“我”在南极开“透视”

中科院物理所 · 公众号 · 物理 · 2025-01-02 12:14

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冰雪覆盖、人迹罕至的南极，一直是科学家探索地球演化、气候变化和自然资源的神秘大陆。

在中国第40次南极科学考察期间，考察队在东南极拉斯曼丘陵首次开展了冰下基岩无人机电磁探测工作。这次探测工作不仅标志着我国在南极地质调查领域取得新的突破，也为南极地质调查和地学研究提供了有力支撑。那么，什么是无人机电磁探测技术？它的探测原理又是什么呢？

无人机电磁探测设备（图源《知识就是力量》杂志）

“透视”冰盖之下的

地质结构

南极拥有特殊的地理位置和极端的低温环境，这片大地上的许多奥秘仍未被揭开，其中一项就是冰盖之下的地质结构——冰盖下面多深有岩石？岩石类型有哪些？构造有何特征？又蕴藏着哪些自然资源？这些问题吸引着一代又一代地球科学领域的科学家前往南极，探索冰下奥秘。

在地球科学研究，尤其是极地探测领域，科学家为了揭示南极洲冰盖之下的神秘地貌与构造特征，已经开展了诸多研究，采用许多先进的非侵入式技术，无需直接钻取岩芯样品即可获取宝贵信息。这不仅大大降低作业成本与环境影响，还能为全面解析南极地质状况提供强有力的支撑。

现阶段最新的一项技术则是无人机电磁探测技术。

无人机电磁探测现场（图源《知识就是力量》杂志）

无人机＋电磁探测技术：

相互配合的“最佳拍档”

电磁探测技术： 给冰下岩石做“CT”

地球在漫长的地质构造演化中，形成的不同介质的物理性质往往千差万别，其中最明显、最容易被探测的就是介质的电磁特性，特别是电阻率（用来表示各种物质电阻特性的物理量）参数。有些介质，如冰、花岗岩、片麻岩等电阻率大，高达105Ω·m（欧姆·米，电阻率单位）或更高，而有些介质，如海水、金属矿物、饱水岩石等则电阻率小，低至10 ^-3 Ω·m或更低。电磁探测技术正是利用这些介质的电磁学差异，实现地下结构的“透视”。

冰盖表面发射电磁信号（图源《知识就是力量杂志》）

“CT”检查怎么做？

通常情况下，电磁探测设备包括发射器和接收器两部分。发射器负责向地下发射电磁波，当电磁波遇到目标物体时，会发生反射、散射、吸收等相互作用。这些相互作用会导致电磁波的传播路径、强度、频率等参数发生变化，接收器则负责接收反射回来的信号。

分析这些经过相互作用的信号，并通过信号处理和分析技术，提取出目标物体的相关信息，科学家就可以获得冰下岩石的三维电阻率图像，进而推断出冰下岩石的结构和特征。打个比方，电磁探测就像给地球做一次CT检查，而电阻率图像也是类似于CT检查后获得的图像，科学家可以利用这些图像知晓地下信息，从而“对症下药”。

值得一提的是，与常温环境不同，南极基岩上往往覆盖着一层厚厚的冰盖，而冰盖上又有一层疏松的雪。冰盖和雪层的存在会造成电磁波的大幅度衰减，这不仅使得电磁波穿透冰层的深度受到限制，还会影响探测信号的质量和准确性。因此，传统的电磁探测方法，可能无法有效地在这些区域获取精确的数据。为了克服这些问题，科学家通常采用更先进的技术，如低频电磁波或高功率信号，来增强探测信号的穿透能力。

此外，其他多种地球物理探测手段（如卫星遥感、地面雷达以及井中探测等技术）相互佐证，也能有效提升数据的准确性。现如今，航空电磁探测技术在南极的最大探测深度可达600～700米，在一些冰盖薄或裸露的基岩处，已经能够获得关于地质构造的有效信息。

无人机配合： 绿色、高效考察的好帮手

南极地表地形复杂，气候恶劣，很多区域科学考察难度极大。科学家又是如何在南极应用电磁探测技术的呢？

为减少人力物力的投入、保障安全，科学家首先想到的便是无人机。

无人机，即无人驾驶飞行器，具有灵活、高效、低成本等优点。每年夏天是南极考察作业的最佳窗口期，无人机有机会克服极端气候和地形条件，快速覆盖大范围的冰盖区域。

“飞”测数据

通过预先设定的飞行路线，无人机能在冰面上空进行稳定飞行，搭载的各种电磁传感器和设备则负责收集数据。通过无人机与电磁探测装备的有效组合，科学家不仅能够大幅度降低科研人员在南极进行人工操作的风险，还能显著缩短数据采集的时间成本。同时，无人机的使用还减少了对环境的干扰，对南极环境来说是零污染，与现代科学考察的绿色、可持续发展要求相当契合。

无人机和电磁探测技术的创新组合，使得科学家能更好地获取南极冰盖下面的地质特征、沉积物分布、矿产类型以及潜在水体等信息。这些信息对于理解地球的演化过程、特定地质事件（如冰期和间冰期的相互作用）以及板块构造活动提供了新颖的方案。

此外，无人机电磁探测技术还可以对南极冰盖进行长期的监测，例如监测冰流的速度、冰川的稳定性及其对气候变化的响应，从而为预测未来的冰盖变化和海平面上升提供重要的数据支持。无人机电磁探测技术也可以保障科学考察更加安全、便捷和高效，有力推动南极地质和气候变化研究向纵深发展。