青藏高原冰芯定年方法回顧及新技術(shù)展望

田立德，唐明星

（1.云南大學(xué)國際河流與生態(tài)安全研究院，云南 昆明 650500；2.云南省國際河流與跨境生態(tài)安全重點實驗室，云南 昆明 650500）

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(qiáng)、時間序列長等特點［1］。在極地冰芯，其記錄的時間尺度可達(dá)80萬年［2］，在山地冰芯，報道的最長記錄可達(dá)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(dá)索普冰川與帕米爾的慕士塔格冰川鉆取了海拔高度達(dá)7 000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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(rèn)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(jī)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，冰芯樣品分析的時間分辨率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。此外，還有6根冰芯利用了冰川流動模型對冰芯下部進(jìn)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。

表1 青藏高原主要冰芯及利用的定年方法Table 1 Dating methods of the main ice cores drilled on the Tibetan Plateau

2 青藏高原冰芯定年的機(jī)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(qiáng)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(jìn)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(dá)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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。

冰芯分樣的精度是影響冰芯中下部定年結(jié)果的另一個因素。通常情況下，冰芯是以2～5厘米的間距分割樣品進(jìn)行實驗室分析測試。隨著冰川深度增加，由于冰川流動變形年層減薄，一個年層的樣品數(shù)量太少不足以識別出季節(jié)信號。因此，數(shù)年層的方法只針對于冰川的上部，其定年精度與冰芯中季節(jié)信號的強(qiáng)弱有關(guān)。冰芯上部定年結(jié)果的驗證可以通過放射性標(biāo)志層的深度來確定，這些放射性事件（熱核實驗、切爾諾貝利核泄漏事件）會在冰芯中相應(yīng)位置被記錄下來，利用總β活化度、137Cs、3H的濃度峰值可準(zhǔn)確確定這一標(biāo)志層。冰川中下部通常利用冰川流動模型定年，由于冰川邊界和下伏地形的復(fù)雜性，冰川流動模型的定年結(jié)果隨深度增加不確定性增大。以前對于冰芯底部定年缺乏有效的絕對定年手段，只有個別冰芯底部有有限的14C定年結(jié)果，利用36Cl進(jìn)行冰芯定年不確定性太大，而光釋光技術(shù)也只能用來限定冰芯底部冰的年齡［33］。

由于在最早的冰芯研究中缺乏可靠的絕對定年手段，且存在認(rèn)識的時代局限性，建立的冰芯時間序列的準(zhǔn)確性存在一些問題。但隨著技術(shù)的發(fā)展，對冰芯年代的認(rèn)識在不斷提高。敦德冰芯最初認(rèn)定時間尺度可達(dá)數(shù)萬年［20］，但后期發(fā)現(xiàn)可能只有6 000多年［21］。古里雅冰芯目前被認(rèn)為是中低緯度鉆取的時間尺度最長的冰芯［3］，但石筍同位素記錄［41］與其他冰芯同位素對比研究［42］對這一結(jié)果提出了不同看法。

2.2 高分辨率冰芯定年結(jié)果的機(jī)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加可靠的長時間尺度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，有望建立可以與其他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)整以及與其他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(jìn)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他記錄對比的，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”（Atom Trap Trace Analysis，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(jìn)一步驗證冰芯定年結(jié)果的一種方法。

3.1 高分辨率冰芯測量技術(shù)

測量技術(shù)與測量手段的提高不斷拓展冰芯研究的內(nèi)容。特別是冰芯的連續(xù)測量系統(tǒng)的建立，為重建更高頻氣候事件研究提供了解決方案。

與以前通過切割冰芯樣品塊不同，通過激光吸收光譜技術(shù)和連續(xù)流技術(shù)可以實現(xiàn)冰芯中氫氧穩(wěn)定同位素的連續(xù)測量［47］。現(xiàn)在一根冰芯可以測量達(dá)數(shù)百萬個同位素數(shù)據(jù)，這一技術(shù)把長時間尺度氣候變化的精度提高到了年代際甚至季節(jié)變化。在南極WAIS Divide冰芯的水體同位素研究中，已重建了整個全新世以來的年際變化信號，分辨出了末次冰期時年際尺度到年代際尺度的南方濤動（ENSO）高頻波動［48］。

利用激光剝蝕等離子體質(zhì)譜技術(shù)（LA-ICPMS），可以直接對固態(tài)冰芯進(jìn)行多達(dá)30多種元素的連續(xù)測量，精度可以達(dá)到4 mm［49］甚至微米級，而且不會破壞樣品。這種精度足以探測冰芯底部年層中的季節(jié)變化信號。用這種方法在格陵蘭冰芯的深部可以識別出以前用化學(xué)方法無法辨別的年層［50］。

3.2 惰性氣體放射性同位素定年

在青藏高原，除個別極高海拔與極低氣溫鉆取的冰芯（如達(dá)索普冰芯［51-52］與慕士塔格冰芯［53］）之外，大部分冰芯鉆取點位置的降雪密實化過程很快，冰芯中包裹氣體與冰芯中冰的年齡一致，可直接利用冰芯包裹氣體放射性同位素定年。

惰性氣體化學(xué)性質(zhì)與物理性質(zhì)穩(wěn)定，而且只存在氣態(tài)，因而惰性氣體放射性同位素可以作為理想的定年手段［54］。常用的3種惰性氣體同位素（81Kr、85Kr、39Ar），其定年尺度涵蓋了幾年～1 000年、數(shù)萬年～140萬年的定年區(qū)間。但這些惰性氣體同位素濃度極低，通過測量放射記數(shù)的方法需要巨量的冰樣，無法在實際中得到應(yīng)用。“原子阱痕量分析”技術(shù)（ATTA）是基于數(shù)原子個數(shù)的方法來探測環(huán)境樣品中的81Kr、85Kr和39Ar［54］。

81Kr形成于高層大氣宇宙射線激發(fā)常規(guī)Kr裂變，81Kr的半衰期長達(dá)22.9萬年，因而可以認(rèn)為其在大氣圈中均勻分布，而且在過去150萬年變化很小［55］。81Kr首次用于南極泰勒冰川表面出露老冰的定年，確定了4個冰川冰樣品的年齡最老可達(dá)12萬年。這一結(jié)果也為南極藍(lán)冰區(qū)和冰蓋邊緣老冰樣品的定年鋪平了道路［55］。在中低緯度高山冰川，81Kr放射性同位素方法首次用于古里雅冰帽邊緣底部老冰的定年，發(fā)現(xiàn)8個冰川冰樣品估算的最老年齡介于1.5～7.5萬年之間，比以前冰芯確定的冰川最老年齡低一個數(shù)量級。

39Ar的半衰期為269年，其定年范圍為100～1 000年左右，特別適合于高山冰川千年尺度的定年。但其同位素豐度更低，只有10-16，測量難度更大［56］。ATTA方法可以用于測量39Ar［56］，而且隨著技術(shù)水平的改進(jìn)，測量效果不斷提高［57］。在阿爾卑斯山冰川底部取得的冰川冰樣本的39Ar的定年結(jié)果與14C結(jié)果一致，顯示了39Ar方法在千年尺度冰芯定年的應(yīng)用前景，為準(zhǔn)確重建過去千年尺度氣候環(huán)境變化提供了技術(shù)支持［58］。

開展冰芯樣品惰性氣體放射性同位素定年的局限性主要是對于冰量需要仍較大，往往需要數(shù)公斤到數(shù)十公斤的冰樣，還取決于冰中的氣體含量。隨著ATTA測量技術(shù)的提高，對冰的樣品量的要求逐漸降低，這些方法為冰芯絕對定年提供了一個新的選擇。

3.3 14C（DOC）定年

碳的半衰期是5 730年，非常適合用來進(jìn)行高山冰芯定年。但由于從冰芯中發(fā)現(xiàn)的碳含量很少，從冰芯中提取足量碳，并且保證提取效果與防止外界污染，仍存在技術(shù)障礙，因此以前的冰芯定年結(jié)果很少利用14C的方法。只有在敦德冰帽與普若崗日冰芯底部有單個的14C加速質(zhì)譜的定年結(jié)果［21］。目前通過技術(shù)創(chuàng)新，利用少量的冰就可能提取出足夠的碳進(jìn)行14C測定，有可能使14C定年方法在冰芯研究中得到更多應(yīng)用［59］。例如，利用不溶性顆粒有機(jī)碳（WIOC）通過加速質(zhì)譜對崇測冰芯樣品定年，發(fā)現(xiàn)該冰帽的冰形成于全新世［19］。由于冰川所處位置大多遠(yuǎn)離碳源，可溶性有機(jī)碳（DOC）含量是不溶性有機(jī)碳的5倍，從冰芯中提取DOC開展14C定年技術(shù)取得了進(jìn)展。基于新設(shè)計的設(shè)置，包括超凈環(huán)境、紫外線照射氧化技術(shù)，可以使用350 mL的冰芯樣品，進(jìn)行碳含量低至～25μg·kg-1的冰芯樣品的14C定年，適合山地冰川冰芯定年研究［60］。

3.4 放射性同位素氚（3H）定年

3H的半衰期為12.43年，3H的來源包括太陽活動和人類活動。自然界的3H是宇宙射線與高層大氣間作用產(chǎn)生，人類活動則主要通過熱核實驗生成3H。由1962年熱核試驗形成的3H峰值是驗證冰芯上層定年結(jié)果的重要放射性標(biāo)志層，并被廣泛應(yīng)用于青藏高原冰芯定年［34，61］。自然界中3H的本底濃度極低，但熱核試驗造成的人工3H輸入大氣濃度使得自然界3H的濃度增加了2～3個數(shù)量級［62］，因而降水中天然形成的3H的濃度變化無法檢測出來。

與宇宙射線相關(guān)的同位素成分往往都與太陽活動的周期呈反相關(guān)關(guān)系。太陽表面的磁場變化存在11年的周期（太陽黑子數(shù)量變化周期），而到達(dá)地球的宇宙射線強(qiáng)度與太陽磁場有關(guān)。在核時代之前自然形成的3H濃度已很低，但是可以通過新的測量技術(shù)，如3He增強(qiáng)技術(shù)測量出來［63］。現(xiàn)在不乏全球降水中3H的時間變化序列，對時間序列分析可以發(fā)現(xiàn)（12.4±1.8）年的周期，與太陽活動11年周期一致，如果通過計算方法消除核排放的影響，這種11年的周期更加顯著，并且降水中3H的太陽活動周期并不明顯受到人類核物質(zhì)排放以及水循環(huán)的影響［62］。由于自然界中保存的3H在不斷衰變，其濃度不斷降低，從測量技術(shù)上把測量的精度提高到0.005 TU或更好，有可能在冰芯定年研究中得到應(yīng)用。如果從冰芯樣品中測量出3H的周期性變化，有可能把過去200年以內(nèi)的冰芯記錄定年精度提高到1～2年的誤差范圍，為高時間分辨率冰芯記錄研究帶來了曙光［62］。

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“原子阱痕量分析（ATTA）”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(jìn)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(jìn)冰芯研究的發(fā)展。