《Scientific Reports》：Debris variability and velocity estimation using Electrical Resistivity Tomography and DInSAR techniques of Durung Drung glacier, northwestern Himalaya
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本研究综合电阻率层析成像（Electrical Resistivity Tomography, ERT）、合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar, SAR）与差分全球定位系统（Differential Global Positionin
本研究综合电阻率层析成像（Electrical Resistivity Tomography, ERT）、合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar, SAR）与差分全球定位系统（Differential Global Positioning System, DGPS）测量，以表征印度西北喜马拉雅杜荣德龙冰川的冰川动力学、地下介质条件及冰碛体稳定性。达到约45 m深度的ERT剖面解析出清晰的三层地下结构：由低电阻率、富水饱和的表层；含不连续地下冰透镜体的冻结沉积物中间层；以及高电阻率结晶基岩单元构成。侧碛与终碛中均未发现大规模连续冰体，同时存在孤立冻结体，表明早期核冰冰碛复合体已发生融释。由核冰冰碛向无冰但部分冻结冰碛物质的转变，指示其具有显著热敏感性、更强的地下水文连通性，以及在持续气候变暖条件下冰碛结构更易发生内部弱化。基于Sentinel-1 A/B差分干涉合成孔径雷达（DInSAR）、SAR偏移跟踪和COSI-Corr特征跟踪反演的表面冰流速度范围为120–138 m a?1，揭示了消融区冰川运动的空间差异。补充性的DGPS调查记录到冰舌前缘持续后退，2018–2019年为14.93?±?0.5 m，2019–2020年为16.62?±?0.5 m，2020–2022年为21.43?±?0.5 m，证实了前缘快速退缩。前缘退缩同时驱动冰碛堰塞湖扩张，因为更大的融水排放与减弱的冰体支撑使湖泊得以在逐渐弱化的终碛体前持续扩展。地下碎屑特征、冰流动力学与水文通道的综合识别，为评估高山喜马拉雅环境中的冰碛稳定性及冰川灾害提供了有力框架。
该论文发表于《Scientific Reports》。研究聚焦于印度西北喜马拉雅赞斯卡盆地的杜荣德龙冰川（Durung Drung Glacier），旨在揭示冰川侧碛与终碛的内部结构、冻结状态、地下水文连通性以及冰川表面运动和前缘退缩特征。研究背景在于，近十余年来喜马拉雅冰川在气候变暖背景下持续退缩，与冰川湖溃决洪水（Glacial Lake Outburst Floods, GLOFs，指冰川湖坝体失稳引发的突发洪水）相关的风险显著增加，同时未来区域水资源供给格局也受到深刻影响。然而，喜马拉雅地区高海拔、地形崎岖且交通不便，导致原位观测数据长期匮乏，限制了对冰川质量平衡、厚度变化、流速变化及冰碛坝稳定性的深入认识。尤其对冰碛体内部是否保存核冰、冻土或富水沉积层等关键问题，传统钻孔与岩芯方法不仅成本高、实施难，而且对原位环境具有扰动性，因此亟需发展非侵入式、可与遥感联合应用的综合研究方案。
在这一背景下，研究人员围绕杜荣德龙冰川的表层—地下耦合过程开展研究，重点分析冰碛物质变异性、冻结沉积物分布、地表冰流运动及冰舌退缩过程，并进一步讨论这些变化对冰碛坝稳定性和冰川湖扩张的意义。研究结果表明，该冰川侧碛与终碛内部普遍不存在大规模连续核冰，而主要表现为富水表层碎屑、部分冻结沉积物以及深部高阻结晶基岩所构成的分层体系。这意味着冰碛体已经经历了由“核冰型”向“无冰但部分冻结型”的结构转变，显示出在持续增温条件下较高的热敏感性和内部弱化风险。与此同时，多源遥感速度反演结果显示冰川仍处于动力活跃状态，表面流速约为120–138 m a
?1；DGPS进一步证实2018至2022年间冰舌前缘持续快速退缩，累积后退52.98?±?0.5 m。该退缩过程伴随冰川前缘冰碛堰塞湖持续扩展，表明冰体支撑减弱、融水增加及终碛结构削弱共同推动了潜在冰川灾害风险的上升。论文的重要意义在于，将地球物理探测与SAR/光学遥感及实地高精度定位观测有效结合，为认识高山冰川冰碛系统内部结构、识别融冻敏感带及评估冰碛堰塞湖稳定性提供了综合技术路径。
研究人员主要采用了三类关键技术方法。其一，在杜荣德龙冰川侧碛与终碛布设电阻率层析成像（ERT）剖面，使用Dipole–Dipole、Wenner和Wenner–Schlumberger三种阵列进行二维反演，以识别地下电阻率结构及冻结/非冻结介质分布。其二，利用Sentinel-1 A/B SAR数据开展差分干涉（DInSAR）和SAR偏移跟踪，以估算冰川表面速度；同时结合Landsat 8影像通过COSI-Corr亚像素相关方法提取表面位移。其三，结合1976、1980、1990、2000、2010、2015、2020和2022年多期Landsat影像分析面积与前缘变化，并以2018–2022年间的Leica DGPS野外测量对冰舌退缩进行验证。研究区样本来源为印度大喜马拉雅山脉赞斯卡盆地杜荣德龙冰川及其侧碛、终碛与冰川前缘区域。
在结果部分，论文首先讨论了ERT剖面及其解释。
ERT profiles and interpretation
研究人员在侧碛和终碛上分别开展多种阵列的ERT测量，不同阵列结果尽管分辨率与误差有所差异，但整体揭示出一致的地下结构格局。侧碛Dipole–Dipole阵列剖面显示，浅部为相对低电阻率层，代表未固结、富水饱和的碎屑沉积物；中深部出现中—高电阻率区，可能对应压实沉积物、部分冻结沉积物或基岩。Wenner与Wenner–Schlumberger阵列在侧碛中得到相近结果，进一步支持该区地下介质具有明显非均质性，但不同剖面间又表现出一定横向连续性。终碛的三类阵列结果同样显示浅部低阻、中部中等阻值及深部高阻结构，其中低阻层反映富水冰碛物，高阻区则指示更致密沉积体或基岩。研究人员强调，仅凭电阻率值无法唯一确定具体岩性，但综合多个阵列可确认侧碛和终碛均具有复杂、非均一的内部结构。
进一步综合所有ERT结果后，研究人员提出杜荣德龙冰川冰碛体内部存在具有地貌和热状态意义的三层结构：表层低阻层代表活跃融水入渗下的富水未固结沉积物；中间层为含不连续地下冰透镜体的冻结沉积物；深部高阻层则为结晶基岩或高固结基底。关键结论在于，侧碛和终碛中未发现连续大规模冰核，仅见局部冻结体和孤立冻层，这说明早期埋藏冰或冰核冰碛已大幅融释。研究人员据此认为，该区冰碛体正处于由核冰型冰碛向无冰但部分冻结冰碛体过渡的演化阶段。终碛中较深的冻结透镜体与侧碛中位于中部层位的冻结沉积物之间的差异，还提示沉积厚度、保温效应和沉积后冷却过程存在空间分异。此外，重复出现的低阻通道反映可能的地下水优先运移路径，这些路径与内部融冻过程、渗流和冰碛稳定性直接相关。总体上，ERT结果表明研究区已处于较高级别退冰阶段，冰碛体表现出不连续冻土（discontinuous permafrost）式特征，并正在向水文和力学上更敏感的状态转化。
Surface ice velocity estimation
在冰川表面运动方面，研究人员采用DInSAR、SAR偏移跟踪和光学影像特征跟踪三种技术开展速度反演。DInSAR处理结果显示，2018年1月主影像与从影像之间具有较高相干性，主冰体及中央流线区域相干系数超过0.8，表明6 d时间基线适合于该冰川冬季形变监测。视线向（Line of Sight, LOS）速度范围为+0.12 m d
?1至?0.33 m d
?1，转换后得到冰川表面速度范围为0.19–120.3 m a
?1，最大值位于消融区，约为0.32 m d
?1。沿冰川纵向剖面，自冰舌向积累区速度总体先增大，在8,000–12,000 m区间沿中央流线升至约100 m a
?1，随后因地形和冰体动力条件波动；横向剖面则显示速度在1,000–2,000 m位置达到约95 m a
?1后逐渐降低。研究人员指出，速度变化与坡度、冰厚以及底部条件密切相关。
SAR偏移跟踪结果显示，冰川表面速度范围为0.0009–139 m a
?1，最大值同样出现在消融区中央流线位置。基于Landsat 8并利用COSI-Corr进行的光学特征跟踪结果显示，2017–2018年冰川表面最大速度为138 m a
?1，消融区速度高于积累区，近冰舌区域运动最慢。三种方法得到的绝对值存在轻微差异，但空间格局高度一致：即中央主干和消融区速度较高，上部积累区及冰舌附近较低。研究人员认为，这种一致性增强了多源联合反演结果的可靠性。文中同时指出，DInSAR主要利用冬季数据以保持高相干性，因此更适于提取稳定条件下的位移信号；而偏移跟踪与光学相关方法使用消融期数据，更能反映较大位移量。冰川中部较高速度可能与主干区较大冰厚、较陡坡度、支流汇入及暖季融水底滑增强等因素有关，但论文对这些解释保持在原文已有论述范围内。
Area changes
在冰川尺度变化方面，多时相Landsat影像显示，1976至2020年间杜荣德龙冰川面积减少8.16 km
2，相当于总面积缩减10.73%；同期前缘累计退缩约812.36 m。研究人员指出，2010至2015年为退缩最显著阶段，前缘后退325.39 m，而2015至2020年退缩相对较小，为65 m。结合区域背景，论文将这种变化与增温趋势及冬季降雪减少联系起来，同时强调地貌因素会调节冰川响应。DGPS实测结果对遥感判读提供了地面验证：2018–2019年冰舌后退14.93?±?0.5 m，2019–2020年后退16.62?±?0.5 m，2020–2022年后退21.43?±?0.5 m，显示近年退缩速率进一步增加。研究人员据此确认，杜荣德龙冰川前缘正在持续快速衰退。
关于碎屑覆盖及冰川前缘湖泊变化，论文指出杜荣德龙冰川属于相对清洁冰川，但仍存在一定比例的表碛覆盖。既有资料表明，2013年前后约5.28%的冰川面积被碎屑覆盖，后续研究中亦提及碎屑面积约占总面积5.5%。研究人员指出，薄层碎屑可增强消融，而较厚碎屑则会抑制表面消融，因此碎屑厚度及空间分布会显著影响冰川末端行为。杜荣德龙冰川前缘的冰碛堰塞湖在1990年代初开始形成，最初仅为小型池塘，至2000–2009年数量和规模均增加，2011–2013年间多个水体逐渐并合为较大的湖泊，并稳定发育于冰舌北端。随着冰舌退缩和冰支撑减弱，湖泊继续扩展，湖水对冰前缘的热作用和冰崩解作用可能进一步促进终碛前冰体消融与前缘退缩。结合ERT识别出的终碛内部弱化与渗流通道，研究人员认为冰碛堰塞湖扩张与终碛稳定性降低之间存在紧密联系。
Limitations of the study
论文同时明确指出研究局限性。首先，ERT剖面覆盖范围有限，且缺乏钻孔或地温等直接地面验证数据，因此对冻结沉积物与富冰碎屑体的区分仍存在一定不确定性。其次，SAR反演得到的冰流速度仅代表特定时间窗口，难以完整表征季节尺度或多年尺度变化。再次，冰碛稳定性主要依据地下结构与水文条件进行间接判断，尚未建立定量数值模型。研究人员据此建议，后续工作可开展三维与时移地球物理观测、长期速度监测、原位热状态观测以及冰碛稳定性和湖泊演化数值模拟，以强化对冰川灾害的评估。
讨论部分表明，本研究的核心贡献在于证实杜荣德龙冰川冰碛系统正在经历明显的退冰后重组。电阻率结构揭示的“富水表层—部分冻结中层—高阻基底”格局，说明冰碛体已不再由连续核冰支撑，而是演化为在热状态和水文连通性上都更敏感的复合体。这样的结构不仅意味着内部黏聚力下降，也意味着地下渗流和局部融冻更容易诱发冰碛弱化。与此同时，表面速度结果证明冰川主体仍保持较活跃运动，而前缘持续退缩和湖泊扩张则显示冰川系统正处于动态调整期。地球物理与遥感的联合应用，使研究人员得以从地表运动、地下结构和前缘演化三个层面综合认识冰川—冰碛—湖泊系统的耦合机制。对于赞斯卡喜马拉雅乃至更广泛高山地区而言，这种综合认识有助于识别潜在的冰碛失稳带、融冻敏感区和冰川湖风险源。
研究结论部分可译为：本研究表明，将电阻率层析成像（ERT）、差分全球定位系统（DGPS）与基于SAR的速度场联合应用，可为解析杜荣德龙冰川及其冰缘环境中地表—地下耦合动力学提供稳健且互补的研究框架。ERT成像获得的电阻率地层结构揭示，冰碛体正系统性地由既往核冰型结构转变为热敏感、以碎屑为主且含不连续地下冰体的沉积体系。这一转变反映出埋藏冰持续融释及浅层冻土的形成，进而导致冰碛材料水文渗透性增强、内部黏聚力降低，并成为持续气候变暖背景下控制冰碛稳定性的关键因素。基于Sentinel-1 A/B DInSAR、SAR偏移跟踪和COSI-Corr得到的地表运动学参数为120–138 m a
?1，证实该冰川在地表质量平衡扰动下仍具有较强动力活动性；而2018至2022年间累计52.98?±?0.5 m的冰舌退缩则表明其前缘持续衰退并伴随显著下切减薄。持续退缩与融水输入增加共同促使冰碛堰塞湖迅速扩张，其机制与冰体支撑消失和终碛逐步弱化密切一致，也与赞斯卡喜马拉雅区域普遍趋势相符。尽管综合地球物理与遥感方法提供了较稳健的认识，但地下解释仍受限于ERT空间覆盖不足及缺乏直接地面验证，且SAR速度结果仅反映离散时间窗口，未必能够完整捕捉季节性和长期变化。尽管如此，本研究显著提升了对冰碛内部结构的认识，识别了易融冻区和结构薄弱带，并刻画了侧碛与终碛复合体内持续演化的水文通道，这对于评估冰碛堰塞湖系统稳定性及冰川溃决相关灾害潜势具有关键意义。
