西南極地區冰蓋大部分位于海平面以下，容易受到海水侵入而變得不穩定；在過(guò)去的間冰期，西南極冰蓋曾完全融化導致全球海平面比現在高出3米左右。對西南極地區冰蓋構造特征的準確認識有助于分析該地區冰蓋的穩定性及其對氣候和海平面變化產(chǎn)生的影響。地球物理探測方法是人類(lèi)認識冰蓋內部結構以及下伏沉積構造的重要方法，其中地震探測尤其是主動(dòng)源地震方法為精細刻畫(huà)深層冰蓋及基巖速度結構以及存在的地震不連續界面提供了技術(shù)支持。
中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所深層油氣理論與智能勘探開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗室張振東特聘研究員聯(lián)合美國麻省理工學(xué)院、德克薩斯大學(xué)、中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）以及南方科技大學(xué)的科研人員使用自主研發(fā)的地震全波場(chǎng)成像技術(shù)，分析了2018-2019年采集于西南極地區的主動(dòng)源地震數據（圖1），反演得到了冰蓋150米以淺的縱、橫波速度（圖2）。通過(guò)計算得到的橫波速度等效各向異性和縱、橫波速度比推測出了冰蓋淺層沉積特征。通過(guò)反射波地震成像得到了冰蓋內部地震不連續界面和冰-巖界面（圖3），分析了其可能的成因。結合該團隊前期對采集于該地區的背景噪聲數據分析以及前人已有的研究工作，該研究給出了側線(xiàn)下方冰蓋內部和部分基巖的構造特征（圖4），分析了冰蓋內部分層的可能成因。
圖1 西南極地區主動(dòng)源和被動(dòng)源地震數據采集現場(chǎng)
圖2 反演得到的1D縱、橫波速度及泊松比
圖3 冰蓋內部構造及冰-巖界面反射地震成像
該項研究使用漏能、本征振型聯(lián)合反演方法，增強了對冰蓋淺層縱波速度反演的約束，通過(guò)分析縱橫波速度比隨深度變化，推測出冰蓋淺層孔隙度變化情況。即隨著(zhù)深度的增加，由于重力作用淺層浮雪會(huì )逐漸壓實(shí)并在70米深處達到孔隙閉合極限，之后隨著(zhù)深度的增加，孔隙度會(huì )有所上升并恢復至標準冰的水準。該壓實(shí)深度與冰架的穩定性存在聯(lián)系，可進(jìn)一步用于估計冰架失穩的可能性。使用冰面接收的冰蓋內部不連續界面反射縱、橫波地震數據，研究團隊對冰蓋內部界面以及冰-巖界面進(jìn)行了成像，成像結果表明冰-巖界面起伏較為劇烈、沉積層內具有非均質(zhì)性。通過(guò)進(jìn)一步分析縱、橫波反射特征，推測出冰蓋內部的流體替換可能會(huì )引起較強的PP反射和較弱的PS反射。由于流體的替換，不同冰層間的摩擦力會(huì )發(fā)生改變，進(jìn)一步導致冰層間相對滑動(dòng)速度的變化以及冰晶體對稱(chēng)軸的定向排列。該項研究結果為因冰晶體對稱(chēng)軸的定向排列變化導致的地震各向異性提供了一種成因解釋?zhuān)M(jìn)一步增進(jìn)了對冰蓋動(dòng)力學(xué)過(guò)程的認識。
圖4 根據地震成像結果及已有研究推測出的冰蓋和基巖構造
研究成果發(fā)表于EPSL（張振東，Nori Nakata，Marianne Karplus，Galen Kaip，秦蕾，李正波，史才旺，陳曉非.Seismic full-wavefield imaging of the West Antarctic Ice Sheet interior near the ice flow divide[J]. Earth and Planetary Science Letters,?2024,?636: 118701. DOI: 10.1016/j.epsl.2024.118701.）
