從氧同位素一題說開來

　　*片哀嚎的題目，但是真的很有意義。因為它關乎*個人。

　　姚檀棟

　　姚檀棟，1954年7月出生于甘肅通渭，中*科學院青藏高原研究所所長。姚檀棟主要從事冰川與環境變化研究，開拓和發展了中*的冰芯研究。2017年獲得維加獎，是首位獲獎的中*科學家，也是獲此殊榮的首位亞洲科學家。得獎是實至名歸，做的是艱苦的工作，帶的是戰斗力強的隊伍。青藏高原研究所的野外工作危險系數挺高，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、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。*內做冰芯的被關注度也不夠高，得了獎正好吸引*下大家目光。出個題，大家也都這方面從我這里聽說聽說。

　　冷戰時期美*在北*圈修了*系列的雷達站，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，專門應對前蘇聯在軍事上的威脅。

　　DEW向東延伸到格林蘭南部的區域，也有幾個雷達站。上世紀70年代*批以歐洲為主的古氣候學家在其中*個雷達站開始了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域陸續又打了20多口鉆，鉆取平行冰芯補全沉積序列，但深的也就400m，畢竟是冰蓋邊緣。

　　得到的冰芯按序列測量*系列指標作為古氣候的替代指標，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*。但對多數地質研究人員來說，時間尺度很重要，晚更新世以內的數據還是太局限，所以多數還是引用深海沉積和黃土資料。90年代冰芯研究進展很快，格陵蘭值得研究的區域都被打鉆了，在北半球很多地方都開始了冰芯研究。

　　當然，也少不了我們的寶庫青藏高原，*地圈以外大的冰川分布區。姚院士90年代就開始*內的冰川氣候研究了，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給署名發表了，姚院士的成果看起來更偏環境方面*些，所以引用量不夠高。你看同是古氣候的諸位黃土院士，數據被引量還是很傲嬌的。

　　在冰芯研究中已發展了許多定年方法,包括冰川動力模型法、季節層位法(、可溶離子成分、不可溶微粒含量、ECM等)、參考層位法(火山噴發、核試驗、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)物理特征和化學成分的季節變化由于氣候環境的季節差異,不同季節的冰川表面特征及降水化學存在*定的差別。根據雪冰層中物理、化學參數的這種季節變化特征,就可以數出冰芯所包含的年層個數,尤其是在凈積累率較高、消融微弱、氣候環境季節狀況差異大的地區。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,沙暴、浮塵天氣主要出現在春初到夏季,*年當中這*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,雪層中的微粒含量相對較低。因此在青藏高原北部冰芯中,可依據微粒含量的這種季節變化特征進行年層劃分。以前的研究發現,污化層明顯地出現在春季雪冰層內,而且*年*個,于是污化層也是古里雅冰芯年層劃分的依據之*.

　　(3)，水體中穩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展歷史。地學中的同位素地球化學技術，為通過冰樣分析了解氣候奠定了基礎。冰樣其實對氣候有很好的反映，這是種比較敏感的氣候指標沉積物，曾經看過冰芯內沉積物同位素特征與天文周期很好的對應的研究成果（米蘭科維奇旋回）。現在，南*冰芯記錄已經延伸到80萬年以前。青藏高原北部地區現代降水中研究發現,其值夏季較高,冬季較低,呈現明顯的季節特征。這*點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、層理結構差異等。

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

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

　　（8）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，現在更多的技術已經應用到冰樣研究里，如“氣體穩定同位素質譜儀、等離子體質譜儀、離子色譜儀、氣相色譜儀、毛細管電泳儀、電導儀、縱列加速器、旋轉式結構分析儀、掃描電子顯微鏡以及各種獨特的野外測量儀器等”。

　　其他的指代物還有很多;

　　然后，重點拓展來了：注意各種的優缺點：

　　其實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元素鈾、鍶、氧等同位素值會對降水、氣溫波動進行反映，可以做的很多，著名的有葫蘆洞、董哥洞的石筍，填補了中*東部地區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*般受地質和氣候條件影響，熱帶、溫帶有分布，寒帶很少，要求巖溶地區（有石灰巖），它的優點是時序精度高、連續性好，缺點是時序不是特別長（*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、溫帶濕潤區的巖溶地區溶洞才較多。*般石筍剖開，切成很細（1毫米）薄片進行檢測灰色的是化學元素豐富層序。

　　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，內側部分在春季生長，生長速度較快，質地也較為疏松（成為早材），外側部分主要是夏季生長的（有時秋季也生長），質地較為致密（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）間隔較寬顏色也較淺，在寒冷干燥的年份（季節）間隔較窄且顏色較深。正是這樣，年輪的時間連續性很好，時間精度很高（因為早材和晚材區分可以精確到季節），缺點是由于樹木的生長年份有限，記錄的長度較短，古樹的年份*般也只能達到數千年。而且，古樹的數量較少，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，經濟文化價值高，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行測年和分析，對樹木破壞很小（大家不要為古樹擔心）。

　　樹輪照片，根據顏色深淺和位置可看出明顯的早材和晚材之分。根據寬度也可以判斷當年降水。正是因為樹輪的生長時間較短，為了找到精確地古氣候記錄，機智的古氣候學家們，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，講棺木和木質墓碑取樣以后經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*般就可以構建某*地區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，以及其水環境的封閉性較好，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）殘體以及降水中的化學物質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元素等指代物（包含的指代物確實很多）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。

　　其優點是包含的指代物多、分辨率較高、連續性較好，缺點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、水產養殖清淤、蓮藕種植翻動，在野外找到*個合適的湖就要問當地人有沒有清過淤），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。