極地冰芯氣候及環(huán)境記錄指標研究現(xiàn)狀與展望

劉科 侯書貴 龐洪喜 史貴濤 耿雷 胡煥婷 宋靖 張王濱鄒翔 安春雷 于金海

研究進展

極地冰芯氣候及環(huán)境記錄指標研究現(xiàn)狀與展望

劉科1, 2侯書貴3龐洪喜2史貴濤4耿雷5胡煥婷3宋靖2張王濱2鄒翔2安春雷6于金海2

(1河南財經(jīng)政法大學資源與環(huán)境學院, 河南 鄭州 450000;2南京大學地理與海洋科學學院, 江蘇 南京 210023;3上海交通大學海洋學院, 上海 200240;4華東師范大學地理科學學院, 上海 200241;5中國科學技術(shù)大學地球和空間科學學院, 安徽 合肥 230026;6中國極地研究中心, 上海 200136)

冰芯記錄了自然和人類活動等各種因子的變化, 是研究全球氣候變化和環(huán)境變化的良好載體。極地冰芯可以將高分辨率古氣候記錄的時間尺度延長至過去幾十萬年, 具有重要的科學意義。近年來, 極地冰芯在氣候及環(huán)境記錄上取得了一系列新的研究進展, 但尚缺乏系統(tǒng)的總結(jié)。本文對極地冰芯的研究進展進行了梳理, 從冰芯物理特性、冰芯氫氧同位素、可溶及不可溶物質(zhì)理化特征、冰芯氣體等方面進行了概述, 重點關(guān)注了最新分析方法在極地冰芯中的應(yīng)用。最后對極地冰芯研究的未來發(fā)展方向進行了展望, 以期為今后深入開展極地冰芯氣候及環(huán)境記錄研究提供參考。

南極 北極 格陵蘭 冰芯 氣候及環(huán)境記錄

0 引言

冰芯記錄以其分辨率高、時間尺度長、信息量大、保真度高等特點, 成為研究全球氣候變化的重要方法之一[1]。通過冰芯記錄不僅可以檢測過去與現(xiàn)代氣候環(huán)境變化, 而且也能探究影響氣候變化的不同驅(qū)動因子(如太陽活動、火山活動及溫室氣體等)的變化。此外, 冰芯也記錄了人類活動對環(huán)境的影響[2]。1966年, 科學家在格陵蘭冰蓋世紀營地(Camp Century)鉆取的冰芯, 拉開了冰芯研究的序幕; 1968年, 在南極冰蓋伯德站(Byrd Station)鉆取了南極第一支透底冰芯。隨后在南北極又開展了大量的深冰芯鉆探計劃, 如南極東方站(Vostok)、冰穹C (Dome C)、冰穹F(Dome F)、西南極分冰嶺(WAIS Divide)、南極點(South Pole)及格陵蘭的GRIP、GISP2、NGRIP、NEEM、EGRIP冰芯等(圖1)。極地冰芯中, 格陵蘭冰芯具有分辨率高的特點, 已經(jīng)獲取的冰芯記錄揭示末次冰期出現(xiàn)了快速的氣候變化規(guī)律, 為深入了解全球氣候變化做出了重要的貢獻[3]。南極冰芯具有時間尺度長的優(yōu)點, 如Dome C深冰芯記錄了過去80萬年的氣候變化[4]。中國的極地冰芯研究始于20世紀80年代。我國在冰穹A(Dome A)地區(qū)昆侖站開展的深冰芯鉆探(圖1), 是目前最有希望獲取100萬年以來連續(xù)冰芯記錄的冰芯鉆探計劃[5-6]。

圖1 格陵蘭冰蓋及南極冰蓋主要深冰芯鉆取點

Fig.1. Deep core drilling sites of the Greenland ice sheet and Antarctic ice sheet

極地冰芯研究具有研究周期長、學科交叉性強的特點。因此在進行極地冰芯分析時制定合理的分析方案是極地冰芯研究的前提。圖2展示格陵蘭NEEM冰芯的分樣方案, 該冰芯的分析方案包括了極地冰芯常規(guī)的分析指標和研究內(nèi)容。結(jié)合NEEM冰芯的分析方法及研究內(nèi)容, 我們將從冰芯物理特征、氫氧穩(wěn)定同位素、可溶與不可溶物質(zhì)的理化特征及冰芯氣體等幾個方面對極地冰芯氣候及環(huán)境記錄進行概述。

圖2 格陵蘭NEEM冰芯分樣方案

Fig.2. Schematic diagram showing how the NEEM ice core specimens were cut

1 冰芯物理特征

冰芯物理特征(如冰組構(gòu)、晶粒大小及朝向、冰層顏色、密度、電導率及冰芯鉆孔溫度等)是冰芯研究的重要組成部分[7-11]。Eichler等[8]利用光學顯微鏡和拉曼光譜顯微鏡對南極EDML和格陵蘭NEEM冰芯中的晶粒特征及朝向進行了詳細的分析(圖3), 研究發(fā)現(xiàn)晶粒的邊界和包裹體之間沒有明顯的相關(guān)性, 即晶粒邊界不會影響包裹體的分布, 包裹體也不會通過恒變模態(tài)限制晶粒邊界的遷移。Shigeyama等[10]利用冷凍掃描電鏡耦合能量色散X射線光譜儀對格陵蘭NEEM冰芯不同氣候時期的514個微結(jié)構(gòu)樣品進行了分析, 并對數(shù)據(jù)進行了分類匯總, 此數(shù)據(jù)集還包含了X射線計數(shù)、比重、原子比等眾多數(shù)據(jù), 為氣候環(huán)境記錄與冰芯物理特征之間的關(guān)系研究提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。極地冰芯的冰層顏色因其具有季節(jié)變化特征, 可用來輔助定年, 在格陵蘭冰芯中有著廣泛的應(yīng)用。冰芯微構(gòu)造和組構(gòu)特征能反映溫度和應(yīng)力等物理性質(zhì), 對提高冰蓋或冰川的流動性、晶粒生長機制及其對氣候變化的響應(yīng)具有重要的作用[12-13]。對南極毛德皇后地DML深冰芯進行微結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn), 根據(jù)邊界條件及三軸形變等, DML冰芯可以分成5個階段的變化特征: (1)冰芯頂部～450 m深度, 冰芯宏觀特征呈現(xiàn)氣泡壓縮和局部再結(jié)晶的特征; (2)450～1700 m深度, 以帶狀晶格優(yōu)選方位為主, 帶狀平面垂直于晶粒伸長方向, 顯示出以水平拉伸為主的三軸變形; (3)1700～2300 m深度, 呈現(xiàn)出三軸變形到應(yīng)力剪切作用主導之間的過渡狀態(tài); (4)2030～2385 m深度, 應(yīng)力剪切作用主導; (5)2385 m深度以下, 強應(yīng)力剪切作用下, 晶粒形態(tài)優(yōu)選方位和強烈的扭曲折疊作用影響顯著[13-14]。理解極地冰芯微構(gòu)造和組構(gòu)隨冰芯深度變化一直以來都是具有挑戰(zhàn)性的研究工作。在極地冰芯中, 通常認為正常晶粒生長、多邊形化/旋轉(zhuǎn)再結(jié)晶、應(yīng)力作用導致的邊界條件變化是主導冰芯從頂部到底部的3種主要演化方式[12]; 也有學者認為3種機制貫穿于整個冰芯的形成過程[15]。近年來, 德國Alfred Wegener Institut(AWI)研究所開發(fā)了Ice-CT冰芯成像設(shè)備, 通過X射線微聚焦耦合計算機成像系統(tǒng)能夠?qū)Ρ具M行2D掃描及3D成像, 樣品分析的分辨率可達2 μm。此外, AWI還開發(fā)了成套的微結(jié)構(gòu)分析儀(Fabric Analyzer), 利用偏振光顯微鏡和計算機實現(xiàn)自動控制偏振器、觀察方向及樣品自動定位等, 實現(xiàn)對冰芯微結(jié)構(gòu)的快速高效分析, 具有極其廣闊的應(yīng)用前景。我國在極地冰芯電學性質(zhì)、導電率測量技術(shù)及介電剖面法對于冰芯電學性質(zhì)影響等方面取得了初步的進展[16-17]。在冰芯微結(jié)構(gòu)方面, 厲愿等[12]利用德國自動組構(gòu)分析儀 G50 對東天山廟兒溝冰芯進行了初步分析, 并對其特征和所蘊含的意義進行了探討。目前, 中國極地研究中心也配備了自動組構(gòu)分析儀 G50, 為極地冰芯微結(jié)構(gòu)和組構(gòu)研究奠定了一定基礎(chǔ)。

圖3 南極EDML冰芯2371.9 m處冰芯橫截面微結(jié)構(gòu)及內(nèi)部包裹體分布圖(改自Eichler等[8])

Fig.3. Surface-focused photomicrograph from EDML-2371.9 and photomicrograph focused inclusions in the ice core, revised from Eichler et al[8]

2 冰芯氫氧穩(wěn)定同位素

冰芯穩(wěn)定同位素主要包括18O和D, 最早由Dansgaard[18]定義并應(yīng)用到冰芯定年及氣候變化記錄中[18-19]。由于極地冰芯中的氫氧穩(wěn)定同位素和當?shù)氐臏囟让芮邢嚓P(guān), 因此基于極地冰芯中的氫氧穩(wěn)定同位素記錄可以進行古氣候的重建[20]。南極Dome C冰芯重建了過去80萬年的溫度變化, 是目前全球冰芯中時間尺度最長的連續(xù)氣候記錄, 記錄了過去8個冰期-間冰期旋回[21]。格陵蘭冰芯由于積累率高, 記錄的溫度變化的時間尺度相對較短, 如GRIP冰芯和GISP2冰芯的深度分別達到了3022 m和3050 m, 然而只記錄了過去十幾萬年的溫度變化[22], 最新鉆取的格陵蘭NEEM冰芯也僅僅記錄了過去～13萬年的氣候記錄[23]。然而格陵蘭冰芯由于其積累率高, 可根據(jù)冰芯的氫氧同位素記錄探究短時間尺度的氣候突變事件(如D-O循環(huán)等)[24]。此外, 冰芯穩(wěn)定同位素由于其顯著的季節(jié)變化特征, 可以在冰芯中形成穩(wěn)定的周期循環(huán), 基于此可以對冰芯進行年層的劃分[25]。在極地冰芯定年中, 位于沿海及高積累區(qū)的冰芯, 依據(jù)氫氧穩(wěn)定同位素進行年層劃分, 可以進行較長時間尺度的冰芯定年。表1對比了南極和格陵蘭7支典型深冰芯中用到的主要定年方法, 值得注意的是,18O定年方法在不同積累率的冰芯定年中均被使用。但18O在深冰芯定年中的應(yīng)用非常有限, 在冰芯底部減薄速率加快后, 需要借助更多的指標來輔助定年(表1)。在格陵蘭NEEM冰芯中, 通過冰芯物理特征、等時層數(shù)據(jù)等發(fā)現(xiàn)了冰層底部(2200 m以下)發(fā)生冰層褶皺和不連續(xù)的現(xiàn)象, 研究者通過冰芯的18Oatm、CH4等指標與NGRIP 及 EDML冰芯比對, 最終確定了NEEM冰芯的底部年齡[23]。

目前, 極地冰芯同位素在古氣候記錄方面已經(jīng)取得眾多研究成果, 極地冰芯同位素的研究開始更多地關(guān)注基于冰芯的過量氘記錄(定義為 dexcess=D?818O), 并結(jié)合簡單瑞利分餾同位素模型或大氣環(huán)流同位素模型進行水汽源區(qū)環(huán)境條件定量重建的研究[20]。近年來, 研究者發(fā)現(xiàn)極地雪冰中的過量氘不僅受蒸發(fā)過程中非平衡動力分餾控制, 還受到平衡分餾過程中溫度和水汽凝結(jié)過程對同位素值本身的影響, 因此提出了過量氘的對數(shù)定義和指數(shù)定義[20]。格陵蘭 NEEM冰芯過量氘記錄研究顯示, 相較于線性定義, 在高緯度地區(qū)冰芯中過量氘的對數(shù)定義可以更好地衡量非平衡動力分餾[39]。

表1 極地代表性冰芯的定年方法

近年來, 隨著水體中氧同位素測試精度的提高, 可以對冰芯中17O進行準確測定, 從而定義了一個新的二級參數(shù): 過量氧-17(17Oexcess),17Oexcess=106×ln(18O/1000+1)–0.528×ln(18O/1000+ 1)。由于過量氧-17對源區(qū)的溫度并不是很敏感, 主要受水汽源區(qū)歸一化的相對濕度控制, 因而用來重建水汽源區(qū)的相對濕度變化更有優(yōu)勢[40]。此外, 極地冰蓋內(nèi)陸地區(qū)由于溫度較低, 水汽過飽和度對過量氧-17和過量氘的影響顯著[41]。因此將過量氧-17和過量氘結(jié)合, 有助于加深我們對低溫水汽過飽和條件下穩(wěn)定同位素動力分餾過程的理解, 這對揭示極地冰蓋內(nèi)陸冰芯同位素的氣候意義至關(guān)重要[40]?？傊? 過量氧-17作為一個新興指標, 日漸成為極地冰芯同位素研究領(lǐng)域的熱點話題之一。

3 冰芯可溶與不可溶物質(zhì)的理化特征

3.1 不溶微粒

作為極地冰芯研究的一個重要指標, 不溶微粒在揭示古環(huán)境和古氣候信息中起著很重要的作用。此外, 冰芯中微粒含量的季節(jié)變化也可用于冰芯年層的劃分, 微粒的礦物和粒徑特征可以用于源區(qū)以及大氣本底值的研究[42-43]。另外, 微粒記錄中還包含了火山、沙塵暴以及人類活動等特殊事件的信息[44-45]。南極EDC冰芯微粒記錄了過去8個冰期-間冰期大氣粉塵濃度的變化, 是目前時間尺度最長的冰芯記錄; 此外EDC冰芯記錄的粉塵通量與大氣CO2濃度在冰消期的不同步, 表明了南大洋鐵施肥效應(yīng)可能不是該時期大氣CO2濃度變化的主導因素[4, 46]。格陵蘭NEEM冰芯微粒中鐵的濃度研究顯示, 過去11萬年冰芯微粒變化與黃土記錄存在高度一致性, 證實了中亞大氣粉塵長距離傳輸是北半球高緯度粉塵的主要來源[47]。格陵蘭SIGMA-D冰芯的短時間尺度微粒記錄顯示, 微粒礦物年代際和多年代際的變化可以揭示格陵蘭冰芯粉塵在過去100年受到來自不同源區(qū)粉塵的影響, 而且粉塵礦物的豐度很大程度上受到格陵蘭地表氣溫的影響[42]。在過去的50年間, 極地冰芯微粒的分析工作已取得了豐碩的成果。通常極地冰芯中微粒的測量方法包括: 采用庫爾特顆粒計數(shù)儀進行微粒數(shù)量的測定; 采用光學顯微鏡和電子探針顯微鏡與XEDS的元素分析結(jié)合進行單顆粒分析; 采用XRD、MC-ICP-MS及熱電離質(zhì)譜進行礦物學、同位素分析(如Sr、Nd、Pb、Hf等同位素分析); 利用電子顯微鏡進行火山玻璃體等大顆粒微粒分析等[48]。目前, 極地冰芯微粒的研究已經(jīng)從濃度、粒徑及形態(tài)為主, 逐步過渡為關(guān)注微粒礦物及利用微粒代用指標(Ca2+及Fe元素)及同位素來探索微粒來源及現(xiàn)代過程的研究。此外, 除了對極地冰芯微粒進行離散樣品分析外, 基于連續(xù)流技術(shù)開展冰芯微粒分析是目前極地冰芯研究應(yīng)該重點關(guān)注的問題, 如格陵蘭NEEM冰芯在野外鉆取后, 現(xiàn)場進行連續(xù)流微粒樣品的分析, 極大提高了冰芯的分析效率和樣品的分辨率[49]。

3.2 痕量元素

極地冰芯中的痕量元素對認識地球大氣環(huán)境中重金屬污染的規(guī)模和歷史、揭示污染物質(zhì)的來源及傳輸過程具有重要的作用[50-51]。目前, 依據(jù)同位素指紋信息分析冰芯中典型污染物(如Hg等)的來源、沉降及影響受到人們的普遍關(guān)注[52]。基于南極EDC長時間序列的冰芯記錄, Jitaru等[53]重建了東南極過去670000年來的汞沉積記錄, 分析了冰期-間冰期旋回期間南極汞的沉積記錄和影響機制。Chang等[54]根據(jù)南極內(nèi)陸Dome A及Dome F雪冰中的Pb同位素, 確定了南極內(nèi)陸雪冰中的Pb污染物主要受到南美洲銅礦冶煉工業(yè)的影響。近年來, 隨著激光剝蝕技術(shù)與質(zhì)譜的聯(lián)用技術(shù)(LA-ICP-MS)的發(fā)展, 冰芯中痕量元素分析的方法獲得了較快的發(fā)展[55], 使冰芯中痕量元素的采樣分辨率提高至亞毫米級別(圖4)[56]。在此基礎(chǔ)上, Spaulding 等[57]又開發(fā)了使用LA-ICP-MS進行多元素(Al、Ca、Fe、Na、Mg、Cu、Pb)分析的方法, 提高了分析效率, 同時使利用多元素濃度的季節(jié)變化特征來獲取冰芯中、下部年層厚度成為了可能。該方法在極地冰芯定年及超高分辨率痕量元素分析方面能發(fā)揮重要的作用, 此外該方法由于使用激光剝蝕技術(shù), 實驗過程中對冰芯的消耗量幾乎可以忽略(圖4), 剩余的樣品可以繼續(xù)用作氣體或連續(xù)流指標分析, 在極地冰芯中具有廣闊的利用前景。除了在測試方法上的突破, 近年來一些重金屬(如Re-Os、Hg、Pb)同位素在極地冰芯中的應(yīng)用, 也使得我們對典型污染物的來源有了新的認識[58]。利用痕量元素同位素技術(shù)確定南極痕量元素的來源及傳輸過程, 量化人類活動對南極重金屬污染的貢獻, 并探索各種物理化學過程對重金屬沉積后過程的影響, 將會成為南極冰芯中痕量元素研究的未來主流方向[59-60]。

3.3 離子

圖4 LA-ICP-MS分析技術(shù)在冰芯中應(yīng)用的示意圖。該圖根據(jù)緬因大學氣候變化所的研究成果繪制, 右下深藍色圓圈代表激光在冰芯上剝蝕的光斑直徑(100 μm), 取樣分辨率可達153 μm

Fig.4. A new LA-ICP-MS method using in glacier ice cores, revised from the previous research from Climate Change Institute, University of Maine. The dark blue circle inset is the beam size (100 μm) on the ice core, and the sampling resolution is 153 μm

3.4 冰芯微生物及有機物指標

極地冰川表面生活著大量的微生物, 這些微生物也會被保存到冰川內(nèi)部, 成為一種重要的冰芯記錄。冰芯中微生物的數(shù)量與種類及其基因組分的變化, 可能包含了過去環(huán)境變化的信息和古老微生物演化的信息[75-76]。目前, 在極地冰芯中發(fā)現(xiàn)的微生物主要包括細菌、病毒、藻類和真菌, 其中細菌的數(shù)量最多?；跇O地冰芯微生物研究發(fā)現(xiàn), 冷期時冰芯中微生物數(shù)量較多, 而在暖期微生物數(shù)量低, 這與冷期時大氣中粉塵含量較高有關(guān), 冰期冰芯中粉塵含量高使冰芯中微生物數(shù)量增多[75, 77]。目前, 在格陵蘭不同年代的冰芯樣品中均發(fā)現(xiàn)了多種番茄花葉病毒的RNA[78], 在南極冰芯樣品中也發(fā)現(xiàn)了類似病毒顆粒[79]。在極地冰芯中發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)甲烷的古菌, 因其產(chǎn)生甲烷對溫室效應(yīng)具有一定貢獻, 近年來備受關(guān)注。研究者通過高通量測序技術(shù)、圖紋技術(shù)及分子雜交技術(shù)對極地產(chǎn)甲烷的古菌開展了詳細的研究, 然而在低溫環(huán)境中甲烷菌產(chǎn)生甲烷的機理及其在全球變化中的響應(yīng)方面需要進一步的深入研究[80]。在格陵蘭NEEM冰芯中, 研究者使用熒光微球體對冰芯不同層位進行了長達2.5年的滲透模擬實驗, 研究發(fā)現(xiàn)在冰芯的碎冰區(qū), 冰芯微生物極易受到外界環(huán)境的污染, 該研究為深冰芯微生物分析提供了重要的參考[77]。在南極泰勒冰川附近的Mullins和Beacon山谷中的埋藏老冰中10萬年和～800萬年的微生物種群的信息, 間接反映了Beacon山谷中的埋藏冰是在南極發(fā)現(xiàn)的最老的埋藏冰[81]。目前冰芯中微生物研究面臨的問題是, 在全球變暖的背景下, 冰川消融引起的極地微生物生存環(huán)境的變化如何影響微生物群落及其代謝狀況尚不清楚。此外, 冰川內(nèi)部的古老病毒是否會隨冰川的消融而釋放并威脅生態(tài)系統(tǒng)和人類健康, 也是值得深入研究的方向。

冰芯中有機指標(如野火)對理解生態(tài)演化過程非常重要[82]。近年來隨著痕量分析技術(shù)的進步, 對冰芯中生物質(zhì)燃燒釋放的痕量有機物質(zhì)(pg/g量級)如左旋葡聚糖、酚醛酸等的分析發(fā)現(xiàn), 痕量有機物在南極雪冰中普遍存在[83], 而且極地冰芯中的左旋葡聚糖、黑碳等信息可以較好地反映區(qū)域及全球尺度的生物質(zhì)燃燒信息[84]。對南極Dome C冰芯中的左旋葡聚糖濃度研究顯示, 冰期生物質(zhì)燃燒釋放的左旋葡聚糖顯著低于間冰期, 因此研究者據(jù)此推斷氣候環(huán)境變化是影響冰期-間冰期生物質(zhì)燃燒的主要原因[85]。此外, 一些新興污染物(如微塑料等)在極地雪冰中出現(xiàn), 對理解極地環(huán)境變化具有重要的意義[86]。在北極海冰中已發(fā)現(xiàn)了多種微塑料的富集, 微塑料污染已經(jīng)可以通過大氣傳輸和洋流傳輸影響極地環(huán)境[87-88]。我國在極區(qū)海洋中已經(jīng)嘗試開展微塑料污染的研究, 而在極地雪冰中的相關(guān)研究還尚未開展, 作為一種新興污染物, 微塑料研究將會在極地冰芯中得到更多的應(yīng)用[89]。

4 冰芯氣體

4.1 常規(guī)氣體分析

冰芯中的氣體是目前能夠直接用來研究歷史時期大氣成分、同位素比值的唯一途徑, 是極地冰芯研究的重要組成部分[90-91]。冰芯氣體除了用于定年外, 也為了解氣候變化與大氣組成以及生物地球化學循環(huán)之間的關(guān)系做出了重要貢獻。隨著實驗技術(shù)日趨成熟, 冰芯氣體研究已經(jīng)取得了長足進展, 所研究氣體種類已從CO2擴大到了CH4、CO、N2O以及氟氯昂系列化合物, 主要氣體的同位素組成研究也受到了重視[92-94]。冰芯中CO2含量在短時尺度揭示了人類活動對大氣環(huán)境的影響[95]; 冰芯中連續(xù)的大氣CO2濃度記錄已經(jīng)可以追溯到過去80萬年[96], 在冰期-間冰期時間尺度上大氣CO2濃度與溫度呈正相關(guān)關(guān)系, 與大氣粉塵濃度(Fe)之間呈顯著的反相關(guān)關(guān)系, 主要是由于冰期粉塵中的鐵促進大洋浮游植物增加, 即所謂的“鐵施肥效應(yīng)”消耗了大氣中CO2[97]。除了氣體濃度以外, 冰期中溫室氣體的碳同位素一直以來都是冰芯氣體的研究熱點, 由于人類活動產(chǎn)生的溫室氣體含有較輕的碳同位素組成, 因此可以很好解釋全新世以來農(nóng)業(yè)及工業(yè)活動對大氣中溫室氣體影響的程度[93, 95, 98-99]。

在測試方法上, 冰芯中氣體混合比的測量一般都是基于氣相色譜法[100], 在冰芯氣體的實驗分析中最關(guān)鍵的一步是抽提氣體, 根據(jù)融水是否參與可以分為干抽提和濕抽提兩種手段, 其中使用連續(xù)流技術(shù)濕抽提的方法應(yīng)用最為普遍, 以瑞士伯爾尼大學為代表的多通道連續(xù)流技術(shù)是目前應(yīng)用最廣的方法之一。Osterberg等[101]利用多通道連續(xù)流技術(shù)分別對GISP2冰芯的離子、痕量元素及同位素實現(xiàn)了高分辨率的分析。該方法可以實現(xiàn)連續(xù)流和多種設(shè)備(包括離子色譜、ICP-MS及同位素比率質(zhì)譜儀等)聯(lián)用, 并能夠在冰芯鉆探現(xiàn)場開展直接分析工作。Chappellaz等[100]利用該連續(xù)流裝置耦合激光光譜分析儀, 在NEEM冰芯的鉆探現(xiàn)場, 對其中107.7～9.5 ka冰芯的CH4進行了高分辨率的分析, 并探討了其與“D-O事件”的關(guān)系。該連續(xù)流技術(shù)在氣體提取方面有較高的效率, 并且可以實現(xiàn)無損的氣體測試, 但缺點是需要較為嚴格的冰芯前期切割處理(需要冰芯端部平整無破損), 并且儀器的記憶效應(yīng)及冰芯樣品的不連續(xù)導致的平滑效應(yīng)都會影響數(shù)據(jù)的真實性[100]。

此外, 傳統(tǒng)連續(xù)流技術(shù)對于水溶性較好的氣體(如CH4、N2O等)會造成一定的測試誤差[102]。目前針對這些水溶性強的氣體, 瑞士伯爾尼大學開發(fā)了在真空條件下采用紅外線照射, 升華提取冰芯氣體[94, 98](圖5)。該技術(shù)可以在保持冰表面遠低于–20℃的真空條件下實現(xiàn)較高的升華率。目前我國有關(guān)極地冰芯氣體及其同位素的研究相對比較匱乏, 極地冰芯氣體的研究多通過國際合作的方式完成, 自主研發(fā)和改進相關(guān)測試系統(tǒng), 是未來極地冰芯氣體研究亟需開展的工作之一。

圖5 冰芯氣體分析裝置。a)真空抽提技術(shù); b)連續(xù)流分析。根據(jù)瑞士伯爾尼大學研究成果繪制[94]

Fig.5. Analytical devices of ice core gas. a) the vacuum extraction, trapping line; b) continuous flow analysis. Revised from the previous research from Bern University, Switzerland[94]

4.2 惰性氣體及其同位素分析

近年來, 隨著冰芯中惰性氣體放射性同位素(81Kr、85Kr、39Ar)的分析測試技術(shù)的發(fā)展, 所需冰芯的樣品量從原來的幾百千克降低至幾千克, 使得相關(guān)分析測試在極地冰芯中大范圍開展成為可能; 此外, 由于它們的半衰期各不相同, 因此覆蓋了從幾年一直到140萬年的時間區(qū)間, 恰好填補了14C測年所無法覆蓋的范圍, 因此惰性氣體同位素在冰芯中具有極其廣闊的應(yīng)用空間[103-104]。目前“原子阱痕量分析”(ATTA)技術(shù)是國內(nèi)唯一能夠?qū)崿F(xiàn)對環(huán)境樣品中的81Kr、85Kr和39Ar進行大規(guī)模分析的技術(shù), 該技術(shù)目前存在的問題是對冰芯的需求量較大(＞數(shù)千克), 如將其應(yīng)用于冰芯定年還需顯著地提高ATTA 的測量精度和靈敏度, 以期降低所需的樣品量。在青藏高原冰芯定年中,81Kr已經(jīng)初步應(yīng)用到確定古里雅冰帽邊緣最底部塊冰的年代[105], 隨著該技術(shù)的發(fā)展與改進, 未來可能成為極地冰芯定年的重要手段之一。

此外, 近年來冰芯氣泡中的惰性氣體穩(wěn)定同位素定年法(40Ar定年)在極地定年中也取得了極大的進展[106]。運用40Ar定年技術(shù), 對西南極艾倫丘陵藍冰區(qū)冰芯定年, 獲取了270萬年老冰中主要氣體的記錄(不連續(xù)記錄), 結(jié)果表明在中更新世氣候轉(zhuǎn)型(MPT)前后CO2濃度與南極氣溫具有很好的耦合性; 4萬年周期向10萬年周期的轉(zhuǎn)變伴隨著冰期最盛期CO2濃度的減小[107]。40Ar定年方法理論上無年齡限制且樣品需求量較少(冰芯樣品通常需要500 g), 但缺陷為定年誤差較大, 約為18萬年或年齡的11%(兩者取最大值), 因而更適用于對百萬年以上的老冰定年[108]。

通過冰芯中惰性氣體比(Kr/N2、Xe/Kr、Xe/N2)反演過去全球海洋平均溫度變化在近期也得到較快的發(fā)展。全球不同區(qū)域及不同水層的海水溫度具有很大差異, 要確定全球海洋均溫變化已經(jīng)被證明是近乎不可能的事, 而惰性氣體的溶解度與海洋溫度密切相關(guān)且化學性質(zhì)穩(wěn)定不受其他過程的影響, 因而冰芯中惰性氣體可以提供過去海洋溫度變化的信息[109]。由于不同稀有氣體對海洋平均溫度的敏感度不同,Xe/N2反演過去全球平均海溫的精度最高[110]。通過對西南極WAIS Divide冰芯中Xe/N2的研究發(fā)現(xiàn), 在距今1～2萬年前全球海洋平均溫度升高了2.57±0.24℃, 而且在新仙女木事件早期(距今1.2萬年)出現(xiàn)了一段持續(xù)700年的異常溫暖期[110]?？梢钥闯? 冰芯中惰性氣體蘊含了大量過去氣候變化的信息, 具有廣闊的發(fā)展空間。

5 我國在極地冰芯中開展的研究

我國在極地開展的冰芯鉆探主要集中在中山站-Dome A斷面, 目前已經(jīng)完成了多支冰芯的分析工作[111]。我國在北極地區(qū)參與的冰芯鉆探相對較少, 中國科學院西北生態(tài)資源與環(huán)境研究院參與了NEEM冰芯的鉆探活動, 開展了部分研究。

5.1 中山站-Dome A斷面冰芯研究

5.2 Dome A地區(qū)冰芯研究

我國自2004年(第21次中國南極考察)以來開始在Dome A地區(qū)開展冰芯鉆取工作, 取得了一定的研究成果。中國第 21 次南極考察隊在Dome A地區(qū), 鉆取了一支 109.91 m的冰芯。冰芯CH4濃度測試結(jié)果以及粒雪化模型模擬結(jié)果一致表明, 該冰芯在約 102 m 處氣泡被完全封閉, 并根據(jù)粒雪化模型計算氣泡被完全封閉處冰的年齡約為 4.2 ka。根據(jù)冰芯碎屑樣品的氫(D)、氧(18O)穩(wěn)定同位素分析資料, 結(jié)合東南極冰蓋其他內(nèi)陸冰芯穩(wěn)定同位素資料, 表明東南極內(nèi)陸地區(qū)晚全新世以來氣候狀況較為穩(wěn)定(氣溫波動幅度約為±0.6℃), 且變化趨勢具有一致性[117]。

由于Dome A地區(qū)的積累率較低, 這支109.91 m的冰芯定年存在一定的挑戰(zhàn)。中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院根據(jù)這支冰芯的火山信號確定了冰芯中氣泡的閉合深度為102 m, 結(jié)合火山信號和H-L粒雪化模型, 最終確定冰芯底部的年齡為4009±150 a BP。而由中國極地研究中心開展的另一項工作, 通過火山信號和平均積累率確定了該支冰芯的最終年齡為2840 a。同一支冰芯造成的定年誤差, 可能是由于在底部冰層減薄速率加快, 導致火山信號的鑒別和模型的適用性都受到了限制, 最終導致了該冰芯定年的誤差[66, 118]。近期基于Dome A這支109.91 m的冰芯, 利用冰芯氫氧同位素記錄(18O), 重建了該地區(qū)公元1—2000年的溫度變化歷史, 并探討了該地區(qū)氣候變化的驅(qū)動因素, 這條新的氣候記錄填補了該地區(qū)高分辨率(多年至年代際)氣候記錄的空白。此外, 該研究利用包含Dome A在內(nèi)的7個站點的冰芯18O記錄, 評估了東南極高原區(qū)氣候的總體變化特征及驅(qū)動力[119]。

5.3 北極格陵蘭冰芯研究

我國在北極地區(qū)開展的冰芯研究相對較少, 但利用有限的冰芯數(shù)據(jù)也取得了非常好的研究成果。Xiao等[47]基于國際合作獲取的格陵蘭NEEM深冰芯, 首次重建了過去11萬年生物活性元素鐵序列, 并填補了“Fe假說”在北半球深冰芯數(shù)據(jù)中的空白。研究發(fā)現(xiàn), 過去11萬年中, 格陵蘭NEEM冰芯中鐵元素序列與粉塵濃度同步變化; 且高緯度格陵蘭NEEM冰芯與黃土記錄在冰期-間冰期尺度存在一致性, 間接證實了中亞粉塵對北半球大尺度粉塵輸送的貢獻; 兩者記錄的關(guān)聯(lián)性主要是由北半球65°N太陽輻射所驅(qū)動的。此外, “鐵施肥”效應(yīng)在千年時間尺度具有顯著的不確定性: 在冰期生物活性元素鐵的“施肥效應(yīng)”更顯著, 而在全新世與間冰期“鐵施肥”效應(yīng)相對較小。最后該研究也發(fā)現(xiàn), 盡管工業(yè)革命以來人類活動排放了大量的污染物, 但人類活動排放的污染物并未導致NEEM冰芯內(nèi)鐵的顯著增加[47]。

6 總結(jié)與展望

總體上, 得益于冰芯分析技術(shù)的進步, 極地冰芯研究發(fā)展快速, 并不斷拓展對歷史氣候變化的認識。綜述前人的研究工作, 結(jié)合我國在極地冰芯研究領(lǐng)域開展的工作, 未來極地冰芯分析研究應(yīng)當著重于以下幾個方面。

1. 對冰川物理特性需要重視。例如利用冰微構(gòu)造和組構(gòu)特征, 探究冰蓋或冰川的流動性、晶體學材料的晶粒生長機制及其對氣候變化的響應(yīng)。由于該研究多在深冰芯中開展, 目前我國在該領(lǐng)域的研究幾乎是空白, 應(yīng)該加強該方面的研究。

2. 發(fā)展冰芯氣體及痕量物質(zhì)高分辨率連續(xù)流分析技術(shù)。傳統(tǒng)的連續(xù)流分樣技術(shù), 需要對每一類樣品加入試劑分組處理(如加入相應(yīng)的絡(luò)合劑或熒光劑), 操作復(fù)雜, 不是真正的連續(xù)流技術(shù)。瑞士伯爾尼大學開發(fā)的連續(xù)流與質(zhì)譜、色譜及微粒分析儀器等的聯(lián)用自動化分析技術(shù), 極大提高了極地冰芯氣體、痕量元素、離子及微粒等樣品的分辨率及分析效率, 是開展極地冰芯分析的重要支撐。

3. 大力發(fā)展冰芯定年技術(shù)。發(fā)展精確的冰芯定年技術(shù)是極地冰芯分析的前提, 是深度理解極地氣候變化過程與機制的重要支撐。目前我國在極地冰芯定年技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)取得一定進展(如中國科學技術(shù)大學的ATTA技術(shù)等), 為極地冰芯的準確定年提供了重要的支撐。但還需要探索更多的冰芯定年技術(shù), 這是開展極地冰芯研究的重要前提。

4. 加強北極地區(qū)冰芯的研究工作。北極及格陵蘭冰蓋是極地冰芯研究的重要區(qū)域, 也是全球變化最敏感的區(qū)域之一。在北極地區(qū)開展的冰芯研究也有助于我們深度理解北極氣候變化, 為北極航道開發(fā)等未來國家發(fā)展計劃提供參考。雖然我國目前在北極地區(qū)有冰芯研究工作的開展, 但研究成果卻少而零散, 未來需要加強北極地區(qū)冰芯的研究工作。

5. 加快極地深冰芯的鉆探進度。獲取冰芯是極地冰芯研究的前提, 目前我國的極地深冰芯鉆探項目的深度僅達到800 m左右, 還需要進一步加快深冰芯鉆探的進度。同時, 在南極藍冰區(qū)開展冰芯鉆探, 可解決傳統(tǒng)深冰芯鉆探面臨的成本高和樣品稀缺的問題, 這也是未來極地冰芯研究的突破方向之一。

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Polar ice core-based climate and environmental research: A review and perspective

Liu Ke1,2, Hou Shugui3, Pang Hongxi2, Shi Guitao4, Geng Lei5, Hu Huanting3, Song Jing2, Zhang Wangbin2, Zou Xiang2, An Chunlei6, Yu Jinhai2,

(1Collge of Resource and Environment, Henan University of Economics and Law, Zhengzhou 450000, China;2School of Geography and Ocean Science, Nanjing University, Nanjing 210023,China;3School of Oceanography, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;4School of Geographic Sciences, East China Normal University, Shanghai 200241, China;5The School of Earth and Space Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China;6Polar Research Institute of China, Shanghai 200136, China)

Ice cores record past changes in precipitation, temperature, volcanic activity, and solar activity, and are therefore good proxies for studying global climate and environmental change. Polar ice cores play are unmatched in their capacity to extend the time scale of high-resolution paleoclimate records hundreds of thousands or even millions of years into the past. In recent years, a series of new research advances have been made in the study of polar ice cores, but there is still a lack of a systematic summary on this topic. In this paper, the latest research progress related to polar ice cores is reviewed. We mainly focus on polar ice cores’ physical properties, stable water isotopes, soluble and insoluble substances, and trapped gases. Finally, possible future directions of polar ice core research that could provide important new insights are discussed.

Antarctica, Arctic, Greenland, ice core, climate and environmental record

2020年12月收到來稿, 2021年1月收到修改稿

2020年國家海洋局極地考察辦公室極地科學協(xié)同創(chuàng)新平臺項目(CXPT2020012)、國家自然科學基金項目(42106216, 41830644, 91837102, 42001050)、江蘇省“333高層次人才工程”項目(BRA2020030)資助

劉科, 男, 1989年生。助理研究員, 主要從事極地雪冰化學研究。E-mail: liuke@nju.edu.cn

侯書貴, E-mail: shuguihou@sjtu.edu.cn

10.13679/j.jdyj.20210091