從氧同位素一題說開來

　　*片哀嚎的題目，但是真的很有意義。因?yàn)樗P(guān)乎*個人。

　　姚檀棟

　　姚檀棟，1954年7月出生于甘肅通渭，中*科學(xué)院青藏高原研究所所長。姚檀棟主要從事冰川與環(huán)境變化研究，開拓和發(fā)展了中*的冰芯研究。2017年獲得維加獎，是首位獲獎的中*科學(xué)家，也是獲此殊榮的首位亞洲科學(xué)家。得獎是實(shí)至名歸，做的是艱苦的工作，帶的是戰(zhàn)斗力強(qiáng)的隊(duì)伍。青藏高原研究所的野外工作危險(xiǎn)系數(shù)挺高，聽說做冰川的要是出意外掉冰縫里，尸體弄不上來。我就服干起活來玩命擼的老前輩，都是行走著的教課書啊。提及冰芯就會提到施雅風(fēng)、姚檀棟，施先生之后就自然是姚院士扛大旗了。青藏高原是座寶庫，總得需要大師找到鑰匙。*內(nèi)做冰芯的被關(guān)注度也不夠高，得了獎?wù)梦?下大家目光。出個題，大家也都這方面從我這里聽說聽說。

　　冷戰(zhàn)時期美*在北*圈修了*系列的雷達(dá)站，組成了*個北的警戒線（Distant Early Warning Line，DEW），俗稱the Wall，專門抵抗野人和白鬼... 不是，專門應(yīng)對前蘇聯(lián)在軍事上的威脅。

　　DEW向東延伸到格林蘭南部的區(qū)域，也有幾個雷達(dá)站。上世紀(jì)70年代*批以歐洲為主的古氣候?qū)W家在其中*個雷達(dá)站開始了Dye3鉆孔，取了300多米的冰芯，并從此開始GISP（Greenland Ice Sheet Project）的早期工作。之后的近十年期間在附近區(qū)域陸續(xù)又打了20多口鉆，鉆取平行冰芯補(bǔ)全沉積序列，但深的也就400m，畢竟是冰蓋邊緣。

　　得到的冰芯按序列測量*系列指標(biāo)作為古氣候的替代指標(biāo)，包括18O，CH4，粉塵等，不僅能重建古氣溫，還能反映古大氣成分。沉積速率快的冰芯可以精細(xì)記錄到年紋層，例如這段十幾厘米長的冰芯分辨率*高，白色的是夏季降雪層，深藍(lán)的是冬季降雪層，吊的簡直要爆炸。

　　冰芯可控的時間尺度雖然只有十幾萬年，但是分辨率非常高，比深海沉積高出*個量*。但對多數(shù)地質(zhì)研究人員來說，時間尺度很重要，晚更新世以內(nèi)的數(shù)據(jù)還是太局限，所以多數(shù)還是引用深海沉積和黃土資料。90年代冰芯研究進(jìn)展很快，格陵蘭值得研究的區(qū)域都被打鉆了，在北半球很多地方都開始了冰芯研究。

　　當(dāng)然，也少不了我們的寶庫青藏高原，*地圈以外大的冰川分布區(qū)。姚院士90年代就開始*內(nèi)的冰川氣候研究了，祁連山的敦德冰芯，西昆侖的古里雅冰芯，這倆平時經(jīng)常有人提及，早期的主要冰芯資料不少都被合作者Thompson給署名發(fā)表了，姚院士的成果看起來更偏環(huán)境方面*些，所以引用量不夠高。你看同是古氣候的諸位黃土院士，數(shù)據(jù)被引量還是很傲嬌的。

　　在冰芯研究中已發(fā)展了許多定年方法,包括冰川動力模型法、季節(jié)層位法(、可溶離子成分、不可溶微粒含量、ECM等)、參考層位法(火山噴發(fā)、核試驗(yàn)、特殊氣候事件、宇宙同位素事件等)、記錄對比法(與深海記錄、湖泊記錄等的對比)及放射性同位素法(冰芯氣泡中COZ的14C、氣泡中的39Ar、冰芯樣品中的36CI等)。視冰川的具體情況,不同的冰川可以用不同的定年方法。

　　(1)物理特征和化學(xué)成分的季節(jié)變化由于氣候環(huán)境的季節(jié)差異,不同季節(jié)的冰川表面特征及降水化學(xué)存在*定的差別。根據(jù)雪冰層中物理、化學(xué)參數(shù)的這種季節(jié)變化特征,就可以數(shù)出冰芯所包含的年層個數(shù),尤其是在凈積累率較高、消融微弱、氣候環(huán)境季節(jié)狀況差異大的地區(qū)。因此這種方法對古里雅冰芯上部定年是很有效的。

　　(2)污化層或微粒含量在我*西部地區(qū),沙暴、浮塵天氣主要出現(xiàn)在春初到夏季,*年當(dāng)中這*時期的雪層中微粒含量較高,并可以形成肉眼可見的污化層,而寒冷的冬季由于積雪面積較大和表層土壤凍結(jié),雪層中的微粒含量相對較低。因此在青藏高原北部冰芯中,可依據(jù)微粒含量的這種季節(jié)變化特征進(jìn)行年層劃分。以前的研究發(fā)現(xiàn),污化層明顯地出現(xiàn)在春季雪冰層內(nèi),而且*年*個,于是污化層也是古里雅冰芯年層劃分的依據(jù)之*.

　　(3)，水體中穩(wěn)定氧同位素比率的變化主要受控于降水時氣溫、水汽來源和降水云系的發(fā)展歷史。地學(xué)中的同位素地球化學(xué)技術(shù)，為通過冰樣分析了解氣候奠定了基礎(chǔ)。冰樣其實(shí)對氣候有很好的反映，這是種比較敏感的氣候指標(biāo)沉積物，曾經(jīng)看過冰芯內(nèi)沉積物同位素特征與天文周期很好的對應(yīng)的研究成果（米蘭科維奇旋回）?，F(xiàn)在，南*冰芯記錄已經(jīng)延伸到80萬年以前。青藏高原北部地區(qū)現(xiàn)代降水中研究發(fā)現(xiàn),其值夏季較高,冬季較低,呈現(xiàn)明顯的季節(jié)特征。這*點(diǎn)在古里雅雪坑剖面中也有明確的反映。因此是*個理想的定年方法。以上這些方法,都適合于冰芯上部高分辨率定年。對于更長時間尺度的低分辨率斷代部分,要用其它方法。

　　（4)古里雅冰芯研究中應(yīng)用了36CI測年,其目的主要是為了確定該冰芯底部冰的年齡。36CI主要是高能宇宙射線的產(chǎn)物,同時宇宙射線熱中子與35CI作用亦可形成36CI。36CI常常吸附在氣溶膠表面,并通過干、濕沉降過程降落至冰川表面,形成冰芯記錄。其半衰期為3.0xI0的5次方a。古里雅冰芯中36CI測定是由瑞士J.Beer通過加速器測定的。為了求得古里雅冰芯底部冰的年齡,遇到的大問題是如何確定36CI的初始濃度,這也是放射性同位素測年普遍存在的*個問題。為了盡可能避免各種因素的影響,古里雅冰芯中’6CI的初始度是用其上部260m(時代跨距超過0.IMa)內(nèi)11段冰芯樣品中’6G的平均值(其中去掉了37000aB.P.時的*端值)來近似的。

　　（5）冰晶特征本身，就已經(jīng)可以反映氣候了，不同冷熱條件下的冰特征有差異，如粒度、層理結(jié)構(gòu)差異等。

　?。?）生物遺體或生物個體這個是冰層研究里有趣味的內(nèi)容。很多地質(zhì)歷史時期的小個體生物，會被埋在冰層中，并保存完好。有些古細(xì)菌等甚至可以繼續(xù)存活，這當(dāng)然會對我們這些對古細(xì)菌沒有免疫能力的現(xiàn)代人類有威脅，但在可控條件下進(jìn)行研究很有意義。

　?。?）孢粉、花粉等也是反映古氣候的很好的證據(jù)，尤其是在大陸冰川高山冰川里。

　?。?）冰芯氣泡中的氣體成分和含量可以揭示大氣成分的演化歷史；

　　同時，現(xiàn)在更多的技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到冰樣研究里，如“氣體穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀、等離子體質(zhì)譜儀、離子色譜儀、氣相色譜儀、毛細(xì)管電泳儀、電導(dǎo)儀、縱列加速器、旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)分析儀、掃描電子顯微鏡以及各種獨(dú)特的野外測量儀器等”。

　　其他的指代物還有很多;

　　然后，重點(diǎn)拓展來了：注意各種的優(yōu)缺點(diǎn)：

　　其實(shí)做古氣候的手段非常之多，冰芯只是其中之*。
古氣候還有其他很多手段，我簡單介紹*下，包括黃土、石筍、樹輪、湖芯（湖泊沉積物）、海底巖芯、珊瑚、孢粉、碳屑、氣孔器、硅藻、搖蚊幼蟲亞化石、介形蟲、其他動植物化石，種類非常之多。

　　　（2）石筍由于利用其中的化學(xué)元素鈾、鍶、氧等同位素值會對降水、氣溫波動進(jìn)行反映，可以做的很多，著名的有葫蘆洞、董哥洞的石筍，填補(bǔ)了中*東部地區(qū)古氣候中更新世氧同位素氣候精確記錄的空白，意義重大。溶洞*般受地質(zhì)和氣候條件影響，熱帶、溫帶有分布，寒帶很少，要求巖溶地區(qū)（有石灰?guī)r），它的優(yōu)點(diǎn)是時序精度高、連續(xù)性好，缺點(diǎn)是時序不是特別長（*般1-2萬年，之前精度就不好保證了），受溶洞沉積時間、位置限制性（不可能有老于溶洞有水滴溶的時間，如果氣候干旱無水源會中斷，降水氣溫較好熱帶、溫帶濕潤區(qū)的巖溶地區(qū)溶洞才較多。*般石筍剖開，切成很細(xì)（1毫米）薄片進(jìn)行檢測灰色的是化學(xué)元素豐富層序。

　　3.樹輪(tree ring)，也就是樹木的年輪，在樹干的橫截面可以看到*圈圈變大同心的木質(zhì)輪紋，年輪是新的維管束形成層增長而形成的。在兩條輪紋之間，內(nèi)側(cè)部分在春季生長，生長速度較快，質(zhì)地也較為疏松（成為早材），外側(cè)部分主要是夏季生長的（有時秋季也生長），質(zhì)地較為致密（稱為晚材）。年輪*般*年生長*圈，對于氣候的反映十分良好，在溫暖濕潤的年份（季節(jié)）間隔較寬顏色也較淺，在寒冷干燥的年份（季節(jié)）間隔較窄且顏色較深。正是這樣，年輪的時間連續(xù)性很好，時間精度很高（因?yàn)樵绮暮屯聿膮^(qū)分可以精確到季節(jié)），缺點(diǎn)是由于樹木的生長年份有限，記錄的長度較短，古樹的年份*般也只能達(dá)到數(shù)千年。而且，古樹的數(shù)量較少，采樣尋找相較于其他記錄物也較困難。正是由于古樹的記錄價值大，經(jīng)濟(jì)文化價值高，樹輪采樣*般是在樹干橫向的中軸線上鉆取橫截面直徑長度的小孔進(jìn)行測年和分析，對樹木破壞很?。ù蠹也灰獮楣艠鋼?dān)心）。

　　樹輪照片，根據(jù)顏色深淺和位置可看出明顯的早材和晚材之分。根據(jù)寬度也可以判斷當(dāng)年降水。正是因?yàn)闃漭喌纳L時間較短，為了找到精確地古氣候記錄，機(jī)智的古氣候?qū)W家們，找到了*些神奇的方式方法：有“古墓派”，到處找尋保存較好的木質(zhì)墓碑和棺木，古代棺木*般用料很足，選取的木材年份也比較長，講棺木和木質(zhì)墓碑取樣以后經(jīng)定年確定起始和終止年份，中間的記錄就可以用來判斷這*段時間的氣候，通過多次采樣如同拼圖*般就可以構(gòu)建某*地區(qū)較長時間的樹輪氣候記錄；“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、高壓而不腐（類似于陰沉木，但是陰沉木年代更久，碳化更嚴(yán)重），挖掘出后同樣用定年，取得該樹木生長段的氣候記錄。樹輪是目前很熱的古氣候研究手段之*，蘭州大學(xué)和北京地理所這*塊做得很好，之前有看到知友是做這個的，*外北美地區(qū)橡樹生長年份較長、樹木較多，所取得的記錄非常好。

　　4、湖泊沉積物（Lake sediment），湖泊沉積物是眾多沉積物的*種，由于*些湖泊的形成年代久遠(yuǎn)，以及其水環(huán)境的封閉性較好，在水域周邊的地表侵蝕物和水體中生物（動物-有孔蟲等、植物-硅藻等）殘?bào)w以及降水中的化學(xué)物質(zhì)等在重力作用下沉積下來，*層層形成湖泊沉積物。湖泊沉積物包含的碳氮氧同位素、沉積物粒度、孢粉、有孔蟲、搖蚊、葉綠素、磁化率、硅藻的殼體和其他化學(xué)元素等指代物（包含的指代物確實(shí)很多）能夠反映不同時期的氣候演化情況，因而成為古氣候研究的良好載體。

　　其優(yōu)點(diǎn)是包含的指代物多、分辨率較高、連續(xù)性較好，缺點(diǎn)是相較于其他古氣候載體容易受自然<（地震、動物活動）和人為擾動（人為的圍湖造田、水產(chǎn)養(yǎng)殖清淤、蓮藕種植翻動，在野外找到*個合適的湖就要問當(dāng)?shù)厝擞袥]有清過淤），所以像青藏高原上的人跡罕至的高原湖泊成為古氣候的研究寶地。