本文摘要：摘要：冰芯高分辨率高保真地记录了过去不同时间尺度气候环境变化历史，而冰芯精确定年是重建过去气候环境演化的先决条件。通过回顾青藏高原冰芯定年的常用方法，提出了目前冰芯定年仍存在的挑战和机遇。通常的冰芯定年方法包括基于冰芯季节变化信号的数年层
摘要：冰芯高分辨率高保真地记录了过去不同时间尺度气候环境变化历史，而冰芯精确定年是重建过去气候环境演化的先决条件。通过回顾青藏高原冰芯定年的常用方法，提出了目前冰芯定年仍存在的挑战和机遇。通常的冰芯定年方法包括基于冰芯季节变化信号的数年层方法、放射性标志层定年、冰川流动模型、基于其它已知时间序列的对比定年，以及放射性同位素定年。最可靠的方法是数年层的方法，但受到冰川中下部年层逐渐减薄的制约，冰川流动模型主要应用于冰芯中下部定年，但存在不确定性较大而且难以验证的难题。未来冰芯学科发展对冰芯定年提出了更高要求，随着测量技术与手段的突破，新的方法与技术开始在极地冰芯与高山冰芯定年研究中展示了广泛的应用前景。冰芯连续测量技术(如冰芯同位素连续测量技术、激光剥蚀等离子体质谱技术)大幅度提高了冰芯测量结果的时间精度，有可能把数年层的定年方法延推到冰芯底部;基于“原子阱痕量分析”(AtomTrapTraceAnalysis，ATTA)的惰性气体(85Kr、81Kr、39Ar)放射性测年技术是一项革命性的技术，由于惰性气体在大气中的稳定性与均匀性使其在不同时间尺度冰川冰的绝对定年中发挥出优势。低浓度的可溶性有机碳的14C定年也从实验室探索阶段开始转入试用阶段，而且用冰量低，有望解决冰芯中碳含量低，定年困难的窘迫状况。此外，人类活动影响之前处于自然背景下的冰芯3H低本底测量技术结合数据处理方法，有望恢复过去100-200年与太阳活动周期相关的信号，将补充放射性标志层只有近代结果的不足。这些新的技术与方法在冰芯定年中的应用有望进一步推动中低纬度高山冰芯研究。
关键词：冰芯记录;定年;新技术;气候环境记录;青藏高原
0引言
冰芯是重建过去气候与环境变化的重要指标之一。冰芯记录具有分辨率高、信息量大、保真性强、时间序列长等特点[1]。在极地冰芯，其记录的时间尺度可达80万年[2]，在山地冰芯，报道的最长记录可达末次间冰期[3]。冰芯记录了一系列的与自然过程和人类过程相关的气温变化、温室气体、太阳活动、火山活动、生物地球化学循环等演化的信息[4]。
除了南北极冰盖的冰芯研究之外，中低纬度冰川，由于冰川积累量大而时间分辨率高、距离人类活动近而更易保存人类活动信息等特点，是开展冰芯研究理想场所。在过去几十年中，中低纬度冰芯记录为重建过去不同时间尺度气候环境演化历史提供了直接证据[5]。在我国，自从1987年在敦德冰帽钻取了中国第一支透底冰芯之后，先后在20多个冰川区开展了冰芯记录研究。如1992年与2015年分别在古里雅冰帽钻取了中低纬地区最深的冰芯[3，6-7]。
在喜马拉雅山中段的达索普冰川与帕米尔的慕士塔格冰川钻取了海拔高度达7000米的冰芯[1，8]。利用这些冰芯中的稳定同位素、冰川积累量、可溶性离子、微粒、有机成分、重金属记录，重建了过去不同时间尺度气温、降水、大气化学环境等多种气候环境指标的演化历史。特别是近几年，冰芯在利用黑碳[9]、有机污染物[10]与重金属记录[11]重建过去人类活动对环境的影响中发挥了重要作用。
目前，冰芯研究在三个方面不断取得突破。
第一，新的冰芯测年技术不断出现，提高了冰芯气候环境时间序列的可靠性，并可以从中挖掘更多的气候环境变化信息。第二，新的气候环境变化的指标被应用于冰芯研究中。例如冰芯中与火灾相关的有机化合物的指标[10]，“非靶向”分析技术识别出的大量不同组分有机分子[12]，此外还包括硝酸盐与硫酸盐的氮氧同位素成分等[13-16]。第三，对于冰芯记录代用指标的现代过程的认识不断完善，例如冰芯记录中δ18O的高频波动反映ENSO循环以及机制问题[17-18]。冰芯准确定年是冰芯研究的前提，是重建可靠的气候环境变化时间序列的保障。
多种方法可用于冰芯定年，包括常用的利用冰芯的季节变化信号来从上向下数年层、确定核事件的放射性标志层、特殊事件(如火山活动)以及冰川流动模型等。在中低纬度地区，优先使用的方法仍然是数年层，特别是在冰芯的上部。对于冰川中下部，冰芯样品分析的精度随冰川年层的减薄而变低，这种方法将失效，而冰川中下部定年一般是通过冰川流动模型实现的。与极地冰芯不同，中低纬山地冰芯在冰川积累量、冰芯时间尺度及冰川积累气候环境条件存在较显著差异，虽然冰芯定年方法存在很多共性，但中低纬山地冰芯定年有自己的特殊性。本文回顾了山地冰芯定年的常用方法，探讨了围绕青藏高原冰芯定年的现状与存在的问题。最后，总结了最近几年出现的新的冰芯定年方法并展望了在青藏高原冰芯定年中的应用前景。
1青藏高原冰芯定年常用方法回顾
在过去的30多年，青藏高原钻取了十几支透底深孔冰芯，这些冰芯的长度从数十米到309米，时间尺度不等。表1列出了青藏高原钻取的主要冰芯采用的定年方法。青藏高原冰川积累量大，几乎所有冰芯定年都利用了数年层的方法，特别是冰芯的上部。该方法基于高原山地冰川季节变化指标(包括冰芯稳定同位素、微粒含量、可溶性化学成分等)特征显著。很多冰芯也利用了1963年放射性标志层(β活化度、3H、137Cs)，可以验证冰芯上部最近几十年定年结果的可靠性。
其中还有6根冰芯利用了冰川流动模型对冰芯下部进行定年。对于数千年以上年龄的冰芯，利用14C与36Cl放射性同位素定年，是一种辅助的方法。敦德、普若岗日与崇测冰芯都利用了14C定年方法。只有在古里雅冰芯定年中利用了36Cl定年。在实际冰芯定年中，冰芯气候环境时间序列的建立都是基于多个不同方法的综合。
2青藏高原冰芯定年的机遇与挑战
2.1青藏高原冰芯定年存在的限制条件
冰芯中保存的高分辨率的季节信号(物理、化学)是冰芯高分辨率定年的主要指标。冬季与夏季不同降雪形成条件导致的季节变化(如透光性、密度等)以及降水样化学性质(稳定同位素、化学离子、黑碳记录等)的季节变化，通常作为冰芯高分辨率定年的依据。通过季节信号定年，要求冰芯钻取点冬季与夏季都有相当量的降水，但对于青藏高原大部分地区，降水只集中于夏季季风期，导致冰芯中季节性信号强度不够，与天气尺度的冰芯信号难以区分，加大了依靠数年层进行定年的难度。目前，非季风期降水较多的区域有藏东南地区、沿喜马拉雅山脉受冬季西风槽影响显著地区以及喀喇昆仑山地区。位于喜马拉雅山中段的达索普冰芯[37]与西段的那木纳尼冰芯[38]都保存了非常清晰的季节信号。
此外，冰川表面的后沉积过程会影响季节信号，高原内陆强的风蚀作用会破坏雪层结构，甚至侵蚀部分或全部的雪层，导致冰芯中年层信号不清甚至缺失。如2002年我们在敦德冰芯顶部钻取的数支浅冰芯的同位素记录高频波动信号不同步，而且在打钻现场发现表面积雪层理被强风破坏严重。随着气候转暖，冰川平衡线不断升高，出现冰川表面夏季融化的海拔高度不断上升，冰面强消融会导致冰芯中部分或全部的年层信号损失[39-40]，影响冰芯定年。
2.2高分辨率冰芯定年结果的机遇
(1)冰芯上部年际尺度的定年结果有望重获过去更长时间尺度ENSO循环的信号。冰芯中保存的稳定同位素信号，是反映过去气候变化或大气环流变化的指标。最近的研究发现，亚洲季风区降水及冰芯中稳定同位素信号短周期的波动与ENSO循环紧密相关[18，35，43]。冰川是由过去降水沉积形成，冰芯忠实地保存了过去降水稳定同位素的信号。建立与树轮时间序列精度一致的冰芯年际尺度时间序列，有望从冰芯同位素记录中重建更为可靠的过去长时间尺度ENSO循环的历史，但目前可以验证的高分辨率定年结果主要是在冰芯上部，随着冰芯深度的增加，定年误差会逐步增大。
(2)增加长时间尺度冰芯定年可靠性，有望建立可以与其它记录相对比的气候变化时间序列。目前中低纬度冰芯定年最大的不确定性仍然是在冰芯底部，即使极地冰芯的时间序列建立，也经历了不断调整以及与其它不同时间序列的检验过程[44-46]，包括利用极端气候事件以及冰芯包裹气体及其同位素成分变化的一致性对比。通过高分辨率测量技术、和更准确的绝对定年技术，将进一步提高深冰芯中下部定年结果的可靠性，从而为过去气候环境变化研究提供可以与其它记录对比的，可以相互验证的标准气候环境时间变化序列。
3冰芯定年新技术与展望
近些年来，技术的发展与测量手段的不断提高在冰芯定年中得到了应用或展示了应用前景。这些方法与技术有望帮助建立更高分辨率、更可靠冰芯记录时间序列，从而推动青藏高原冰芯气候环境变化研究取得更多创新成果。这些技术与方法包括冰芯高分辨率连续测量技术、基于“原子阱痕量分析”(AtomTrapTraceAnalysis，ATTA)的惰性气体放射性测年技术、冰芯14C(DOC)定年，以及3H同位素测量技术。除了下面讨论的定年方法之外，通过与石笋、树轮等高分辨率时间序列的对比，也可能是进一步验证冰芯定年结果的一种方法。
气候环境论文投稿期刊：《科学通报》(旬刊),创刊于1950年，是中国科学院主办、中国科学杂志社承办的自然科学综合性学术刊物，报道自然科学各学科基础理论和应用研究方面具有创新性和和高水平的、具有重要意义的最新研究成果，要求文章的可读性强，能在一个比较宽范的学术领域产生深刻的影响。本刊目标是：成为国内外读者了解中国乃至世界范围的自然科学各研究领域最新成果的主要窗口之一。
4结语
冰芯气候环境变化研究是冰冻圈科学研究的重要内容之一。在过去的三十多年，青藏高原冰芯记录研究取得了众多研究成果，并在一些新的研究方向不断取得突破。近些年来，一些测量技术上的创新也推动冰芯研究取得更多新发现。其中之一是新的定年方法的应用，包括冰芯样品连续测量技术、14C(DOC)定年技术、基于“原子冷阱分析(AT⁃TA)”的冰芯包裹气体惰性气体放射性同位素定年技术已在冰芯定年方法中崭露头角，3H测量技术的提高有望在冰芯上部高分辨率定年中得到应用。这些新的方法将进一步提高冰芯气候环境变化时间序列的精度与可靠性，推进冰芯研究的发展。
参考文献(References)：
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[6]ThompsonLG，YaoT，DavisME，etal.IcecorerecordsofclimatevariabilityontheThirdPolewithemphasisontheGuli⁃yaicecap，westernKunlunMountains[J].QuaternaryScienceReviews，2018，188：1-14
作者：田立德1，2，唐明星1
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