冰芯中的氧同位素研究.docVIP

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） ：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。 ：冰芯；： 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]。 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。 中国冰芯中的氧同位素研究 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。 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