基于探地雷达的两个特征迥异高山湖的湖底地形、沉积架构及冰下埋藏地形（波兰塔特拉山脉）

《Geomorphology》：Bathymetry, sediment architecture and buried subglacial topography of two contrasting high-mountain lakes from ground-penetrating radar (Tatra Mts., Poland)

　　

• 冬季湖面冰层上的GPR探测揭示了高山湖泊的水深、沉积物填充和基岩构造 • 雷达相厚度最大值不重叠，可指导沉积物岩芯采样策略 • 埋藏的基岩起伏可区分冰川湖的成因 • 埋藏的N形水道和坑洞记录了压融水和基底滑动 • Tatra河流继承了冰川冰下冲蚀形成的排水路径

引言

高山湖泊是天然的沉积物储库，其中储存的物质既来自流域上游，也来自湖内生产。来自剥蚀过程（冰川和河流侵蚀、风化、质量运动）的矿物部分，通过重力、冰川、河流和风的路径输送（Gurnell and Clark, 1987; Hinderer, 2001; Owens and Slaymaker, 2004）。相比之下，有机质为外源或内源，其湖内生产——主要是底栖和浮游——取决于水温、冰盖持续时间、养分可用性和湖盆形态等因素（Seekell and Cael, 2023; Shampain et al., 2024）。由于其对气候变化高度敏感、人为影响有限且沉积往往连续，冰川高山湖泊保留了高分辨率的古环境和古气候记录（Battarbee et al., 2002; Cohen, 2003），以及在构造活跃区域的地震事件记录（Strasser et al., 2013; Kremer et al., 2017; Daxer et al., 2018; Bellwald et al., 2024）。因此，它们构成了更新世-全新世自然环境演化的宝贵档案，其空间和时间边界由现今湖底和埋藏的基岩所设定。

湖盆的水深控制着沉积过程，并可反映湖盆周边流域的形态动力学（Fabbri et al., 2021; Dhavamani et al., 2022a, Dhavamani et al., 2022b）。深度分布控制着沉积物从较浅区域向盆底最深处的再搬运（沉积物聚焦），沉积物在此优先积累，最完整的沉积序列往往在此保存（Hilton, 1985; Hilton et al., 1986; Blais and Kalff, 1995）。湖床起伏的异常则可能指示外源沉积物的供给方向和方式。多年高分辨率水深监测使得量化此类地貌的时间变化成为可能（Sauter et al., 2025）。

填充湖盆的沉积物架构——其三维排列、几何形态以及不同来源单元之间的相互关系（cf. Miall, 1985; Neal, 2004）——反映了湖内及其流域环境的持续、末次冰期晚期和全新世变化，以及叠加在其上的局部偶发事件（Daxer et al., 2020; Dakin et al., 2024）。在山地融冰区，这种架构揭示了一系列冰川、冰湖和生物-矿物沉积序列（Eyles et al., 2000; Dhavamani et al., 2022a, Dhavamani et al., 2022b）。沉积速率和方式不仅在时间上变化，也在空间上变化，导致盆内各沉积序列分布不均（Hilton et al., 1986）。高山湖泊特别清晰地记录了冰川退缩后的地形调节过程，在此期间，冰川退缩后失稳的斜坡输送大量碎屑物质（Church and Ryder, 1972; Ballantyne, 2002）。要正确进行古地理解释，需要了解各湖沉积物岩芯的空间背景——即沉积物架构（Bennett and Buck, 2016）。

湖盆下埋藏基岩的构造可作为冰下形态生成过程的重要指标（Preusser et al., 2010; Cook and Swift, 2012）。在不刻画这种地下起伏的情况下，确定高山湖泊成因的范围将受到限制（G?dek et al., 2015）。

在高山环境中——即树线以上的去冰川化地形（Troll, 1973）——研究湖盆填充物水深、厚度和结构的研究十分稀少。此类研究依赖地球物理方法：地震-声学探测（Eyles et al., 2000; Dhavamani et al., 2022a, Dhavamani et al., 2022b; Bellwald et al., 2024）或探地雷达（Moorman and Michel, 1997; G?dek et al., 2015; Vergnano et al., 2023）。但由于上覆沉积物的信号衰减和/或有限的穿透深度，基岩顶部的界定仍可能存在不确定性（G?dek et al., 2015; Dhavamani et al., 2022a, Dhavamani et al., 2022b）。

对Tatra湖泊沉积物的系统研究始于20世纪70年代（Kondracki, 1984）：描述了首批岩芯的岩石学和矿物成分，并进行了古生物学分析（花粉、硅藻和桡足类）及放射性碳定年（Marciniak and Cie?la, 1983; Krupiński, 1984; Skierski, 1984; Stasiak, 1984; Szeroczyńska, 1984; Wicik, 1984; Wi?ckowski, 1984）。在随后的几十年中，这些分析通过210Pb和137Cs对年轻沉积物进行定年得到了扩展（Kotarba et al., 2002; Appleby and Piliposian, 2006; Bitu?ík et al., 2009; G?siorowski and Sienkiewicz, 2010; G?siorowski et al., 2023），以及退化、湖相沉积速率和斜坡形态动力学影响的研究（Baumgart-Kotarba and Kotarba, 2001; Kotarba, 1996; Kotarba, 1992, Kotarba, 1997; Kapusta et al., 2010; Hre?ko et al., 2012）。还使用地震（Baumgart-Kotarba et al., 1996）和声学方法（Dhavamani et al., 2022a, Dhavamani et al., 2022b）——后者结合高分辨率水深——研究了湖盆填充物的厚度和内部结构。然而，至今尚未有研究呈现这些填充物空间变化的图像——即整个盆内沉积相之间的相互几何关系和排列——或其基岩的起伏。

本研究填补了这一空白。其目的是对两个形态对比鲜明、位置邻近的冰川湖（Zielony Staw G?sienicowy和Kurtkowiec，Dolina Suchej Wody谷）的水深、沉积填充物架构和埋藏基岩起伏进行综合表征，并在此基础上：(i) 将高分辨率水深与沉积物厚度分布相结合，为古环境研究的岩芯采样点选择提供科学依据；(ii) 评估沉积相的空间组织，作为湖泊及其流域演化的记录；(iii) 考虑埋藏基岩的起伏及其塑造过程，识别湖盆的成因。

分节摘要

研究区域

Zielony Staw G?sienicowy（ZS）和Kurtkowiec（Ku）位于波兰高Tatra山脉Dolina Suchej Wody谷的上部。其流域由花岗岩类岩石构成（Piotrowska et al., 2015），最高点在?winica峰（2302米），朝向西北（图1）。该区域在第四纪曾多次冰川化（Klimaszewski, 1988; K?apyta and Zasadni, 2018），末次冰期结束时的冰碛物保存完好（Baumgart-Kotarba and Kotarba, 2001; 遥感与制图数据集

为了将研究湖泊的岸线矢量化，并建立GPR结果的地形和地貌背景，我们使用了波兰大地测量和制图资源（PZGiK）的遥感数据以及档案制图资料。主要数据集包括：2023年9月6日获取的航拍照正射影像图（地面分辨率0.05米），以及基于1米分辨率LiDAR数据（获取于

湖盆形态和水深

Zielony Staw和Kurtkowiec的GPR水深模型见图2。模型推算深度与控制点实测深度之间的平均差异分别为0.32米和0.15米（表1）。

Zielony Staw位于海拔1673.3米，大致呈不对称椭圆形，面积37,760平方米，周长844米。在东部和北部，其平直岸线对应冰碛覆盖层的稳定斜坡。在西侧，

GPR性能与主要约束

高Tatra湖泊超贫营养水的低电导率（Stuchlík et al., 2006; Rzychoń and Worsztynowicz, 2008），加上冰盖消除了表面波扰动的影响（Schwamborn et al., 2002; Sambuelli et al., 2009; Bandini et al., 2023），使得GPR能够成像深度超过十米（100 MHz天线）和超过30米（50 MHz天线）的地下结构。湖底主要使用100 MHz天线成像，

结论

在稳定冰盖上进行的GPR调查结合GNSS定位，为波兰Tatra山脉两个高山湖泊的沉积物架构和埋藏基岩提供了首份详细图像，得出以下结论：

1. 所使用的GPR配置（50和100 MHz中心频率天线）能够表征水深超过十米的贫营养湖泊的水深、沉积物架构和埋藏基岩起伏。

2. 雷达相

CRediT作者贡献声明

Bogdan G?dek：原创撰写、可视化、验证、监督、项目管理、方法论、调查研究、形式化分析、数据管理、概念化。Mariusz Grabiec：审阅与编辑、可视化、验证、方法论、调查研究、形式化分析、数据管理。Stanis?aw K?dzia：审阅与编辑、调查研究。

生成式AI及AI辅助技术声明

在撰写本文过程中，作者使用了Claude（Anthropic）、DeepL和Grammarly来检查文本一致性、语法、翻译以及格式是否符合期刊要求。使用这些工具后，作者根据需要审阅和编辑了内容，并对发表文章的内容承担全部责任。

资助

本工作得到了西里西亚大学自然科学研究所（卡托维兹）和波兰科学院地理与空间组织研究所的支持。所有野外工作和案头工作均在两家机构的法定研究范围内完成。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争财务利益或个人关系，这些可能影响本文所述工作的客观性。

致谢

我们感谢匿名审稿人和编辑提出的建设性意见，这些意见有助于提高本文质量。我们也感谢Jacek Jania（西里西亚大学自然科学研究所）和Adam Kotarba（波兰科学院地理与空间组织研究所名誉教授）提供的宝贵咨询。我们还感谢Jerzy Zasadni（AGH大学地球科学、地球物理与环境防护学院）的

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