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揭开远古冰川的行踪之谜
2018-12-03 |文章来源: 小溪| 浏览次数:  |

  冰川之景壮丽、神奇,世界上有不少冰川久负盛名,吸引着大批游客前去探险、观赏。地球上现存的冰川主要分布在南极、北极和中、低纬度的高山区。只是很不幸,随着全球气候变暖,冰川的面积、体积明显减少,有的甚至发生大规模塌陷或融化消失。

壮丽的冰川之景(图片来自网络)

  一般人并不了解:在漫长的历史变迁中,地球表面的大片区域曾数次被巨大的冰川覆盖,随着地球气候、地质环境的变化,冰川也在变化着、移动着。科学家们意识到冰川变化移动的行踪里蕴含着对人类研究地球发展史有极为重要意义的信息。冰川的行踪问题被关注已有200年了,只是有些谜题多年来一直未能得到圆满的说明。近些年,在某种技术的帮助下,冰川的行踪之谜终于被揭开了,这个谜究竟是怎么揭开的呢?

  地质学家们说,是粒子加速器帮助他们了解了冰川行踪的真相。

  1.冰川行踪之谜

  地球表面覆盖有大规模冰川的地质时期称为冰期,地球地质史上曾发生过多次大冰期,最近的一次大冰期称为“第四纪冰期”,约从距今200多万年前开始直到现在。

地球冰期年代划分(图中显示的是年代与温度的关系)(图片来自网络)

  第四纪冰期的初期,规模巨大的冰川覆盖了地球北部的大部分地区。由于气候变化,冰川在经历冰冷和变暖(称为间冰期)的交替中有过多次大规模的进退,冰川的移动既有每天以快至30米的速度前进或后退之时,也有慢到以每年约半米的速度移动之时。冰川的移动不仅引起地球地貌的改变,同时还会引起海平面的变化、水系和水文条件的变化、气候的变化、生物的灭绝及变迁等,对整个地球的环境变化有很大影响。

  正因冰川的行踪蕴含着丰富的地质信息,地质学家们对冰川移动的时间以及路径的变化十分感兴趣,追踪冰期中冰川的移动信息对研究地球的历史、了解近几十万年以来地球的气候变化、人类生存环境的演变具有极高的研究价值。

  近200年来,地质学家们对冰期中冰川移动的研究并非一帆风顺。他们为理解冰期变化的周期,了解全球气候波动的地理分布并确定时间年表,想方设法用各种技术手段研究着冰川的行踪。

  冰川行踪中的某些谜题一直困惑着地质学家们。例如,在相当长的一段时间内,地质学界曾有过这样一个共识:约18000年前,巨大的冰川覆盖了爱尔兰三分之二的地域。与此相关的理论模型由当时测算的地质定年数据分析获得,但直到20世纪初期,用各种技术手段得到的地质定年结果却差别很大,这就使地质学家们一直对此共识心存疑点。

  近些年来,地质学家们得以使用了一项最新的技术,他们得到的新结果令人十分意外:18000年前的爱尔兰冰川要比原先测算分析的面积要大得多,不仅完全覆盖了整个爱尔兰,并且还延伸到离岸很远的地方。这是一项什么样的神奇技术呢?

  2.地质定年方法

  为地质事件确定年代在地球发展史的研究中极为重要,科学家们一直在探索能准确地进行地质定年的技术手段。

  20世纪50年代中期,美国布鲁克海文国家实验室的雷蒙德·戴维斯(Raymond Davis)(就是那位因研究来自太阳的电子中微子获2002年诺贝尔物理学奖的戴维斯)与研究产生宇宙环境背景辐射的奥利弗·谢弗(Oliver Schaeffer)合作提出了一个用“宇宙成因核素(Cosmogenic Nuclides)”可以较准确地进行地质定年的思路。

雷蒙德·戴维斯(Raymond Davis)(图片来自网络)

  所谓“宇宙成因核素”是指来自外层宇宙空间的宇宙射线粒子通过轰击暴露在地球外表的物质(包括大气层和地表)在其内部发生各类核反应产生了新的核素(具有一定质子数和一定中子数的原子),包括这类核素的一些同位素(即质子数相同中子数不同的一类原子)。

  宇宙射线直接轰击暴露在地表的岩石而产生的核素称为“原地生成核素”,包括10Be(铍)、26Al(铝)、36Cl(氯)、3He(氦)等。通过测定岩石中宇宙成因核素的浓度,并利用核素的生成量和因剥蚀、放射性衰变而引起的流失量函数可以计算出相应的岩石暴露时间从而确定其年代,这种方法被称为“宇宙成因核素测年法”。

  根据这个原理应可以测算出冰川的行踪。冰川移动后地面或地物才暴露出来,在宇宙射线的照射下这些地面或地物中就会产生某些同位素(产生速率与纬度、高度及组成物的性质相关)。其中一些为稳定同位素,它们的浓度会随着时间的推移逐渐增高,根据其产生的速率与积累的浓度便可计算出的时间从而确定其年代。另外,还会产生一些放射性同位素,它们的浓度随着时间的推移在积累的同时又按自身的半衰期在衰减。综合以上这些条件,测定这些地面或地物中宇宙成因核素的浓度即可确定其暴露的年代,由所测的一系列数据即可较精确地计算出冰川移动的行踪。

  20世纪50年代时,戴维斯和谢弗已对某些原地生成核素进行了研究,遗憾的是他们提出的这种可以用于测试地表岩石暴露年代的新思路在那时没有引起人们的足够重视。另一个原因是用这种思路进行研究需要更高灵敏度的粒子探测技术,这在当时还无法实现,地质学家们只能等待相关技术的发展。谁曾想,这一等就等了几十年。

戴维斯和谢弗1955年在《Ann NY Acad Sci》上发表的“Chlorine-36in nature”(图片来自网络)

  20世纪70年代,斯里尼瓦桑(B. Srinivasan)以及横山幸治(YujiYokoyama)等人对这种宇宙成因核素测年法的研究有了进展。斯里尼瓦桑发现了宇宙成因同位素Xe(氙)(包括124Xe、128Xe、131Xe),估算了它们的形成速率。而横山幸治等测定了宇宙成因同位素22Na(钠)和24Na的形成,给出了各种钠同位素形成速率的计算方法。

斯里尼瓦桑、横山幸治20世纪70年代在《Earth and Planetary Science Letters》上发表的文章(图片来自网络)

  3.新技术手段诞生

  随着地质学、考古学等研究的发展,对长寿命宇宙成因核素测量的需求越来越迫切,而当时用以进行宇宙成因核素测量的质谱测量法及衰变计数法灵敏度不够高,相关领域的科学家们始终期待着更新的技术手段。

  1977年,美国加州大学伯克利分校的理查德·穆勒(RichardA. Muller)提出了一个提高宇宙成因核素测年法灵敏度的新方法——用回旋加速器来探测长寿命宇宙成因核素(如14C(碳)、10Be(铍)等)。而差不多就在穆勒提出建议的同时,美国罗切斯特大学的研究团队提出了用串列加速器(由两段或三段静电加速器组成)测量14C的计划(自然界中的14C是一种长寿命宇宙成因核素,对14C的精确测量对考古学、地质学、海洋学及生物医学等领域均有重要的意义)。

理查德·穆勒(Richard A. Muller)(图片来自网络)

穆勒1977年发表的“RadioisotopeDating with a Cyclotron”(图片来自网络)

  实际上,用粒子加速器来进行用同位素来测定地质年代的方法在1939年就有人尝试过。路易斯·阿尔瓦雷斯(LuisW. Alvarez)(就是那位因发明氢泡室及其分析技术、发现共振态获得1968年诺贝尔物理学奖的阿尔瓦雷斯)和罗伯特·科诺(RobertCornog)利用美国劳伦斯伯克利国家实验室60英寸的回旋粒子加速器测定了自然界中3He(氦)的存在。但由于当时的粒子加速器束流品质有限,加之粒子探测技术还不够成熟,这方面的研究在此后近40年中无法更深入地开展。

阿尔瓦雷斯和科诺1939年在《Physical Review》上发表的“3Hein Helium”(图片来自网络)

  近40年之后,基于粒子加速器技术和粒子探测技术的不断突破,在穆勒等人1977年再次提出用粒子加速器测量长寿命宇宙成因核素的建议后,各研究团队的进展神速。加拿大麦克马斯特大学和美国罗切斯特大学就在1977年在同一期《Science》上发表了用串列加速器测量自然界14C的结果。

  这种新的核分析技术——加速器质谱技术(AcceleratorMass Spectrometry,简称AMS)诞生在20世纪70年代末并迅速发展起来。

加拿大麦克马斯特大学研究团队1977年在《Science》上发表的“Carbon- 14: Direct detection at natural concentrations”(图片来自网络)

美国罗切斯特大学研究团队1977年在《Science》上发表的“RadiocarbonDating Using Electrostatic Accelerators: Negative Ions Provide the Key”(图片来自网络)

  4.揭开冰川行踪之谜

  加速器质谱技术是基于粒子加速器和粒子探测技术的一种高能质谱测量,大多数加速器质谱技术所用的粒子加速器为串列加速器。它克服了传统质谱测量技术中的一些限制,具有极高的同位素丰度灵敏度(丰度指该同位素在这种元素的所有天然同位素中所占的比例,以百分数表示;丰度灵敏度表示测丰度时相对误差的大小)。普通质谱测量的丰度灵敏度最高为10-8,而加速器质谱测量则达到了10-16(灵敏度竟然提高了数个量级),且样品用量少(仅ng量级)、所需测量时间短,迅速成为一种具有强大优势的新技术手段。

普通质谱测量示意图。样品电离后,通过电磁场选出特定荷质比来分析原子或分子的质量,但在分析所测核素时会受到有质量数相同的分子本底和同量异位素的干扰(图片来自网络)

  加速器质谱测量示意图。可在离子源处引出负离子来抑制部分核素的同量异位素的产生,串列加速器可将负离子剥离成正离子,并利用核探测器鉴别出同量异位素,用于测量长寿命放射性核素十分有效(图片来自网络)

美国普渡大学的加速器质谱研究装置(图片来自网络)

德国HZDR离子束中心的加速器质谱研究装置(图片来自网络)

中国原子能院的加速器质谱研究装置(图片来自网络)

  加速器质谱技术出现之后,宇宙成因核素测年法的精度大大提高,这引起了地质学界的广泛关注,冰川行踪的研究有了获得突破的机会。

  当冰川厚厚的冰层覆盖大地时巨大的岩石被困在冰下,冰层阻挡了宇宙射线对岩石的攻击。冰川消退的过程中有时会将一些巨石从地层深处推到地面,一旦巨石暴露出来,来自宇宙的射线就开始与岩石内的原子相互作用,迅速产生宇宙成因核素的稀有同位素,例如3He(氦)、21Ne(氖)或10Be(铍)等。

冰川消退过程中一些巨石露出地面受到宇宙射线的轰击(图片来自网络)

  为了确定某块巨石是在何时被露出地面的,地质学家们用锤子、凿子,或者用石锯和小型爆炸装置,设法从巨石上弄下一块柚子大小的岩石样品带回实验室。他们将样品细细研磨后提取出某种特定的核素(例如以已知产生宇宙成因核素速率的石英,其主要成分是SiO2),然后再向样品中的原子中加入一个额外的电子(例如发射铯离子)形成带负电荷的元素或分子离子。这些离子被送入加速器加速后再轰击薄的金属箔或气体,剥离它们的电子并摧毁剩余的分子,然后再进入粒子计数探测器。通过统计不稳定原子与稳定原子的比值,即可揭示宇宙成因核素的数量。根据样品中宇宙成因核素的含量,即可较准确地推算出冰川推出巨石的时间。

地质学家们携带设备到采集岩石样品的区域(图片来自网络)

切割岩石表面10×10厘米的小块岩石作为样品,精确记录每个取样点的GPS定位坐标,用以确定其相对于周围地貌结构和冰川沉积物的位置(图片来自网络)

在格陵兰岛为宇宙成因核素测年采集巨石样品(图片来自网络)

用加速器质谱技术进行宇宙成因核素测年所获数据可准确推算出历史上覆盖某处的冰层厚度,这是冰原理论计算模型的关键基础数据(图片来自网络)

  美国能源部的《Symmetry》期刊在“用粒子加速器追踪冰川(Trackingglaciers with accelerator)”一文中先容了弗雷德·菲利普斯(FredPhillips)等地质学家用加速器质谱技术对冰川行踪研究的进展。

《Symmetry》刊登的“Tracking glaciers with accelerator”(图片来自网络)

  菲利普斯是美国新墨西哥州矿业与技术学院的冰川运动年代测定专家。由于他在水文、地球化学和地质学之间的相互作用,特别是宇宙成因同位素和地表暴露年龄之间的相互作用方面开创了跨学科的工作,曾多次获得国家和国际的奖项,并于2007年被授予美国科学促进会(AAAS)研究员的荣誉称号。

  菲利普斯在地球科学领域的大部分成就源于此项技术,即利用岩石和其它地貌中宇宙射线反应形成的Cl(氯)放射性同位素的测量比率,来更精准地确定过去百万年的火山爆发、岩石雪崩、海啸、流星撞击、地震、山体滑坡和冰川运动等地质事件的年代。

弗雷德·菲利普斯(Fred Phillips)(图片来自网络)

菲利普斯1986年在《Science》上发表的“The Accumulation of CosmogenicChlorine-36 in Rocks: a Method for Surface Exposure Dating”(图片来自网络)

  正因加速器质谱技术所具有的高灵敏度、小样本量、快速样品制备等优势,地质学家们对用原有测年方法获得的某些同位素的基准数据进行了重新测定,纠正了原有各种测年方法存在的误差问题,在地质测年精度方面取得了重要突破。根据加速器质谱技术的数据测算,地球的年龄比此前测算的减少了约70万年(够惊人的!)。新的测年标准为地球诞生、大陆及矿床形成、生物演化以及气候变迁等在内的种种地质过程列出了更为精确的时间表。

  加速器质谱技术的出现有力推动了地球科学领域的研究进展,据不完全统计,20世纪80年代中期以来发表的关于冰川年代和其它地质年代这方面的研究论文已达数千篇。

通过宇宙成因核素测年获得的希腊南部伯罗奔尼撒半岛上的冰川行踪图(图片来自网络)

  近些年,不少地质学家忙于深入研究地球南极西部的冰川行踪。这片冰川正处于缓慢崩塌的状态,而这片冰川的崩塌很可能引起海平面的大幅度上升,还会改变海洋循环和气候模式,引起干旱和严重的风暴,这些对地球来说都将是毁灭性的灾难。只有深刻了解历史上冰川的行踪才能更好地预见未来,才能研究出应对的办法,加速器质谱技术将在这项研究中起至关重要的作用。

南极西部的冰川正在加速融化(图片来自网络)

在南极用锤子和凿子在巨石上采集样品准备进行宇宙成因核素测定(图片来自网络)

  5.结语

  纵观历史,加速器质谱技术的发展大致经历了以下几个阶段:

  20世纪70年代末至80代末,大部分加速器质谱装置是在核物理实验研究的粒子加速器基础上改造而成的,拥有大型粒子加速器的核物理实验室均配置了从事加速器质谱研究的束线管道,可以测量的核素类型也大大扩展(从14C(碳)扩展到10Be(铍)、26Al(铝)、32Si(硅)、36Cl(氯)、39Ar(氩)、41Ca(钙)、59Ni(镍)、81Kr(氪)、129I(碘)、236U(铀)和239U等)。当时的粒子加速器能量已较高,但用于加速器质谱测量时精确度和稳定性受到一定限制,而且仅有部分束流时间可提供给加速器质谱测量。

  20世纪90年代初至21世纪初,由于考古、地质、环境等学科研究的发展,非专用装置无法满足用户的需求,加速器质谱测量的专用装置(大部份基于串列加速器)逐渐商品化,有些专用于10Be、14C、26Al、36Cl等宇宙成因核素的测量,有些则为海洋学或药物学等某个研究领域专用。

  近10年来,加速器质谱测量装置加快向紧凑化、小型化、标准化发展,并在测量精度、灵敏度、测量效率等方面有很大提高,可测的宇宙成因核素不断增加,同时还做到了耗电量低、成本低、维护方便,为更广泛的应用奠定了坚实的基础。

  加速器质谱技术是随着粒子加速器技术的发展而崛起的,在地球科学领域的应用涉及地质、考古、水文、海洋、冰川、气候、地磁等多个学科,在环境科学领域可用于城市污染监测(研究空气中PM2.5的来源)及核污染监测、全球环境气候变化等。除此之外,加速器质谱技术还在辐射防护、核安全、核废料、放射生态学、生物医学、毒理学和药理学、材料学、植物学、营养学等领域取得了重要研究成果。

  这是粒子加速器技术对世界科技发展作出的又一重要贡献!

  【参考资料】

  1、Trackingglaciers withaccelerators

  https://www.symmetrymagazine.org/article/february-2015/tracking-glaciers-with-accelerators

  2、Raymond Davis Jr.Biographical

  https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2002/davis/facts/

  3、Another use forparticle accelerators: helping scientists understand how glaciers move

  https://www.脸书.com/apsphysics/posts/another-use-for-particle-accelerators-helping-scientists-understand-how-glaciers/10153109635822952/

  4、New Mexico TechHydrologist Fred Phillips Named AAAS Fellow, Oct. 25, 2007

  http://w17.nmt.edu/news/all-news/16-2007/2994-new-mexico-tech-hydrologist-fred-phillips-named-aaas-fellow

  5、CosmogenicNuclide Dating

  http://www.antarcticglaciers.org/glacial-geology/dating-glacial-sediments-2/cosmogenic_nuclide_datin/

  6、"Impatient"scientists: Acceleratormass spectrometry (AMS) for the determination of long-lived radionuclides

  https://www.hzdr.de/db/Cms?pOid=27781&pNid=2791

  7、Did theMont-Blanc Glaciers Shrink Before?

  https://news.cnrs.fr/slideshows/did-the-mont-blanc-glaciers-shrink-before

  8、Cosmogenic Nuclides

  http://www.geochron.com.au/cosmogenic-nuclides-2/

  9、Glacial history of MtChelmos, Peloponnesus, Greece

  http://sp.lyellcollection.org/content/433/1/211

  10、地面测年技术—宇生同位素测年,《地球科学进展》第15卷第2期

  11、14C—AMS测量及其在pm2.5源解析中的应用

  http://www.docin.com/p-1843484448.html

  12、加速器质谱技术及其在环境科学中的应用

  http://mp.ofweek.com/instrument/a345663225006

  13、加速器质谱技术及其在地球科学中的应用,《岩矿测试》第24卷第4期

  14、南极冰川崩塌加速

  http://www.weather.com.cn/index/lssj/01/376302.shtml?COLLCC=4031364456&

  15、加速器质谱 http://www.cclycs.com/e953668.html

  16、宇宙成因核素技术在第四纪冰川测年研究中的评述及展望,《冰川冻土》第31卷第3期

  17、第四纪气候及海平面变化

  https://max.book118.com/html/2016/0713/48107204.shtm

  


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