近年來, 測(cè)繪遙感技術(shù)在地球科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用不斷突破傳統(tǒng)邊界, 從地表觀測(cè)向深地探測(cè)邁進(jìn)。近期發(fā)表于Nature Geoscience的論文“Weak asthenosphere beneath the Eurasian interior inferred from Aral Sea desiccation”體現(xiàn)了這一領(lǐng)域的最新突破。該研究通過合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(InSAR)技術(shù), 捕捉中亞咸海(Aral Sea)因人為與自然因素干涸引發(fā)的長(zhǎng)期地表形變, 首次定量揭示了歐亞大陸內(nèi)部軟流圈在10年尺度上的低黏度特征, 為理解板塊內(nèi)部流變學(xué)結(jié)構(gòu)提供了新證據(jù)。這一成果不僅拓展了測(cè)繪遙感技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景, 更凸顯了高分對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)在地球深部動(dòng)力學(xué)研究中的關(guān)鍵作用。

地震波信號(hào)顯示地球具有地殼、地幔和地核分層結(jié)構(gòu)。通過低地震波速特征人們還發(fā)現(xiàn)在上地幔存在著一個(gè)由較軟巖石構(gòu)成的軟流圈(asthenosphere)。軟流圈的存在將地球外圈與內(nèi)圈區(qū)別開。板塊構(gòu)造學(xué)說認(rèn)為“剛性”的板塊“漂浮”于上地幔軟流圈之上進(jìn)行水平運(yùn)動(dòng), 導(dǎo)致了大洋擴(kuò)張、大陸裂解和碰撞造山閉合, 并在板塊邊界產(chǎn)生地震、火山活動(dòng)等。因此, 巖石圈-軟流圈邊界的深度及流變性質(zhì)是控制板塊運(yùn)動(dòng)、地幔對(duì)流和地震周期的重要參數(shù)。當(dāng)?shù)貧ご嬖谳^大應(yīng)力擾動(dòng)時(shí), 地表形變可以直接約束上地幔流變。傳統(tǒng)研究主要通過大地震震后變形或者冰川均衡調(diào)整(glacial isostatic adjustment, GIA)推斷得到板塊邊界和高緯度地區(qū)的軟流圈黏滯系數(shù), 但對(duì)大陸內(nèi)部軟流圈當(dāng)前黏度的認(rèn)知始終缺乏地表形變的約束。

中亞咸海曾經(jīng)是世界第四大湖. 由于人類活動(dòng)和氣候變化的影響, 從1960~2018年, 咸海的總體積減少超過1000?km3, 導(dǎo)致了超過1萬億噸的地表質(zhì)量虧損。這么大的負(fù)載變化足以激發(fā)上地幔的響應(yīng), 但是因?yàn)槠洚a(chǎn)生的地表形變幅度低、分布廣, 如何有效測(cè)量是其中的關(guān)鍵。北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院王騰等人聯(lián)合南方科技大學(xué)和美國(guó)南加州大學(xué)學(xué)者提出“短-長(zhǎng)基線干涉組合”方法(短基線抑噪、長(zhǎng)基線提取信號(hào)), 克服了InSAR大氣延遲誤差和時(shí)空失相干問題, 觀測(cè)到咸海及其周邊區(qū)域約60萬平方公里范圍內(nèi)的地表形變。他們發(fā)現(xiàn), 雖然咸海已經(jīng)基本干涸, 但是咸海周圍地表正在以每年最大7mm的速度緩慢上升。在此基礎(chǔ)上, 通過黏彈性數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)歐亞大陸內(nèi)部軟流圈的黏度為4×1019~7×1019Pas, 其黏度略大于俯沖帶地幔楔處的黏度, 略小于海洋軟流圈的估計(jì)值, 比冰川均衡調(diào)整研究中推斷的高緯構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)的黏度小1~2個(gè)量級(jí)。

咸海的案例啟示我們：人類活動(dòng)不僅是地表環(huán)境的改造者, 也可能成為深地過程的“隱形推手”. 咸海干涸這類人為環(huán)境干預(yù)可通過地表質(zhì)量重新分布, 激活深部地幔的黏彈性響應(yīng), 進(jìn)而影響區(qū)域地形演化。這一發(fā)現(xiàn)將“人類世”(anthropocene)的地質(zhì)影響從地表擴(kuò)展至巖石圈-軟流圈系統(tǒng), 不僅豐富了我們對(duì)歐亞大陸內(nèi)部深部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí), 還為理解地球內(nèi)部物質(zhì)循環(huán)和動(dòng)力學(xué)過程提供了新的視角。

在深地研究中, 地表熱流觀測(cè)、地震波傳播特征、重力與電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)反演、實(shí)驗(yàn)室流變模擬、高溫高壓實(shí)驗(yàn)以及數(shù)值建模等多種手段對(duì)大陸內(nèi)部軟流圈黏度結(jié)構(gòu)提出了不同層次的認(rèn)識(shí)與模型, 將軟流圈從“概念層”轉(zhuǎn)化為可量化的動(dòng)力學(xué)單元。近年來, 測(cè)繪與遙感技術(shù)的融合不斷加深, 形成了影像大地測(cè)量這一新的技術(shù)前沿, 并不斷突破傳統(tǒng)測(cè)繪遙感的應(yīng)用邊界邁向深地研究。在咸海的研究中, 研究團(tuán)隊(duì)處理了6軌長(zhǎng)條帶雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)獲得了5年累積形變。而光學(xué)衛(wèi)星三線陣立體成像技術(shù)和InSAR聯(lián)合提供了不同時(shí)間咸海的湖底地形; 20世紀(jì)70年代開始的長(zhǎng)時(shí)序光學(xué)衛(wèi)星數(shù)據(jù)記錄了咸海1960~2020年水域邊界變化; 重力衛(wèi)星觀測(cè)分離了地下水流失的貢獻(xiàn)。這一成果的取得充分彰顯了多源遙感對(duì)地觀測(cè)與地球物理模型協(xié)同創(chuàng)新在深地科學(xué)研究中的巨大潛力。

咸海和一系列利用影像大地測(cè)量方法對(duì)下地殼和上地幔流變性質(zhì)的研究成果標(biāo)志著遙感技術(shù)從“看地表”到“探深地”, 從“靜態(tài)測(cè)繪”到“動(dòng)態(tài)過程”的發(fā)展態(tài)勢(shì), 響應(yīng)了“向地球深部進(jìn)軍”這一國(guó)家戰(zhàn)略號(hào)召。當(dāng)前, 我國(guó)在深地領(lǐng)域不斷加強(qiáng)原創(chuàng)性、引領(lǐng)性科技攻關(guān), 各個(gè)學(xué)科之間的交叉越來越深入。相信隨著我國(guó)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的積累以及新技術(shù)的發(fā)展, 我們將更加深入了解地球深部的結(jié)構(gòu)、組成、過程和狀態(tài)。我呼吁應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到測(cè)繪遙感技術(shù)與深地科學(xué)交叉研究的重要性, 加強(qiáng)多學(xué)科的協(xié)同合作, 不斷探索和創(chuàng)新, 以期在深地科學(xué)研究領(lǐng)域取得更多的突破和成果, 為人類更好地認(rèn)識(shí)地球、利用地球資源、保護(hù)地球環(huán)境作出更大的貢獻(xiàn)。正如我所強(qiáng)調(diào)的, 未來遙感應(yīng)突破“數(shù)據(jù)獲取”的局限, 向“知識(shí)發(fā)現(xiàn)”邁進(jìn)。

引用本文

李德仁. 測(cè)繪遙感向地球深部進(jìn)軍. 科學(xué)通報(bào), 2025, 70: 3800–3802

Citation

Li D. Towards probing the deep Earth with surveying and remote sensing (in Chinese). Chin Sci Bull, 2025, 70: 3800–3802, doi: 10.1360/CSB-2025-0566