本文摘要：摘要：冰芯高分辨率高保真地記錄了過去不同時間尺度氣候環(huán)境變化歷史，而冰芯精確定年是重建過去氣候環(huán)境演化的先決條件。通過回顧青藏高原冰芯定年的常用方法，提出了目前冰芯定年仍存在的挑戰(zhàn)和機遇。通常的冰芯定年方法包括基于冰芯季節(jié)變化信號的數(shù)年層
摘要：冰芯高分辨率高保真地記錄了過去不同時間尺度氣候環(huán)境變化歷史，而冰芯精確定年是重建過去氣候環(huán)境演化的先決條件。通過回顧青藏高原冰芯定年的常用方法，提出了目前冰芯定年仍存在的挑戰(zhàn)和機遇。通常的冰芯定年方法包括基于冰芯季節(jié)變化信號的數(shù)年層方法、放射性標(biāo)志層定年、冰川流動模型、基于其它已知時間序列的對比定年，以及放射性同位素定年。最可靠的方法是數(shù)年層的方法，但受到冰川中下部年層逐漸減薄的制約，冰川流動模型主要應(yīng)用于冰芯中下部定年，但存在不確定性較大而且難以驗證的難題。未來冰芯學(xué)科發(fā)展對冰芯定年提出了更高要求，隨著測量技術(shù)與手段的突破，新的方法與技術(shù)開始在極地冰芯與高山冰芯定年研究中展示了廣泛的應(yīng)用前景。冰芯連續(xù)測量技術(shù)(如冰芯同位素連續(xù)測量技術(shù)、激光剝蝕等離子體質(zhì)譜技術(shù))大幅度提高了冰芯測量結(jié)果的時間精度，有可能把數(shù)年層的定年方法延推到冰芯底部;基于“原子阱痕量分析”(AtomTrapTraceAnalysis，ATTA)的惰性氣體(85Kr、81Kr、39Ar)放射性測年技術(shù)是一項革命性的技術(shù)，由于惰性氣體在大氣中的穩(wěn)定性與均勻性使其在不同時間尺度冰川冰的絕對定年中發(fā)揮出優(yōu)勢。低濃度的可溶性有機碳的14C定年也從實驗室探索階段開始轉(zhuǎn)入試用階段，而且用冰量低，有望解決冰芯中碳含量低，定年困難的窘迫狀況。此外，人類活動影響之前處于自然背景下的冰芯3H低本底測量技術(shù)結(jié)合數(shù)據(jù)處理方法，有望恢復(fù)過去100-200年與太陽活動周期相關(guān)的信號，將補充放射性標(biāo)志層只有近代結(jié)果的不足。這些新的技術(shù)與方法在冰芯定年中的應(yīng)用有望進一步推動中低緯度高山冰芯研究。
關(guān)鍵詞：冰芯記錄;定年;新技術(shù);氣候環(huán)境記錄;青藏高原
0引言
冰芯是重建過去氣候與環(huán)境變化的重要指標(biāo)之一。冰芯記錄具有分辨率高、信息量大、保真性強、時間序列長等特點[1]。在極地冰芯，其記錄的時間尺度可達80萬年[2]，在山地冰芯，報道的最長記錄可達末次間冰期[3]。冰芯記錄了一系列的與自然過程和人類過程相關(guān)的氣溫變化、溫室氣體、太陽活動、火山活動、生物地球化學(xué)循環(huán)等演化的信息[4]。
除了南北極冰蓋的冰芯研究之外，中低緯度冰川，由于冰川積累量大而時間分辨率高、距離人類活動近而更易保存人類活動信息等特點，是開展冰芯研究理想場所。在過去幾十年中，中低緯度冰芯記錄為重建過去不同時間尺度氣候環(huán)境演化歷史提供了直接證據(jù)[5]。在我國，自從1987年在敦德冰帽鉆取了中國第一支透底冰芯之后，先后在20多個冰川區(qū)開展了冰芯記錄研究。如1992年與2015年分別在古里雅冰帽鉆取了中低緯地區(qū)最深的冰芯[3，6-7]。
在喜馬拉雅山中段的達索普冰川與帕米爾的慕士塔格冰川鉆取了海拔高度達7000米的冰芯[1，8]。利用這些冰芯中的穩(wěn)定同位素、冰川積累量、可溶性離子、微粒、有機成分、重金屬記錄，重建了過去不同時間尺度氣溫、降水、大氣化學(xué)環(huán)境等多種氣候環(huán)境指標(biāo)的演化歷史。特別是近幾年，冰芯在利用黑碳[9]、有機污染物[10]與重金屬記錄[11]重建過去人類活動對環(huán)境的影響中發(fā)揮了重要作用。
目前，冰芯研究在三個方面不斷取得突破。
第一，新的冰芯測年技術(shù)不斷出現(xiàn)，提高了冰芯氣候環(huán)境時間序列的可靠性，并可以從中挖掘更多的氣候環(huán)境變化信息。第二，新的氣候環(huán)境變化的指標(biāo)被應(yīng)用于冰芯研究中。例如冰芯中與火災(zāi)相關(guān)的有機化合物的指標(biāo)[10]，“非靶向”分析技術(shù)識別出的大量不同組分有機分子[12]，此外還包括硝酸鹽與硫酸鹽的氮氧同位素成分等[13-16]。第三，對于冰芯記錄代用指標(biāo)的現(xiàn)代過程的認識不斷完善，例如冰芯記錄中δ18O的高頻波動反映ENSO循環(huán)以及機制問題[17-18]。冰芯準(zhǔn)確定年是冰芯研究的前提，是重建可靠的氣候環(huán)境變化時間序列的保障。
多種方法可用于冰芯定年，包括常用的利用冰芯的季節(jié)變化信號來從上向下數(shù)年層、確定核事件的放射性標(biāo)志層、特殊事件(如火山活動)以及冰川流動模型等。在中低緯度地區(qū)，優(yōu)先使用的方法仍然是數(shù)年層，特別是在冰芯的上部。對于冰川中下部，冰芯樣品分析的精度隨冰川年層的減薄而變低，這種方法將失效，而冰川中下部定年一般是通過冰川流動模型實現(xiàn)的。與極地冰芯不同，中低緯山地冰芯在冰川積累量、冰芯時間尺度及冰川積累氣候環(huán)境條件存在較顯著差異，雖然冰芯定年方法存在很多共性，但中低緯山地冰芯定年有自己的特殊性。本文回顧了山地冰芯定年的常用方法，探討了圍繞青藏高原冰芯定年的現(xiàn)狀與存在的問題。最后，總結(jié)了最近幾年出現(xiàn)的新的冰芯定年方法并展望了在青藏高原冰芯定年中的應(yīng)用前景。
1青藏高原冰芯定年常用方法回顧
在過去的30多年，青藏高原鉆取了十幾支透底深孔冰芯，這些冰芯的長度從數(shù)十米到309米，時間尺度不等。表1列出了青藏高原鉆取的主要冰芯采用的定年方法。青藏高原冰川積累量大，幾乎所有冰芯定年都利用了數(shù)年層的方法，特別是冰芯的上部。該方法基于高原山地冰川季節(jié)變化指標(biāo)(包括冰芯穩(wěn)定同位素、微粒含量、可溶性化學(xué)成分等)特征顯著。很多冰芯也利用了1963年放射性標(biāo)志層(β活化度、3H、137Cs)，可以驗證冰芯上部最近幾十年定年結(jié)果的可靠性。
其中還有6根冰芯利用了冰川流動模型對冰芯下部進行定年。對于數(shù)千年以上年齡的冰芯，利用14C與36Cl放射性同位素定年，是一種輔助的方法。敦德、普若崗日與崇測冰芯都利用了14C定年方法。只有在古里雅冰芯定年中利用了36Cl定年。在實際冰芯定年中，冰芯氣候環(huán)境時間序列的建立都是基于多個不同方法的綜合。
2青藏高原冰芯定年的機遇與挑戰(zhàn)
2.1青藏高原冰芯定年存在的限制條件
冰芯中保存的高分辨率的季節(jié)信號(物理、化學(xué))是冰芯高分辨率定年的主要指標(biāo)。冬季與夏季不同降雪形成條件導(dǎo)致的季節(jié)變化(如透光性、密度等)以及降水樣化學(xué)性質(zhì)(穩(wěn)定同位素、化學(xué)離子、黑碳記錄等)的季節(jié)變化，通常作為冰芯高分辨率定年的依據(jù)。通過季節(jié)信號定年，要求冰芯鉆取點冬季與夏季都有相當(dāng)量的降水，但對于青藏高原大部分地區(qū)，降水只集中于夏季季風(fēng)期，導(dǎo)致冰芯中季節(jié)性信號強度不夠，與天氣尺度的冰芯信號難以區(qū)分，加大了依靠數(shù)年層進行定年的難度。目前，非季風(fēng)期降水較多的區(qū)域有藏東南地區(qū)、沿喜馬拉雅山脈受冬季西風(fēng)槽影響顯著地區(qū)以及喀喇昆侖山地區(qū)。位于喜馬拉雅山中段的達索普冰芯[37]與西段的那木納尼冰芯[38]都保存了非常清晰的季節(jié)信號。
此外，冰川表面的后沉積過程會影響季節(jié)信號，高原內(nèi)陸強的風(fēng)蝕作用會破壞雪層結(jié)構(gòu)，甚至侵蝕部分或全部的雪層，導(dǎo)致冰芯中年層信號不清甚至缺失。如2002年我們在敦德冰芯頂部鉆取的數(shù)支淺冰芯的同位素記錄高頻波動信號不同步，而且在打鉆現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)表面積雪層理被強風(fēng)破壞嚴(yán)重。隨著氣候轉(zhuǎn)暖，冰川平衡線不斷升高，出現(xiàn)冰川表面夏季融化的海拔高度不斷上升，冰面強消融會導(dǎo)致冰芯中部分或全部的年層信號損失[39-40]，影響冰芯定年。
2.2高分辨率冰芯定年結(jié)果的機遇
(1)冰芯上部年際尺度的定年結(jié)果有望重獲過去更長時間尺度ENSO循環(huán)的信號。冰芯中保存的穩(wěn)定同位素信號，是反映過去氣候變化或大氣環(huán)流變化的指標(biāo)。最近的研究發(fā)現(xiàn)，亞洲季風(fēng)區(qū)降水及冰芯中穩(wěn)定同位素信號短周期的波動與ENSO循環(huán)緊密相關(guān)[18，35，43]。冰川是由過去降水沉積形成，冰芯忠實地保存了過去降水穩(wěn)定同位素的信號。建立與樹輪時間序列精度一致的冰芯年際尺度時間序列，有望從冰芯同位素記錄中重建更為可靠的過去長時間尺度ENSO循環(huán)的歷史，但目前可以驗證的高分辨率定年結(jié)果主要是在冰芯上部，隨著冰芯深度的增加，定年誤差會逐步增大。
(2)增加長時間尺度冰芯定年可靠性，有望建立可以與其它記錄相對比的氣候變化時間序列。目前中低緯度冰芯定年最大的不確定性仍然是在冰芯底部，即使極地冰芯的時間序列建立，也經(jīng)歷了不斷調(diào)整以及與其它不同時間序列的檢驗過程[44-46]，包括利用極端氣候事件以及冰芯包裹氣體及其同位素成分變化的一致性對比。通過高分辨率測量技術(shù)、和更準(zhǔn)確的絕對定年技術(shù)，將進一步提高深冰芯中下部定年結(jié)果的可靠性，從而為過去氣候環(huán)境變化研究提供可以與其它記錄對比的，可以相互驗證的標(biāo)準(zhǔn)氣候環(huán)境時間變化序列。
3冰芯定年新技術(shù)與展望
近些年來，技術(shù)的發(fā)展與測量手段的不斷提高在冰芯定年中得到了應(yīng)用或展示了應(yīng)用前景。這些方法與技術(shù)有望幫助建立更高分辨率、更可靠冰芯記錄時間序列，從而推動青藏高原冰芯氣候環(huán)境變化研究取得更多創(chuàng)新成果。這些技術(shù)與方法包括冰芯高分辨率連續(xù)測量技術(shù)、基于“原子阱痕量分析”(AtomTrapTraceAnalysis，ATTA)的惰性氣體放射性測年技術(shù)、冰芯14C(DOC)定年，以及3H同位素測量技術(shù)。除了下面討論的定年方法之外，通過與石筍、樹輪等高分辨率時間序列的對比，也可能是進一步驗證冰芯定年結(jié)果的一種方法。
氣候環(huán)境論文投稿期刊：《科學(xué)通報》(旬刊),創(chuàng)刊于1950年，是中國科學(xué)院主辦、中國科學(xué)雜志社承辦的自然科學(xué)綜合性學(xué)術(shù)刊物，報道自然科學(xué)各學(xué)科基礎(chǔ)理論和應(yīng)用研究方面具有創(chuàng)新性和和高水平的、具有重要意義的最新研究成果，要求文章的可讀性強，能在一個比較寬范的學(xué)術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生深刻的影響。本刊目標(biāo)是：成為國內(nèi)外讀者了解中國乃至世界范圍的自然科學(xué)各研究領(lǐng)域最新成果的主要窗口之一。
4結(jié)語
冰芯氣候環(huán)境變化研究是冰凍圈科學(xué)研究的重要內(nèi)容之一。在過去的三十多年，青藏高原冰芯記錄研究取得了眾多研究成果，并在一些新的研究方向不斷取得突破。近些年來，一些測量技術(shù)上的創(chuàng)新也推動冰芯研究取得更多新發(fā)現(xiàn)。其中之一是新的定年方法的應(yīng)用，包括冰芯樣品連續(xù)測量技術(shù)、14C(DOC)定年技術(shù)、基于“原子冷阱分析(AT⁃TA)”的冰芯包裹氣體惰性氣體放射性同位素定年技術(shù)已在冰芯定年方法中嶄露頭角，3H測量技術(shù)的提高有望在冰芯上部高分辨率定年中得到應(yīng)用。這些新的方法將進一步提高冰芯氣候環(huán)境變化時間序列的精度與可靠性，推進冰芯研究的發(fā)展。
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作者：田立德1，2，唐明星1
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