在“北极-42”漂流站对剪切冰脊的形态学特征及内部结构进行了研究

《Polar Science》：Morphometric characteristic and internal structure of shear ice ridge investigated at "North Pole ? 42" drifting station

　　

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  本文介绍了对第一年形成的剪切冰脊的详细研究结果。
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  文中探讨了剪切冰脊的识别特征。
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  剪切冰脊的主要形态参数与压力冰脊的参数相差不大。
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  与形成于第一年冰上的冰脊相比，后者中CL厚度与周围冰层厚度的比值在1.68—1.85之间，而形成于第二年冰上的冰脊这一比值更小，为1.1—1.5。

引言

压力冰脊是由于两块浮冰边缘在压缩作用下相互靠近而形成的，这两块浮冰通常被重新冻结的冰缝隔开。剪切冰脊则多出现在固定冰与流动冰之间的区域，它们可能因冰原的平行移动形成，也可能在最初形成后相对运动方向改变而因压缩作用形成（Davis和Wadhams，1995；Johnston和Barker，2000）。这类冰脊比压力冰脊更为罕见。理论上，剪切冰脊不太可能从未发生变形的冰中自发形成（Patil等人，2012）。虽然大多数冰脊的形成过程中既有剪切作用也有压力作用，但人们通常将所有这类冰脊统称为“压力冰脊”（Davis和Wadhams，1995）。剪切冰脊常见于流速存在较大水平梯度的区域，在这些区域中，移动的浮冰之间会发生强烈的侧向动量交换。在剪切作用下，会形成由细小碎冰构成的长而直的冰脊（Doronin和Kheisin，1975；Johnston和Barker，2000）。细短的风帆状冰块也可能属于剪切冰脊的典型特征（Croasdale等人，1999），而且剪切冰脊往往伴随着高度的压实和粉碎现象（Johnston和Barker，2000）。这类冰脊由高度压实的颗粒状冰块组成，这些冰块呈长条状排列，通常有一条垂直于初始断裂面的边（Gladwell，1976）。此外，剪切冰脊也是破碎冰块的集合体，其宽度相对有限（不同于可以延伸很远的漂浮冰堆）。剪切冰脊通常更为线性，不像压力冰脊那样呈蛇形，且其壁面极为陡峭（Timco，2008）。以往对剪切冰脊的研究主要关注其宏观结构，比如表面地形、总厚度以及冰块大小的分布情况。然而，这些研究并未揭示冰脊形成的特殊规律及其内部结构。与普通冰层相比，关于压实层微观结构的了解仍然十分有限。Sudom和Timco（2013）指出，目前尚缺乏关于压实层强度、冰脊底部碎屑的孔隙率以及该碎屑压实速度等方面的信息。

本研究通过电热钻探技术，于2025年4月至6月在“北极-42”漂流站对第一年形成的剪切冰脊的形态特征及内部结构进行了调查，并给出了冰脊横截面上的孔隙率分布数据。本文的重点之一是冰脊的压实层——它是由单个冰块冻结而成，通常位于水面之下。一般来说，压实层会将多个独立的冰脊元素整合为一个整体，从而对海上设施构成最大的潜在威胁。针对冰脊对船体及海上结构物影响的研究表明，主要的破坏力来自压实层本身对障碍物的作用（Sudom和Timco，2013）。

章节摘录

考察地点与冰况

2024年9月，俄罗斯水文气象委员会与北极南极研究所共同在北冰洋建立了“北极-42”漂流站。该站由一台可抵御冰雪的自行推进平台“北极”号组成，它被固定在残留冰层中，旁边还设有一个冰上营地。研究所需的各类基础设施也都布置在该平台附近。此处的冰层密度为10/10点，由冻结的

几何形态

由于冰盖的连续性经常受到干扰（如裂缝和冰缝的出现），往往无法直接到达冰脊，因此这项研究耗费了相当长的时间。第一个钻孔是在冰脊的最高点进行的。随后在冰脊上以1米的间隔逐个钻孔，先朝一个方向钻，再返回时也按相同方式钻孔，同时还会间隔0.5米进行钻孔。最终为所有钻孔绘制出了间隔0.5米的钻孔剖面图。其中最主要的

几何形态

该剪切冰脊的最大高度（3.14米）与平均冰块厚度（0.35米）的比值约为9。根据Strub-Klein和Sudom（2012）的研究中的“高度与冰块厚度比值”曲线，可以很有把握地认为，所研究的冰脊的高度已达到其可能达到的最大值。不过，这一规律或许并不适用于剪切冰脊。根据作者的经验，“最大冰脊底部厚度与最大高度”的平均值是

结论

本次研究的主要发现总结如下：

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  剪切冰脊的主要形态参数与压力冰脊的参数相差不大。
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  冰脊底部碎屑的异常分布位置可作为识别剪切冰脊的间接依据之一。
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  在剖面图中，代表冰脊底部未压实部分孔隙率分布的曲线存在三个极端值，这种特征在压力冰脊上也能观察到。
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  平均值

未标注参考文献

Kharitonov和Borodkin，2020年。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

作者感谢“北极-42”探险队的成员Daniel Yuskayev、Roman Sabelkin和Dmitry Rayev在野外工作方面给予的全力协助。本研究得到了俄罗斯科学基金会的支持，项目编号为25-27-00389。

Victor Kharitonov