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从氧同位素一题说开来

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  一片哀嚎的题目,但是真的很有意义。因为它关乎一个人。

  姚檀栋

  姚檀栋,1954年7月出生于甘肃通渭,中国科学院青藏高原研究所所长。姚檀栋主要从事冰川与环境变化研究,开拓和发展了中国的冰芯研究。2017年获得维加奖,是首位获奖的中国科学家,也是获此殊荣的首位亚洲科学家。得奖是实至名归,做的是艰苦的工作,带的是战斗力强的队伍。青藏高原研究所的野外工作危险系数挺高,听说做冰川的要是出意外掉冰缝里,尸体弄不上来。我就服干起活来玩命撸的老前辈,都是行走着的教课书啊。提及冰芯就会提到施雅风、姚檀栋,施先生之后就自然是姚院士扛大旗了。青藏高原是座宝库,总得需要大师找到钥匙。国内做冰芯的被关注度也不够高,得了奖正好吸引一下大家目光。出个题,大家也都这方面从我这里听说听说。

  冷战时期美国在北极圈修了一系列的雷达站,组成了一个北的警戒线(Distant Early Warning Line,DEW),俗称the Wall,专门抵抗野人和白鬼... 不是,专门应对前苏联在军事上的威胁。

  DEW向东延伸到格林兰南部的区域,也有几个雷达站。上世纪70年代一批以欧洲为主的古气候学家在其中一个雷达站开始了Dye3钻孔,取了300多米的冰芯,并从此开始GISP(Greenland Ice Sheet Project)的早期工作。之后的近十年期间在附近区域陆续又打了20多口钻,钻取平行冰芯补全沉积序列,但深的也就400m,毕竟是冰盖边缘。

  得到的冰芯按序列测量一系列指标作为古气候的替代指标,包括18O,CH4,粉尘等,不仅能重建古气温,还能反映古大气成分。沉积速率快的冰芯可以精细记录到年纹层,例如这段十几厘米长的冰芯分辨率极高,白色的是夏季降雪层,深蓝的是冬季降雪层,吊的简直要爆炸。

  冰芯可控的时间尺度虽然只有十几万年,但是分辨率非常高,比深海沉积高出一个量级。但对多数地质研究人员来说,时间尺度很重要,晚更新世以内的数据还是太局限,所以多数还是引用深海沉积和黄土资料。90年代冰芯研究进展很快,格陵兰值得研究的区域都被打钻了,在北半球很多地方都开始了冰芯研究。

  当然,也少不了我们的宝库青藏高原,极地圈以外大的冰川分布区。姚院士90年代就开始国内的冰川气候研究了,祁连山的敦德冰芯,西昆仑的古里雅冰芯,这俩平时经常有人提及,早期的主要冰芯资料不少都被合作者Thompson给署名发表了,姚院士的成果看起来更偏环境方面一些,所以引用量不够高。你看同是古气候的诸位黄土院士,数据被引量还是很傲娇的。

  在冰芯研究中已发展了许多定年方法,包括冰川动力模型法、季节层位法(、可溶离子成分、不可溶微粒含量、ECM等)、参考层位法(火山喷发、核试验、特殊气候事件、宇宙同位素事件等)、记录对比法(与深海记录、湖泊记录等的对比)及放射性同位素法(冰芯气泡中COZ的14C、气泡中的39Ar、冰芯样品中的36CI等)。视冰川的具体情况,不同的冰川可以用不同的定年方法。

  (1)物理特征和化学成分的季节变化由于气候环境的季节差异,不同季节的冰川表面特征及降水化学存在一定的差别。根据雪冰层中物理、化学参数的这种季节变化特征,就可以数出冰芯所包含的年层个数,尤其是在净积累率较高、消融微弱、气候环境季节状况差异大的地区。因此这种方法对古里雅冰芯上部定年是很有效的。

  (2)污化层或微粒含量在我国西部地区,沙暴、浮尘天气主要出现在春初到夏季,一年当中这一时期的雪层中微粒含量较高,并可以形成肉眼可见的污化层,而寒冷的冬季由于积雪面积较大和表层土壤冻结,雪层中的微粒含量相对较低。因此在青藏高原北部冰芯中,可依据微粒含量的这种季节变化特征进行年层划分。以前的研究发现,污化层明显地出现在春季雪冰层内,而且一年一个,于是污化层也是古里雅冰芯年层划分的依据之一.

  (3),水体中稳定氧同位素比率的变化主要受控于降水时气温、水汽来源和降水云系的发展历史。地学中的同位素地球化学技术,为通过冰样分析了解气候奠定了基础。冰样其实对气候有很好的反映,这是种比较敏感的气候指标沉积物,曾经看过冰芯内沉积物同位素特征与天文周期很好的对应的研究成果(米兰科维奇旋回)。现在,南极冰芯记录已经延伸到80万年以前。青藏高原北部地区现代降水中研究发现,其值夏季较高,冬季较低,呈现明显的季节特征。这一点在古里雅雪坑剖面中也有明确的反映。因此是一个理想的定年方法。以上这些方法,都适合于冰芯上部高分辨率定年。对于更长时间尺度的低分辨率断代部分,要用其它方法。

  (4)古里雅冰芯研究中应用了36CI测年,其目的主要是为了确定该冰芯底部冰的年龄。36CI主要是高能宇宙射线的产物,同时宇宙射线热中子与35CI作用亦可形成36CI。36CI常常吸附在气溶胶表面,并通过干、湿沉降过程降落至冰川表面,形成冰芯记录。其半衰期为3.0xI0的5次方a。古里雅冰芯中36CI测定是由瑞士J.Beer通过加速器测定的。为了求得古里雅冰芯底部冰的年龄,遇到的大问题是如何确定36CI的初始浓度,这也是放射性同位素测年普遍存在的一个问题。为了尽可能避免各种因素的影响,古里雅冰芯中’6CI的初始度是用其上部260m(时代跨距超过0.IMa)内11段冰芯样品中’6G的平均值(其中去掉了37000aB.P.时的极端值)来近似的。

  (5)冰晶特征本身,就已经可以反映气候了,不同冷热条件下的冰特征有差异,如粒度、层理结构差异等。

  (6)生物遗体或生物个体这个是冰层研究里有趣味的内容。很多地质历史时期的小个体生物,会被埋在冰层中,并保存完好。有些古细菌等甚至可以继续存活,这当然会对我们这些对古细菌没有免疫能力的现代人类有威胁,但在可控条件下进行研究很有意义。

  (7)孢粉、花粉等也是反映古气候的很好的证据,尤其是在大陆冰川高山冰川里。

  (8)冰芯气泡中的气体成分和含量可以揭示大气成分的演化历史;

  同时,现在更多的技术已经应用到冰样研究里,如“气体稳定同位素质谱、等离子体质谱仪、离子色谱仪、气相色谱仪、毛细管电泳仪、电导仪、纵列加速器、旋转式结构分析仪、扫描电子显微镜以及各种独特的野外测量仪器等”。

  其他的指代物还有很多;

  然后,重点拓展来了:注意各种的优缺点:

  其实做古气候的手段非常之多,冰芯只是其中之一。
古气候还有其他很多手段,我简单介绍一下,包括黄土、石笋、树轮、湖芯(湖泊沉积物)、海底岩芯、珊瑚、孢粉、碳屑、气孔器、硅藻、摇蚊幼虫亚化石、介形虫、其他动植物化石,种类非常之多。

   (2)石笋由于利用其中的化学元素铀、锶、氧等同位素值会对降水、气温波动进行反映,可以做的很多,著名的有葫芦洞、董哥洞的石笋,填补了中国东部地区古气候中更新世氧同位素气候精确记录的空白,意义重大。溶洞一般受地质和气候条件影响,热带、温带有分布,寒带很少,要求岩溶地区(有石灰岩),它的优点是时序精度高、连续性好,缺点是时序不是特别长(一般1-2万年,之前精度就不好保证了),受溶洞沉积时间、位置限制性(不可能有老于溶洞有水滴溶的时间,如果气候干旱无水源会中断,降水气温较好热带、温带湿润区的岩溶地区溶洞才较多。一般石笋剖开,切成很细(1毫米)薄片进行检测灰色的是化学元素丰富层序。

  3.树轮(tree ring),也就是树木的年轮,在树干的横截面可以看到一圈圈变大同心的木质轮纹,年轮是新的维管束形成层增长而形成的。在两条轮纹之间,内侧部分在春季生长,生长速度较快,质地也较为疏松(成为早材),外侧部分主要是夏季生长的(有时秋季也生长),质地较为致密(称为晚材)。年轮一般一年生长一圈,对于气候的反映十分良好,在温暖湿润的年份(季节)间隔较宽颜色也较浅,在寒冷干燥的年份(季节)间隔较窄且颜色较深。正是这样,年轮的时间连续性很好,时间精度很高(因为早材和晚材区分可以精确到季节),缺点是由于树木的生长年份有限,记录的长度较短,古树的年份一般也只能达到数千年。而且,古树的数量较少,采样寻找相较于其他记录物也较困难。正是由于古树的记录价值大,经济文化价值高,树轮采样一般是在树干横向的中轴线上钻取横截面直径长度的小孔进行测年和分析,对树木破坏很小(大家不要为古树担心)。

  树轮照片,根据颜色深浅和位置可看出明显的早材和晚材之分。根据宽度也可以判断当年降水。正是因为树轮的生长时间较短,为了找到精确地古气候记录,机智的古气候学家们,找到了一些神奇的方式方法:有“古墓派”,到处找寻保存较好的木质墓碑和棺木,古代棺木一般用料很足,选取的木材年份也比较长,讲棺木和木质墓碑取样以后经定年确定起始和终止年份,中间的记录就可以用来判断这一段时间的气候,通过多次采样如同拼图一般就可以构建某一地区较长时间的树轮气候记录;“沉木派”,利用因洪水、地震和泥石流、滑坡,埋于地下的木材,因缺氧、高压而不腐(类似于阴沉木,但是阴沉木年代更久,碳化更严重),挖掘出后同样用定年,取得该树木生长段的气候记录。树轮是目前很热的古气候研究手段之一,兰州大学和北京地理所这一块做得很好,之前有看到知友是做这个的,国外北美地区橡树生长年份较长、树木较多,所取得的记录非常好。

  4、湖泊沉积物(Lake sediment),湖泊沉积物是众多沉积物的一种,由于一些湖泊的形成年代久远,以及其水环境的封闭性较好,在水域周边的地表侵蚀物和水体中生物(动物-有孔虫等、植物-硅藻等)残体以及降水中的化学物质等在重力作用下沉积下来,一层层形成湖泊沉积物。湖泊沉积物包含的碳氮氧同位素、沉积物粒度、孢粉、有孔虫、摇蚊、叶绿素、磁化率、硅藻的壳体和其他化学元素等指代物(包含的指代物确实很多)能够反映不同时期的气候演化情况,因而成为古气候研究的良好载体。

  其优点是包含的指代物多、分辨率较高、连续性较好,缺点是相较于其他古气候载体容易受自然<(地震、动物活动)和人为扰动(人为的围湖造田、水产养殖清淤、莲藕种植翻动,在野外找到一个合适的湖就要问当地人有没有清过淤),所以像青藏高原上的人迹罕至的高原湖泊成为古气候的研究宝地。