极地冰芯气候及环境记录指标研究现状与展望

刘科 侯书贵 庞洪喜 史贵涛 耿雷 胡焕婷 宋靖 张王滨邹翔 安春雷 于金海

研究进展

极地冰芯气候及环境记录指标研究现状与展望

刘科1, 2侯书贵3庞洪喜2史贵涛4耿雷5胡焕婷3宋靖2张王滨2邹翔2安春雷6于金海2

(1河南财经政法大学资源与环境学院, 河南 郑州 450000;2南京大学地理与海洋科学学院, 江苏 南京 210023;3上海交通大学海洋学院, 上海 200240;4华东师范大学地理科学学院, 上海 200241;5中国科学技术大学地球和空间科学学院, 安徽 合肥 230026;6中国极地研究中心, 上海 200136)

冰芯记录了自然和人类活动等各种因子的变化, 是研究全球气候变化和环境变化的良好载体。极地冰芯可以将高分辨率古气候记录的时间尺度延长至过去几十万年, 具有重要的科学意义。近年来, 极地冰芯在气候及环境记录上取得了一系列新的研究进展, 但尚缺乏系统的总结。本文对极地冰芯的研究进展进行了梳理, 从冰芯物理特性、冰芯氢氧同位素、可溶及不可溶物质理化特征、冰芯气体等方面进行了概述, 重点关注了最新分析方法在极地冰芯中的应用。最后对极地冰芯研究的未来发展方向进行了展望, 以期为今后深入开展极地冰芯气候及环境记录研究提供参考。

南极 北极 格陵兰 冰芯 气候及环境记录

0 引言

冰芯记录以其分辨率高、时间尺度长、信息量大、保真度高等特点, 成为研究全球气候变化的重要方法之一[1]。通过冰芯记录不仅可以检测过去与现代气候环境变化, 而且也能探究影响气候变化的不同驱动因子(如太阳活动、火山活动及温室气体等)的变化。此外, 冰芯也记录了人类活动对环境的影响[2]。1966年, 科学家在格陵兰冰盖世纪营地(Camp Century)钻取的冰芯, 拉开了冰芯研究的序幕; 1968年, 在南极冰盖伯德站(Byrd Station)钻取了南极第一支透底冰芯。随后在南北极又开展了大量的深冰芯钻探计划, 如南极东方站(Vostok)、冰穹C (Dome C)、冰穹F(Dome F)、西南极分冰岭(WAIS Divide)、南极点(South Pole)及格陵兰的GRIP、GISP2、NGRIP、NEEM、EGRIP冰芯等(图1)。极地冰芯中, 格陵兰冰芯具有分辨率高的特点, 已经获取的冰芯记录揭示末次冰期出现了快速的气候变化规律, 为深入了解全球气候变化做出了重要的贡献[3]。南极冰芯具有时间尺度长的优点, 如Dome C深冰芯记录了过去80万年的气候变化[4]。中国的极地冰芯研究始于20世纪80年代。我国在冰穹A(Dome A)地区昆仑站开展的深冰芯钻探(图1), 是目前最有希望获取100万年以来连续冰芯记录的冰芯钻探计划[5-6]。

图1 格陵兰冰盖及南极冰盖主要深冰芯钻取点

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

极地冰芯研究具有研究周期长、学科交叉性强的特点。因此在进行极地冰芯分析时制定合理的分析方案是极地冰芯研究的前提。图2展示格陵兰NEEM冰芯的分样方案, 该冰芯的分析方案包括了极地冰芯常规的分析指标和研究内容。结合NEEM冰芯的分析方法及研究内容, 我们将从冰芯物理特征、氢氧稳定同位素、可溶与不可溶物质的理化特征及冰芯气体等几个方面对极地冰芯气候及环境记录进行概述。

图2 格陵兰NEEM冰芯分样方案

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(如冰组构、晶粒大小及朝向、冰层颜色、密度、电导率及冰芯钻孔温度等)是冰芯研究的重要组成部分[7-11]。Eichler等[8]利用光学显微镜和拉曼光谱显微镜对南极EDML和格陵兰NEEM冰芯中的晶粒特征及朝向进行了详细的分析(图3), 研究发现晶粒的边界和包裹体之间没有明显的相关性, 即晶粒边界不会影响包裹体的分布, 包裹体也不会通过恒变模态限制晶粒边界的迁移。Shigeyama等[10]利用冷冻扫描电镜耦合能量色散X射线光谱仪对格陵兰NEEM冰芯不同气候时期的514个微结构样品进行了分析, 并对数据进行了分类汇总, 此数据集还包含了X射线计数、比重、原子比等众多数据, 为气候环境记录与冰芯物理特征之间的关系研究提供了重要的基础数据。极地冰芯的冰层颜色因其具有季节变化特征, 可用来辅助定年, 在格陵兰冰芯中有着广泛的应用。冰芯微构造和组构特征能反映温度和应力等物理性质, 对提高冰盖或冰川的流动性、晶粒生长机制及其对气候变化的响应具有重要的作用[12-13]。对南极毛德皇后地DML深冰芯进行微结构研究发现, 根据边界条件及三轴形变等, DML冰芯可以分成5个阶段的变化特征: (1)冰芯顶部～450 m深度, 冰芯宏观特征呈现气泡压缩和局部再结晶的特征; (2)450～1700 m深度, 以带状晶格优选方位为主, 带状平面垂直于晶粒伸长方向, 显示出以水平拉伸为主的三轴变形; (3)1700～2300 m深度, 呈现出三轴变形到应力剪切作用主导之间的过渡状态; (4)2030～2385 m深度, 应力剪切作用主导; (5)2385 m深度以下, 强应力剪切作用下, 晶粒形态优选方位和强烈的扭曲折叠作用影响显著[13-14]。理解极地冰芯微构造和组构随冰芯深度变化一直以来都是具有挑战性的研究工作。在极地冰芯中, 通常认为正常晶粒生长、多边形化/旋转再结晶、应力作用导致的边界条件变化是主导冰芯从顶部到底部的3种主要演化方式[12]; 也有学者认为3种机制贯穿于整个冰芯的形成过程[15]。近年来, 德国Alfred Wegener Institut(AWI)研究所开发了Ice-CT冰芯成像设备, 通过X射线微聚焦耦合计算机成像系统能够对冰芯进行2D扫描及3D成像, 样品分析的分辨率可达2 μm。此外, AWI还开发了成套的微结构分析仪(Fabric Analyzer), 利用偏振光显微镜和计算机实现自动控制偏振器、观察方向及样品自动定位等, 实现对冰芯微结构的快速高效分析, 具有极其广阔的应用前景。我国在极地冰芯电学性质、导电率测量技术及介电剖面法对于冰芯电学性质影响等方面取得了初步的进展[16-17]。在冰芯微结构方面, 厉愿等[12]利用德国自动组构分析仪 G50 对东天山庙儿沟冰芯进行了初步分析, 并对其特征和所蕴含的意义进行了探讨。目前, 中国极地研究中心也配备了自动组构分析仪 G50, 为极地冰芯微结构和组构研究奠定了一定基础。

图3 南极EDML冰芯2371.9 m处冰芯横截面微结构及内部包裹体分布图(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 冰芯氢氧稳定同位素

冰芯稳定同位素主要包括18O和D, 最早由Dansgaard[18]定义并应用到冰芯定年及气候变化记录中[18-19]。由于极地冰芯中的氢氧稳定同位素和当地的温度密切相关, 因此基于极地冰芯中的氢氧稳定同位素记录可以进行古气候的重建[20]。南极Dome C冰芯重建了过去80万年的温度变化, 是目前全球冰芯中时间尺度最长的连续气候记录, 记录了过去8个冰期-间冰期旋回[21]。格陵兰冰芯由于积累率高, 记录的温度变化的时间尺度相对较短, 如GRIP冰芯和GISP2冰芯的深度分别达到了3022 m和3050 m, 然而只记录了过去十几万年的温度变化[22], 最新钻取的格陵兰NEEM冰芯也仅仅记录了过去～13万年的气候记录[23]。然而格陵兰冰芯由于其积累率高, 可根据冰芯的氢氧同位素记录探究短时间尺度的气候突变事件(如D-O循环等)[24]。此外, 冰芯稳定同位素由于其显著的季节变化特征, 可以在冰芯中形成稳定的周期循环, 基于此可以对冰芯进行年层的划分[25]。在极地冰芯定年中, 位于沿海及高积累区的冰芯, 依据氢氧稳定同位素进行年层划分, 可以进行较长时间尺度的冰芯定年。表1对比了南极和格陵兰7支典型深冰芯中用到的主要定年方法, 值得注意的是,18O定年方法在不同积累率的冰芯定年中均被使用。但18O在深冰芯定年中的应用非常有限, 在冰芯底部减薄速率加快后, 需要借助更多的指标来辅助定年(表1)。在格陵兰NEEM冰芯中, 通过冰芯物理特征、等时层数据等发现了冰层底部(2200 m以下)发生冰层褶皱和不连续的现象, 研究者通过冰芯的18Oatm、CH4等指标与NGRIP 及 EDML冰芯比对, 最终确定了NEEM冰芯的底部年龄[23]。

目前, 极地冰芯同位素在古气候记录方面已经取得众多研究成果, 极地冰芯同位素的研究开始更多地关注基于冰芯的过量氘记录(定义为 dexcess=D−818O), 并结合简单瑞利分馏同位素模型或大气环流同位素模型进行水汽源区环境条件定量重建的研究[20]。近年来, 研究者发现极地雪冰中的过量氘不仅受蒸发过程中非平衡动力分馏控制, 还受到平衡分馏过程中温度和水汽凝结过程对同位素值本身的影响, 因此提出了过量氘的对数定义和指数定义[20]。格陵兰 NEEM冰芯过量氘记录研究显示, 相较于线性定义, 在高纬度地区冰芯中过量氘的对数定义可以更好地衡量非平衡动力分馏[39]。

表1 极地代表性冰芯的定年方法

近年来, 随着水体中氧同位素测试精度的提高, 可以对冰芯中17O进行准确测定, 从而定义了一个新的二级参数: 过量氧-17(17Oexcess),17Oexcess=106×ln(18O/1000+1)–0.528×ln(18O/1000+ 1)。由于过量氧-17对源区的温度并不是很敏感, 主要受水汽源区归一化的相对湿度控制, 因而用来重建水汽源区的相对湿度变化更有优势[40]。此外, 极地冰盖内陆地区由于温度较低, 水汽过饱和度对过量氧-17和过量氘的影响显著[41]。因此将过量氧-17和过量氘结合, 有助于加深我们对低温水汽过饱和条件下稳定同位素动力分馏过程的理解, 这对揭示极地冰盖内陆冰芯同位素的气候意义至关重要[40]。总之, 过量氧-17作为一个新兴指标, 日渐成为极地冰芯同位素研究领域的热点话题之一。

3 冰芯可溶与不可溶物质的理化特征

3.1 不溶微粒

作为极地冰芯研究的一个重要指标, 不溶微粒在揭示古环境和古气候信息中起着很重要的作用。此外, 冰芯中微粒含量的季节变化也可用于冰芯年层的划分, 微粒的矿物和粒径特征可以用于源区以及大气本底值的研究[42-43]。另外, 微粒记录中还包含了火山、沙尘暴以及人类活动等特殊事件的信息[44-45]。南极EDC冰芯微粒记录了过去8个冰期-间冰期大气粉尘浓度的变化, 是目前时间尺度最长的冰芯记录; 此外EDC冰芯记录的粉尘通量与大气CO2浓度在冰消期的不同步, 表明了南大洋铁施肥效应可能不是该时期大气CO2浓度变化的主导因素[4, 46]。格陵兰NEEM冰芯微粒中铁的浓度研究显示, 过去11万年冰芯微粒变化与黄土记录存在高度一致性, 证实了中亚大气粉尘长距离传输是北半球高纬度粉尘的主要来源[47]。格陵兰SIGMA-D冰芯的短时间尺度微粒记录显示, 微粒矿物年代际和多年代际的变化可以揭示格陵兰冰芯粉尘在过去100年受到来自不同源区粉尘的影响, 而且粉尘矿物的丰度很大程度上受到格陵兰地表气温的影响[42]。在过去的50年间, 极地冰芯微粒的分析工作已取得了丰硕的成果。通常极地冰芯中微粒的测量方法包括: 采用库尔特颗粒计数仪进行微粒数量的测定; 采用光学显微镜和电子探针显微镜与XEDS的元素分析结合进行单颗粒分析; 采用XRD、MC-ICP-MS及热电离质谱进行矿物学、同位素分析(如Sr、Nd、Pb、Hf等同位素分析); 利用电子显微镜进行火山玻璃体等大颗粒微粒分析等[48]。目前, 极地冰芯微粒的研究已经从浓度、粒径及形态为主, 逐步过渡为关注微粒矿物及利用微粒代用指标(Ca2+及Fe元素)及同位素来探索微粒来源及现代过程的研究。此外, 除了对极地冰芯微粒进行离散样品分析外, 基于连续流技术开展冰芯微粒分析是目前极地冰芯研究应该重点关注的问题, 如格陵兰NEEM冰芯在野外钻取后, 现场进行连续流微粒样品的分析, 极大提高了冰芯的分析效率和样品的分辨率[49]。

3.2 痕量元素

极地冰芯中的痕量元素对认识地球大气环境中重金属污染的规模和历史、揭示污染物质的来源及传输过程具有重要的作用[50-51]。目前, 依据同位素指纹信息分析冰芯中典型污染物(如Hg等)的来源、沉降及影响受到人们的普遍关注[52]。基于南极EDC长时间序列的冰芯记录, Jitaru等[53]重建了东南极过去670000年来的汞沉积记录, 分析了冰期-间冰期旋回期间南极汞的沉积记录和影响机制。Chang等[54]根据南极内陆Dome A及Dome F雪冰中的Pb同位素, 确定了南极内陆雪冰中的Pb污染物主要受到南美洲铜矿冶炼工业的影响。近年来, 随着激光剥蚀技术与质谱的联用技术(LA-ICP-MS)的发展, 冰芯中痕量元素分析的方法获得了较快的发展[55], 使冰芯中痕量元素的采样分辨率提高至亚毫米级别(图4)[56]。在此基础上, Spaulding 等[57]又开发了使用LA-ICP-MS进行多元素(Al、Ca、Fe、Na、Mg、Cu、Pb)分析的方法, 提高了分析效率, 同时使利用多元素浓度的季节变化特征来获取冰芯中、下部年层厚度成为了可能。该方法在极地冰芯定年及超高分辨率痕量元素分析方面能发挥重要的作用, 此外该方法由于使用激光剥蚀技术, 实验过程中对冰芯的消耗量几乎可以忽略(图4), 剩余的样品可以继续用作气体或连续流指标分析, 在极地冰芯中具有广阔的利用前景。除了在测试方法上的突破, 近年来一些重金属(如Re-Os、Hg、Pb)同位素在极地冰芯中的应用, 也使得我们对典型污染物的来源有了新的认识[58]。利用痕量元素同位素技术确定南极痕量元素的来源及传输过程, 量化人类活动对南极重金属污染的贡献, 并探索各种物理化学过程对重金属沉积后过程的影响, 将会成为南极冰芯中痕量元素研究的未来主流方向[59-60]。

3.3 离子

图4 LA-ICP-MS分析技术在冰芯中应用的示意图。该图根据缅因大学气候变化所的研究成果绘制, 右下深蓝色圆圈代表激光在冰芯上剥蚀的光斑直径(100 μm), 取样分辨率可达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 冰芯微生物及有机物指标

极地冰川表面生活着大量的微生物, 这些微生物也会被保存到冰川内部, 成为一种重要的冰芯记录。冰芯中微生物的数量与种类及其基因组分的变化, 可能包含了过去环境变化的信息和古老微生物演化的信息[75-76]。目前, 在极地冰芯中发现的微生物主要包括细菌、病毒、藻类和真菌, 其中细菌的数量最多。基于极地冰芯微生物研究发现, 冷期时冰芯中微生物数量较多, 而在暖期微生物数量低, 这与冷期时大气中粉尘含量较高有关, 冰期冰芯中粉尘含量高使冰芯中微生物数量增多[75, 77]。目前, 在格陵兰不同年代的冰芯样品中均发现了多种番茄花叶病毒的RNA[78], 在南极冰芯样品中也发现了类似病毒颗粒[79]。在极地冰芯中发现的产甲烷的古菌, 因其产生甲烷对温室效应具有一定贡献, 近年来备受关注。研究者通过高通量测序技术、图纹技术及分子杂交技术对极地产甲烷的古菌开展了详细的研究, 然而在低温环境中甲烷菌产生甲烷的机理及其在全球变化中的响应方面需要进一步的深入研究[80]。在格陵兰NEEM冰芯中, 研究者使用荧光微球体对冰芯不同层位进行了长达2.5年的渗透模拟实验, 研究发现在冰芯的碎冰区, 冰芯微生物极易受到外界环境的污染, 该研究为深冰芯微生物分析提供了重要的参考[77]。在南极泰勒冰川附近的Mullins和Beacon山谷中的埋藏老冰中10万年和～800万年的微生物种群的信息, 间接反映了Beacon山谷中的埋藏冰是在南极发现的最老的埋藏冰[81]。目前冰芯中微生物研究面临的问题是, 在全球变暖的背景下, 冰川消融引起的极地微生物生存环境的变化如何影响微生物群落及其代谢状况尚不清楚。此外, 冰川内部的古老病毒是否会随冰川的消融而释放并威胁生态系统和人类健康, 也是值得深入研究的方向。

冰芯中有机指标(如野火)对理解生态演化过程非常重要[82]。近年来随着痕量分析技术的进步, 对冰芯中生物质燃烧释放的痕量有机物质(pg/g量级)如左旋葡聚糖、酚醛酸等的分析发现, 痕量有机物在南极雪冰中普遍存在[83], 而且极地冰芯中的左旋葡聚糖、黑碳等信息可以较好地反映区域及全球尺度的生物质燃烧信息[84]。对南极Dome C冰芯中的左旋葡聚糖浓度研究显示, 冰期生物质燃烧释放的左旋葡聚糖显著低于间冰期, 因此研究者据此推断气候环境变化是影响冰期-间冰期生物质燃烧的主要原因[85]。此外, 一些新兴污染物(如微塑料等)在极地雪冰中出现, 对理解极地环境变化具有重要的意义[86]。在北极海冰中已发现了多种微塑料的富集, 微塑料污染已经可以通过大气传输和洋流传输影响极地环境[87-88]。我国在极区海洋中已经尝试开展微塑料污染的研究, 而在极地雪冰中的相关研究还尚未开展, 作为一种新兴污染物, 微塑料研究将会在极地冰芯中得到更多的应用[89]。

4 冰芯气体

4.1 常规气体分析

冰芯中的气体是目前能够直接用来研究历史时期大气成分、同位素比值的唯一途径, 是极地冰芯研究的重要组成部分[90-91]。冰芯气体除了用于定年外, 也为了解气候变化与大气组成以及生物地球化学循环之间的关系做出了重要贡献。随着实验技术日趋成熟, 冰芯气体研究已经取得了长足进展, 所研究气体种类已从CO2扩大到了CH4、CO、N2O以及氟氯昂系列化合物, 主要气体的同位素组成研究也受到了重视[92-94]。冰芯中CO2含量在短时尺度揭示了人类活动对大气环境的影响[95]; 冰芯中连续的大气CO2浓度记录已经可以追溯到过去80万年[96], 在冰期-间冰期时间尺度上大气CO2浓度与温度呈正相关关系, 与大气粉尘浓度(Fe)之间呈显著的反相关关系, 主要是由于冰期粉尘中的铁促进大洋浮游植物增加, 即所谓的“铁施肥效应”消耗了大气中CO2[97]。除了气体浓度以外, 冰期中温室气体的碳同位素一直以来都是冰芯气体的研究热点, 由于人类活动产生的温室气体含有较轻的碳同位素组成, 因此可以很好解释全新世以来农业及工业活动对大气中温室气体影响的程度[93, 95, 98-99]。

在测试方法上, 冰芯中气体混合比的测量一般都是基于气相色谱法[100], 在冰芯气体的实验分析中最关键的一步是抽提气体, 根据融水是否参与可以分为干抽提和湿抽提两种手段, 其中使用连续流技术湿抽提的方法应用最为普遍, 以瑞士伯尔尼大学为代表的多通道连续流技术是目前应用最广的方法之一。Osterberg等[101]利用多通道连续流技术分别对GISP2冰芯的离子、痕量元素及同位素实现了高分辨率的分析。该方法可以实现连续流和多种设备(包括离子色谱、ICP-MS及同位素比率质谱仪等)联用, 并能够在冰芯钻探现场开展直接分析工作。Chappellaz等[100]利用该连续流装置耦合激光光谱分析仪, 在NEEM冰芯的钻探现场, 对其中107.7～9.5 ka冰芯的CH4进行了高分辨率的分析, 并探讨了其与“D-O事件”的关系。该连续流技术在气体提取方面有较高的效率, 并且可以实现无损的气体测试, 但缺点是需要较为严格的冰芯前期切割处理(需要冰芯端部平整无破损), 并且仪器的记忆效应及冰芯样品的不连续导致的平滑效应都会影响数据的真实性[100]。

此外, 传统连续流技术对于水溶性较好的气体(如CH4、N2O等)会造成一定的测试误差[102]。目前针对这些水溶性强的气体, 瑞士伯尔尼大学开发了在真空条件下采用红外线照射, 升华提取冰芯气体[94, 98](图5)。该技术可以在保持冰表面远低于–20℃的真空条件下实现较高的升华率。目前我国有关极地冰芯气体及其同位素的研究相对比较匮乏, 极地冰芯气体的研究多通过国际合作的方式完成, 自主研发和改进相关测试系统, 是未来极地冰芯气体研究亟需开展的工作之一。

图5 冰芯气体分析装置。a)真空抽提技术; b)连续流分析。根据瑞士伯尔尼大学研究成果绘制[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 惰性气体及其同位素分析

近年来, 随着冰芯中惰性气体放射性同位素(81Kr、85Kr、39Ar)的分析测试技术的发展, 所需冰芯的样品量从原来的几百千克降低至几千克, 使得相关分析测试在极地冰芯中大范围开展成为可能; 此外, 由于它们的半衰期各不相同, 因此覆盖了从几年一直到140万年的时间区间, 恰好填补了14C测年所无法覆盖的范围, 因此惰性气体同位素在冰芯中具有极其广阔的应用空间[103-104]。目前“原子阱痕量分析”(ATTA)技术是国内唯一能够实现对环境样品中的81Kr、85Kr和39Ar进行大规模分析的技术, 该技术目前存在的问题是对冰芯的需求量较大(＞数千克), 如将其应用于冰芯定年还需显著地提高ATTA 的测量精度和灵敏度, 以期降低所需的样品量。在青藏高原冰芯定年中,81Kr已经初步应用到确定古里雅冰帽边缘最底部块冰的年代[105], 随着该技术的发展与改进, 未来可能成为极地冰芯定年的重要手段之一。

此外, 近年来冰芯气泡中的惰性气体稳定同位素定年法(40Ar定年)在极地定年中也取得了极大的进展[106]。运用40Ar定年技术, 对西南极艾伦丘陵蓝冰区冰芯定年, 获取了270万年老冰中主要气体的记录(不连续记录), 结果表明在中更新世气候转型(MPT)前后CO2浓度与南极气温具有很好的耦合性; 4万年周期向10万年周期的转变伴随着冰期最盛期CO2浓度的减小[107]。40Ar定年方法理论上无年龄限制且样品需求量较少(冰芯样品通常需要500 g), 但缺陷为定年误差较大, 约为18万年或年龄的11%(两者取最大值), 因而更适用于对百万年以上的老冰定年[108]。

通过冰芯中惰性气体比(Kr/N2、Xe/Kr、Xe/N2)反演过去全球海洋平均温度变化在近期也得到较快的发展。全球不同区域及不同水层的海水温度具有很大差异, 要确定全球海洋均温变化已经被证明是近乎不可能的事, 而惰性气体的溶解度与海洋温度密切相关且化学性质稳定不受其他过程的影响, 因而冰芯中惰性气体可以提供过去海洋温度变化的信息[109]。由于不同稀有气体对海洋平均温度的敏感度不同,Xe/N2反演过去全球平均海温的精度最高[110]。通过对西南极WAIS Divide冰芯中Xe/N2的研究发现, 在距今1～2万年前全球海洋平均温度升高了2.57±0.24℃, 而且在新仙女木事件早期(距今1.2万年)出现了一段持续700年的异常温暖期[110]。可以看出, 冰芯中惰性气体蕴含了大量过去气候变化的信息, 具有广阔的发展空间。

5 我国在极地冰芯中开展的研究

我国在极地开展的冰芯钻探主要集中在中山站-Dome A断面, 目前已经完成了多支冰芯的分析工作[111]。我国在北极地区参与的冰芯钻探相对较少, 中国科学院西北生态资源与环境研究院参与了NEEM冰芯的钻探活动, 开展了部分研究。

5.1 中山站-Dome A断面冰芯研究

5.2 Dome A地区冰芯研究

我国自2004年(第21次中国南极考察)以来开始在Dome A地区开展冰芯钻取工作, 取得了一定的研究成果。中国第 21 次南极考察队在Dome A地区, 钻取了一支 109.91 m的冰芯。冰芯CH4浓度测试结果以及粒雪化模型模拟结果一致表明, 该冰芯在约 102 m 处气泡被完全封闭, 并根据粒雪化模型计算气泡被完全封闭处冰的年龄约为 4.2 ka。根据冰芯碎屑样品的氢(D)、氧(18O)稳定同位素分析资料, 结合东南极冰盖其他内陆冰芯稳定同位素资料, 表明东南极内陆地区晚全新世以来气候状况较为稳定(气温波动幅度约为±0.6℃), 且变化趋势具有一致性[117]。

由于Dome A地区的积累率较低, 这支109.91 m的冰芯定年存在一定的挑战。中国科学院西北生态环境资源研究院根据这支冰芯的火山信号确定了冰芯中气泡的闭合深度为102 m, 结合火山信号和H-L粒雪化模型, 最终确定冰芯底部的年龄为4009±150 a BP。而由中国极地研究中心开展的另一项工作, 通过火山信号和平均积累率确定了该支冰芯的最终年龄为2840 a。同一支冰芯造成的定年误差, 可能是由于在底部冰层减薄速率加快, 导致火山信号的鉴别和模型的适用性都受到了限制, 最终导致了该冰芯定年的误差[66, 118]。近期基于Dome A这支109.91 m的冰芯, 利用冰芯氢氧同位素记录(18O), 重建了该地区公元1—2000年的温度变化历史, 并探讨了该地区气候变化的驱动因素, 这条新的气候记录填补了该地区高分辨率(多年至年代际)气候记录的空白。此外, 该研究利用包含Dome A在内的7个站点的冰芯18O记录, 评估了东南极高原区气候的总体变化特征及驱动力[119]。

5.3 北极格陵兰冰芯研究

我国在北极地区开展的冰芯研究相对较少, 但利用有限的冰芯数据也取得了非常好的研究成果。Xiao等[47]基于国际合作获取的格陵兰NEEM深冰芯, 首次重建了过去11万年生物活性元素铁序列, 并填补了“Fe假说”在北半球深冰芯数据中的空白。研究发现, 过去11万年中, 格陵兰NEEM冰芯中铁元素序列与粉尘浓度同步变化; 且高纬度格陵兰NEEM冰芯与黄土记录在冰期-间冰期尺度存在一致性, 间接证实了中亚粉尘对北半球大尺度粉尘输送的贡献; 两者记录的关联性主要是由北半球65°N太阳辐射所驱动的。此外, “铁施肥”效应在千年时间尺度具有显著的不确定性: 在冰期生物活性元素铁的“施肥效应”更显著, 而在全新世与间冰期“铁施肥”效应相对较小。最后该研究也发现, 尽管工业革命以来人类活动排放了大量的污染物, 但人类活动排放的污染物并未导致NEEM冰芯内铁的显著增加[47]。

6 总结与展望

总体上, 得益于冰芯分析技术的进步, 极地冰芯研究发展快速, 并不断拓展对历史气候变化的认识。综述前人的研究工作, 结合我国在极地冰芯研究领域开展的工作, 未来极地冰芯分析研究应当着重于以下几个方面。

1. 对冰川物理特性需要重视。例如利用冰微构造和组构特征, 探究冰盖或冰川的流动性、晶体学材料的晶粒生长机制及其对气候变化的响应。由于该研究多在深冰芯中开展, 目前我国在该领域的研究几乎是空白, 应该加强该方面的研究。

2. 发展冰芯气体及痕量物质高分辨率连续流分析技术。传统的连续流分样技术, 需要对每一类样品加入试剂分组处理(如加入相应的络合剂或荧光剂), 操作复杂, 不是真正的连续流技术。瑞士伯尔尼大学开发的连续流与质谱、色谱及微粒分析仪器等的联用自动化分析技术, 极大提高了极地冰芯气体、痕量元素、离子及微粒等样品的分辨率及分析效率, 是开展极地冰芯分析的重要支撑。

3. 大力发展冰芯定年技术。发展精确的冰芯定年技术是极地冰芯分析的前提, 是深度理解极地气候变化过程与机制的重要支撑。目前我国在极地冰芯定年技术领域已经取得一定进展(如中国科学技术大学的ATTA技术等), 为极地冰芯的准确定年提供了重要的支撑。但还需要探索更多的冰芯定年技术, 这是开展极地冰芯研究的重要前提。

4. 加强北极地区冰芯的研究工作。北极及格陵兰冰盖是极地冰芯研究的重要区域, 也是全球变化最敏感的区域之一。在北极地区开展的冰芯研究也有助于我们深度理解北极气候变化, 为北极航道开发等未来国家发展计划提供参考。虽然我国目前在北极地区有冰芯研究工作的开展, 但研究成果却少而零散, 未来需要加强北极地区冰芯的研究工作。

5. 加快极地深冰芯的钻探进度。获取冰芯是极地冰芯研究的前提, 目前我国的极地深冰芯钻探项目的深度仅达到800 m左右, 还需要进一步加快深冰芯钻探的进度。同时, 在南极蓝冰区开展冰芯钻探, 可解决传统深冰芯钻探面临的成本高和样品稀缺的问题, 这也是未来极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月收到来稿, 2021年1月收到修改稿

2020年国家海洋局极地考察办公室极地科学协同创新平台项目(CXPT2020012)、国家自然科学基金项目(42106216, 41830644, 91837102, 42001050)、江苏省“333高层次人才工程”项目(BRA2020030)资助

刘科, 男, 1989年生。助理研究员, 主要从事极地雪冰化学研究。E-mail: liuke@nju.edu.cn

侯书贵, E-mail: shuguihou@sjtu.edu.cn

10.13679/j.jdyj.20210091