazionale di Geofísica e Vulcanologia, INGV). Радиолокационные данные регистрировали с частотой 17,75 Гц. Отражённый сигнал квантовали на 16-тиразрядную плату АЦП (аналого-цифровые преобразователи). В работах, выполненных на холмах Ларсеманн, в ряде случаев использовалась аналогичная аппаратура, имеющаяся в распоряжении сотрудников РАЭ: георадар GSSI SIR-3000 с антенной «5103» (частота зондирования 400 МГц). Плановая привязка велась с использованием приёмоиндикатора Garmin GPS MAP 60. Регистрацию выполняли с частотой от 0,2 до 1 Гц с последующим приведением значений плановых координат для каждого пункта радиолокационного зондирования путём линейной интерполяции. Точность плановой привязки, согласно результатам стояночных наблюдений (наблюдений в течение длительного периода с целью получения представительного набора данных для последующей статистической обработки), а также специально выполненных работ на станции Прогресс, составила менее 2 м.
Для используемых георадаров регистрация возможна с различным периодом дискретизации. Программно устанавливаются два параметра: окно регистрации и количество дискретов оцифровки отражённого сигнала платой АЦП. Период дискретизации — это отношение первого параметра ко второму. Окно регистрации выбирается исходя из поставленных задач и определяется требуемой глубиной зондирования. Количество дискретов оцифровки может быть 512, 1024 или 2048. Регистрация ведётся в формате GSSI RADAN GPR Data (расширение файлов *.dzt) с последующим преобразованием в общепринятый формат SEG-Y для последующей обработки. Важнейший параметр — вертикальное разрешение георадара по глубине. От него зависит детальность выполняемых измерений. В случае снежно-фирновой толщи для гео-
радара с частотой 200 МГц оно составляет около 0,5 м, а с частотой 400 МГц — около 25 см.
Исследования в районе станции Восток
Методика работ. Работы выполняли преимущественно в первой половине января 2013 г. В это время дневная температура окружающего воздуха в районе исследований относительно высокая, т.е. практически не опускается ниже -35 °С. Данное обстоятельство крайне важно, поскольку методически работы были организованы так, что вся аппаратура находилась на открытом воздухе. Согласно техническому описанию, антенны и блок управления GSSI SIR10B ещё могли функционировать при такой температуре, однако жидкокристаллический монитор требовал дополнительного обогрева. Измерения проводились с использованием снегохода (рис. 1, а), за исключением отдельных маршрутов, пройденных с помощью ручного передвижения аппаратуры (см. рис. 1, б). Исходя из поставленных задач работы выполнялись и на геодезическом, и на гляциологическом полигонах, расположенных недалеко от станции Восток. Кроме того, 10 января 2013 г. проведены однодневные рекогносцировочные исследования, направленные на изучение строения волнообразных снежных гряд — мегадюн, расположенных приблизительно в 30 км от станции Восток (рис. 2, а). Одними из первых подобные структуры в Антарктиде обнаружили и описали наши итальянские коллеги [17].
Комплекс работ предусматривал: геодезические наблюдения; георадарное профилирование; установку гляциологических вех для измерений при последующих посещениях данного района. Геодезические наблюдения вели сотрудники Дрезденского технического университета (Technische Universität Dresden, Institut für Planetare Geodäsie) и ОАО «Аэрогеодезия». Они же выставляли и гляциологические вехи. Общая протяжённость маршрутов, при продолжительности работ около 9 часов, составила 83 км. Георадарное профилирование выполнялось на подъезде к участку работ и при возвращении на станцию Восток (см. рис. 2, а). В районе мегадюн проведена площадная съёмка. Это — три маршрута, ориентированные ортогонально мегадюнам и имеющие протяжённость 2 км каждый, и два маршрута той же протяжённости, пройденные параллельно этим структурам (см. рис. 2, а). Работы планировались с использованием данных RADARSAT [19]. Для работ в районе мегадюн выбрано окно регистра-
Рис. 1. Георадарные исследования:
а - в районе мегадюн; б - на станции Восток; в - в санно-гусеничном походе «Восток — Прогресс» Fig. 1. GPR investigations
а - scientific traverse to the megadune area; б - measurements at Vostok Station; в - measurements in «Vostok - Progress» logistic traverse
ции равное 265,20 нс и 1024 дискретов оцифровки отражённых сигналов. Таким образом, период дискретизации составил около 259 пс.
Скоростная модель среды. Основной вопрос обработки и последующей интерпретации данных георадарного профилирования состоит в выборе скоростной модели, позволяющей пересчитывать временнбй георадарный разрез в глубинный. К сожалению, при выполнении работ невозможно было провести специальные исследования, направленные на измерение скоростных характеристик снежной толщи, в частности наклонные зондирования. Поэтому авторы прибегли к эмпирическим оценкам. Имеющиеся модели, полученные для диэлектрической проницаемости сухого снега (что соответствует условиям центральных районов Антарктиды) в зависимости от его плотности р^, достаточно близки между собой [4]. Для расчётов использовано соотношение, полученное Г. Робином [20]:
е, = (1 + 0,848р,)2,
что соответствует
v, = c/
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.