冰芯中的氧同位素研究

第四纪环境学（Quaternarygeology）1冰芯中的δ18O与古气候变化信息刘飞（曲阜师范大学地理与旅游学院，山东省日照市276826）摘要：冰芯是过去气候变化信息的三大良好载体之一，冰芯中的氧同位素保存了过去连续的温度和降水记录。本文介绍了氧同位素在恢复古气候研究中的应用原理以及在青藏高原和中国西部高海拔山地冰川研究中的应用。关键词：冰芯；δ18O；古气候；青藏高原中图分类号：极地冰芯、黄土、深海沉积是过去全球变化的三大良好载体。为了解全球变化的特征和基本变化规律奠定了基础[1]。冰芯以其分辨率高、记录时间长、信息量大和保真度高等特点，而成为过去全球变化研究的重要方法之一。它不但记录着温度、降水、大气环流强度、大气化学、大气成分的变化,而且也记录着影响气候环境变化的各种因子的变化，同时还记录着人类活动对于环境的影响[2]。目前，青藏高原和中国西部高海拔山地冰川成为中低纬度冰芯研究聚焦的中心，我国在此领域的研究已经取得了丰硕的成果[3~12]。冰芯中氢氧同位素保存了过去连续的温度记录[13]，对恢复我国西部地区的古气温和降水起到了重要作用[14~22]。1氧同位素的应用原理氧元素有16O、17O和18O三个同位素，其中以16O为主，17O所占比例很小，甚至可以忽略，18O的比例为0.2%。18O属于稳定同位素，其含量比例并不随时间变化。但是，当水的相态发生转变时，就会影响到氧同位素的含量，所以18O的含量变化自然就和温度联系起来[23]。Dansgaard在1954年提出，冰芯中δ18O的变化反映了冰盖上空水汽凝结形成冰雪时的气温变化，即成雪时气温越低，18O的含量就越小，因而冰期时形成的冰层中的18O的含量就远小于目前新生成的冰层的含量。由于温度是影响冰层中δ18O变化的主要因素，所以一年内季节的变化，冰层中δ18O值也发生变化。在冰芯中夏季层与冬季层的δ18O值表现出明显的峰谷交替变化，其值相差大约为10。张小伟等[13]对氢氧同位素在冰芯研究中的应用原理进行了详细解释。H218O的饱和水汽压要稍低于H216O，这使H216O比其它同位素水分子更易挥发而较难凝结，从而造成水在相变过程中发生同位素分子的分馏。这样固、液态水中的氢、氧重同位素要比气态水富集些,而且随温度变化它们的富集程度也跟着变化。另外,分子量大的同位素水分子在空气中的扩散速度要比H216O慢些,这样在水分的蒸发、输送和凝结沉降过程中导致同位素分布的地理差异。由于这些差异的存在,使冰雪中作者简介：刘飞（1980-），男，山东苍山人，博士，主要从事第四纪风尘堆积研究。E-mail：[e-mail]第四纪环境学（Quaternarygeology）2的同位素比值能较好地反映当时温度和降水条件的变化,从而可以用来恢复局部地区甚至全球的过去温度与过去水汽输送途径的变化。在同位素分析中,通常不采用水体中的同位素分子绝对比值表示同位素含量,而采用相对千分差比值，即δ18O=[18O/16O(样品)－18O/16O(标准)]/[18O/16O(标准)]×1000‰，其中国际标准海水中平均氧同位素比值RSMOW为18O/16O=2005.2×10-6。2中国冰芯中的氧同位素研究2.1氧同位素与气温冰川记录中的δ18O作为气温的指标,对反映长期气候变化是可靠的。姚檀栋等[19]通过对青藏高原古里雅冰芯氧同位素的研究，认为δ18O可以作为气温的替代指标，具有以下关系。(1)δ18O的季节变化特征与气象站气温变化具有平行的相关关系。不论是在高原面上的沱沱河气象站，还是在高原北侧的德令哈气象站，气温的变化与δ18O的变化具有很好的对应关系：冬季，气温降低，降水中的δ18O值减小；夏季,气温升高，降水中的δ18O值也增大；(2)降水中的δ18O与气温的这种季节变化的对应关系通过数学模型可以定量地表示出来。大致是：降水中的δ18O每增大(或减小)1‰，温度上升(或下降)约1.6℃；或者说，温度每上升(或下降)1℃，降水中的δ18O增大(或减小)约0.6‰；(3)降水中的δ18O与海拔高度的变化具有线性对应关系：即海拔高度上升，降水中的δ18O减小，海拔高度下降，降水中的δ18O增大。不论是在古里雅冰帽的小范围内，还是整个青藏高原北部，这种关系都是存在的。因为海拔高度的高低影响着温度的高低，所以，降水中δ18O与海拔高度的关系实际上仍反映了它与温度的关系。2.2氧同位素与降水冰芯中的积累量是大气降水在冰川上的直接记录。大量研究证实，冰帽的积累在各类冰川中是最接近实际降水量的[19]。章新平等[25]研究了古里雅冰芯的降水量和δ18O的关系。17世纪是一个降水偏少期，它对应δ18O的低值期；18世纪降水量增加，并有若干明显的多降水时段，该阶段与δ18O指示的暖期相对应；整个19世纪是降水偏少期，该阶段与δ18O的又一个冷期相伴；进入20世纪，降水量急增，平均降水已超过18世纪，与此同时，该时期的δ18O也急剧增大。δ18O与积累量之间良好的对应关系(相关系数达0.87，见图1)。图1.古里雅冰芯中δ18O与积累量相关图Figure1.Correlationbetweenδ18OintheGuliyaicecorewithiceaccumulationδ18O/‰积累量/mm第四纪环境学（Quaternarygeology）3这种特征并不是古里雅冰芯所独有的，通过对唐古拉冰芯记录的研究也可看到这种特征，即长时间尺度上,温度上升伴随着降水的增加，温度下降伴随着降水的减少。研究证明是季风主导了两地温度与水汽变化趋势的根本过程[26]。在青藏高原从古里雅冰帽到唐古拉冰川的广阔高原面上，影响冰川区降水的主要水汽来源可归结为孟加拉湾水汽来源、阿拉伯海水汽来源和局地对流水汽来源。这3种水汽来源都和季风的强弱息息相关。即气候变暖时，大陆和海面温度上升，海面蒸发加强，向高原的水汽输送加强，高原降水量增加；气候变冷时，大陆和海面温度下降，海面蒸发减弱，向高原的水汽输送也相对减弱，高原降水量减少。古里雅冰帽和唐古拉冰川虽然水汽供应来源不同，但这些水汽来源直接受季风的控制。即便是局地对流云水汽来源，也是在气候变暖时，因对流加强降水增加，反之，则降水减少。因此，我们就不难理解，为什么古里雅冰芯和唐古拉冰芯中的降水与温度变化都有极好的对应关系，且这两冰芯中的气候变化趋势相互又有很好的对应关系。3结语由于降水的形成和冰雪成冰作用是一个复杂的过程,极地冰雪中的18O/16O变化不仅要受到温度的影响,还受到水汽来源、降水的季节变化、火山喷发、太阳周期性活动的影响，同时还受到降水的区域不平衡性、逆温层、年际降水分布的不均衡性、雪层中同位素的再迁移、冰川流动作用等的干扰,使得用冰雪氢、氧同位素恢复气候的工作变得更为复杂化[13]。随着冰芯中新的研究方向的不断崛起和新技术的应用，给冰芯研究充满了活力。在冰芯中还存在着许多未被认识和研究的气候环境等信息，冰芯的未来研究内容还具有广阔的空间。参考文献：[1]康建成,温家洪.15万年以来极地冰芯、黄土、深海沉积的对比研究与全球变化[J].极地研究,1997,9(2):134-144.[2]王宁练，姚檀栋.冰芯对于过去全球变化研究的贡献[J].冰川冻土,2003,25(3):275-287.[3]徐柏青，姚檀栋.达索普冰芯记录的过去2ka来大气中甲烷浓度变化[J].中国科学(D辑),2001,31(1):54-58.[4]王宁练，姚檀栋，ThompsonLG.青藏高原古里雅冰芯中NO-3浓度与太阳活动[J].科学通报,1998,42(3):309-312.[5]王宁练,ThompsonLG,Cole-DaiJ.青藏高原古里雅冰芯记录所揭示的Maunder极小期太阳活动特征[J].科学通报，2000,45(16)：1697-1704.[6]王宁练，姚檀栋，秦大河,等.约37kaB.P.大气中宇宙成因同位素含量增加的古里雅冰芯证据[J].科学通报,1999,44(7):765-769.[7]杨梅学,姚檀栋.冰芯中所记录的气候异常与ENSO事件[J].气象学报,1998,56(6):752-758.[8]姚檀栋，谢自楚，武筱舲.敦德冰帽中的小冰期气候记录[J].中国科学,1990,(11):1196-1201.[9]姚檀栋.古里雅冰芯近2000年来的气候环境变化记录[J].第四纪研究,1997,(1):52-61.[10]康世昌,秦大河，PaulA.Mayewski，等.近200a来珠穆朗玛峰北坡远东绒布冰芯气候记录[J].冰川冻第四纪环境学（Quaternarygeology）4土,2000,22(3):211-217.[11]皇翠兰，姚檀栋，蒲健辰，等.青藏高原希夏邦马冰芯中的环境变化信息[J].科学通报,1998,43(17):1902-1903.[12]宋琳琳，侯书贵，刘亚平.天山东部哈尔里克山庙儿沟冰芯1953年以来的δ18O记录[J].兰州大学学报（自然科学版）,2011,47(5):36-41.[13]张小伟，康建成，周尚哲.极地冰雪氢氧同位素指标及其指示意义[J].极地研究,2002,14(1):73-80.[14]田立德，姚檀栋，孙维贞，等.喜马拉雅山南坡冬季暴雪对高原南部冰芯中稳定同位素记录的影响[J].气象学报,2001,59(4):509-512.[15]侯书贵，秦大河，任贾文.乌鲁木齐河源1号冰川冰芯δ18O记录气候意义的再探讨[J].地球化学,1999,28(5):438-442.[16]姚檀栋，郭学军，LonnieThompson，等.青藏高原冰芯过去100年δ18O记录与温度变化[J].中国科学（D辑）,2006,36(1):1-8.[17]卫克勤，林瑞芬.祁连山敦德冰芯氧同位素剖面的古气候信息研究[J].地球化学,1994,23(4):311-320.[18]王有清,蒲健辰，张永亮，等.马兰冰芯记录的青藏高原中部现代升温变化特征[J].冰川冻土,2003,25(2):130-134.[19]姚檀栋，焦克勤，杨志红，等.古里雅冰芯中小冰期以来的气候变化[J].中国科学（B辑）,1995,25(10):1108-1114.[20]姚檀栋，杨志红，刘景寿.冰芯记录所揭示的青藏高原升温[J].科学通报,1994,39(5):438-441.[21]姚檀栋，L.G.Thompson.敦德冰芯记录与过去5ka温度变化[J].中国科学（B辑）,1992,(10):1089-1093.[22]姚檀栋，焦克勤，杨梅学.古里雅冰芯中过去400ka降水变化研究[J].自然科学进展,1999,9(12)增刊:1161-1165.[23]黄春长.环境变迁[M].北京：科学出版社，1998.50-51.[24]姚檀栋，焦克勤，杨梅学.古里雅冰芯中过去400ka降水变化研究[J].自然科学进展,1999,9(12)增刊:1161-1165.[25]章新平，姚檀栋，施维林，等.古里雅冰芯中小冰期以来的气候变化记录[J].湖南师范大学自然科学学报,1998,22(1):80-84.[26]姚檀栋,蒲健辰,刘景寿.唐古拉冰芯气候学研究.见:青藏高原冰川气候与环境[M],北京:科学出版社,1993.16-21.PALAEOCLIMATICINFORMATIONFROMOXYGENISOTOPICOFICECOREliufei(GeographyandTourismschoolofQFNU，Rizhao,Shandong276826)Abstract：Icecoreisoneofthebestrecordersofglobalpaleoclimateinformation.PaleotemperatureandPlaeoprecipitationwerecontinuouslypreservedinicecore.Methodsofpaleoclimatereconstructionwithoxygenisotopewereinterpret