李德仁院士：測繪遙感向地球深部進軍

近年來, 測繪遙感技術在地球科學領域的應用不斷突破傳統邊界, 從地表觀測向深地探測邁進。近期發表于Nature Geoscience的論文“Weak asthenosphere beneath the Eurasian interior inferred from Aral Sea desiccation”體現了這一領域的最新突破。該研究通過合成孔徑雷達干涉測量(InSAR)技術, 捕捉中亞咸海(Aral Sea)因人為與自然因素干涸引發的長期地表形變, 首次定量揭示了歐亞大陸內部軟流圈在10年尺度上的低黏度特征, 為理解板塊內部流變學結構提供了新證據。這一成果不僅拓展了測繪遙感技術的應用場景, 更凸顯了高分對地觀測系統在地球深部動力學研究中的關鍵作用。

地震波信號顯示地球具有地殼、地幔和地核分層結構。通過低地震波速特征人們還發現在上地幔存在著一個由較軟巖石構成的軟流圈(asthenosphere)。軟流圈的存在將地球外圈與內圈區別開。板塊構造學說認為“剛性”的板塊“漂浮”于上地幔軟流圈之上進行水平運動, 導致了大洋擴張、大陸裂解和碰撞造山閉合, 并在板塊邊界產生地震、火山活動等。因此, 巖石圈-軟流圈邊界的深度及流變性質是控制板塊運動、地幔對流和地震周期的重要參數。當地殼存在較大應力擾動時, 地表形變可以直接約束上地幔流變。傳統研究主要通過大地震震后變形或者冰川均衡調整(glacial isostatic adjustment, GIA)推斷得到板塊邊界和高緯度地區的軟流圈黏滯系數, 但對大陸內部軟流圈當前黏度的認知始終缺乏地表形變的約束。

中亞咸海曾經是世界第四大湖. 由于人類活動和氣候變化的影響, 從1960~2018年, 咸海的總體積減少超過1000?km3, 導致了超過1萬億噸的地表質量虧損。這么大的負載變化足以激發上地幔的響應, 但是因為其產生的地表形變幅度低、分布廣, 如何有效測量是其中的關鍵。北京大學地球與空間科學學院王騰等人聯合南方科技大學和美國南加州大學學者提出“短-長基線干涉組合”方法(短基線抑噪、長基線提取信號), 克服了InSAR大氣延遲誤差和時空失相干問題, 觀測到咸海及其周邊區域約60萬平方公里范圍內的地表形變。他們發現, 雖然咸海已經基本干涸, 但是咸海周圍地表正在以每年最大7mm的速度緩慢上升。在此基礎上, 通過黏彈性數值模擬發現歐亞大陸內部軟流圈的黏度為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值, 比冰川均衡調整研究中推斷的高緯構造穩定區的黏度小1~2個量級。

咸海的案例啟示我們：人類活動不僅是地表環境的改造者, 也可能成為深地過程的“隱形推手”. 咸海干涸這類人為環境干預可通過地表質量重新分布, 激活深部地幔的黏彈性響應, 進而影響區域地形演化。這一發現將“人類世”(anthropocene)的地質影響從地表擴展至巖石圈-軟流圈系統, 不僅豐富了我們對歐亞大陸內部深部結構的認識, 還為理解地球內部物質循環和動力學過程提供了新的視角。

在深地研究中, 地表熱流觀測、地震波傳播特征、重力與電磁場數據反演、實驗室流變模擬、高溫高壓實驗以及數值建模等多種手段對大陸內部軟流圈黏度結構提出了不同層次的認識與模型, 將軟流圈從“概念層”轉化為可量化的動力學單元。近年來, 測繪與遙感技術的融合不斷加深, 形成了影像大地測量這一新的技術前沿, 并不斷突破傳統測繪遙感的應用邊界邁向深地研究。在咸海的研究中, 研究團隊處理了6軌長條帶雷達遙感數據獲得了5年累積形變。而光學衛星三線陣立體成像技術和InSAR聯合提供了不同時間咸海的湖底地形; 20世紀70年代開始的長時序光學衛星數據記錄了咸海1960~2020年水域邊界變化; 重力衛星觀測分離了地下水流失的貢獻。這一成果的取得充分彰顯了多源遙感對地觀測與地球物理模型協同創新在深地科學研究中的巨大潛力。

咸海和一系列利用影像大地測量方法對下地殼和上地幔流變性

質的研究成果標志著遙感技術從“看地表”到“探深地”, 從“靜態測繪”到“動態過程”的發展態勢, 響應了“向地球深部進軍”這一國家戰略號召。當前, 我國在深地領域不斷加強原創性、引領性科技攻關, 各個學科之間的交叉越來越深入。相信隨著我國對地觀測衛星數據的積累以及新技術的發展, 我們將更加深入了解地球深部的結構、組成、過程和狀態。我呼吁應充分認識到測繪遙感技術與深地科學交叉研究的重要性, 加強多學科的協同合作, 不斷探索和創新, 以期在深地科學研究領域取得更多的突破和成果, 為人類更好地認識地球、利用地球資源、保護地球環境作出更大的貢獻。正如我所強調的, 未來遙感應突破“數據獲取”的局限, 向“知識發現”邁進。

引用本文

李德仁. 測繪遙感向地球深部進軍. 科學通報, 2025, 70: 3800–3802CitationLi 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

文章部分內容來源 中國測繪學會

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