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中國科學技術大學盧征天、蔣蔚教授帶領的單原子探測團隊與云南大學田立德研究員帶領的冰川學團隊合作，首次對冰芯進行了氬-39（39Ar）同位素定年測量，為青藏高原羌塘冰川冰芯建立了上千年的精準年代標尺。相關成果以“A Tibetan ice core covering the past 1,300 years radiometrically dated with39Ar”為題于9月26日在《美國國家科學院院刊》上發(fā)表【Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.2022, DOI:10.1073/pnas.2200835119】。

冰芯是保存環(huán)境大氣的獨特檔案，對冰芯進行定年是正確解讀其中古氣候信息的關鍵。我國青藏高原被譽為世界第三極，擁有眾多的山地冰川，是中低緯度古氣候研究的寶貴資源。但是科研人員一直缺少給青藏高原深冰芯絕對定年的可靠方法。半衰期為268年的放射性39Ar覆蓋了50-1800年的定年范圍。作為一種惰性氣體，39Ar在大氣中分布均勻，是山地冰川的理想定年同位素。然而，39Ar在環(huán)境中的同位素豐度極低，可低至十億億分之一，因此冰芯中39Ar的定量分析在過去半個世紀以來一直是個難題。

圖1. 新提取出來的羌塘冰川冰芯。攝影：極地未來。

中科大研究團隊發(fā)展了原子阱痕量分析 (ATTA) 方法，對極其稀有的39Ar進行單原子水平的靈敏探測。經(jīng)過長期努力，團隊大幅度提高了39Ar的檢測效率、分辨率及靈敏度，近期成功地把定年分析所需冰樣降低到了幾公斤，從而實現(xiàn)了對冰芯的39Ar定年。

圖2. 用于39Ar分析的單原子靈敏探測裝置。設計：楊國民。

羌塘高原位于青藏高原的腹地，氣溫低、降水少，有利于古老冰川的保存。位于其邊緣的羌塘一號冰川頂部年平均溫度只有-11℃，最低溫度達-30℃。2014年5月，田立德與同事們在海拔5900米的冰川頂部連續(xù)奮戰(zhàn)十多個通宵（白天溫度高，融化的冰屑容易將鉆機卡?。晒︺@取了兩根長達109米的透底冰芯，其中一根被用于39Ar定年分析。

圖3. 科考隊在青藏高原羌塘冰川鉆取冰芯。攝影：極地未來。

通過測量39Ar同位素豐度，研究人員獲得了整根冰芯在過去1300年的年齡分布，不確定度為7%-16%。研究人員將39Ar定年結果與基于數(shù)年層法構建的冰芯年代標尺做了比對，對其進行了修正，約束了冰川流動模型，最終建立了基于39Ar結果的新冰芯年標。

圖4. 冰芯深度與年代的關系。綠色部分為基于39Ar結果的新年代標尺。

這項基于量子精密測量的新興定年方法將提高中低緯山地冰川作為氣候檔案的價值。山地冰川不僅分布在青藏高原，還在歐洲阿爾卑斯山脈、南美安第斯山脈以及中亞等地區(qū)廣泛存在。作為古氣候記錄，它們是南北兩極冰川的重要補充?？紤]到過去兩千年期間的氣候異常現(xiàn)象，例如中世紀暖期和小冰河期，這些氣候檔案尤為重要。此外，冰芯也記錄了過去幾百年中人類對氣候與環(huán)境的影響。

微尺度物質(zhì)科學國家研究中心副研究員Florian Ritterbusch為論文第一作者，盧征天教授與田立德研究員為共同通訊作者。該研究工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中科院和安徽省的資助。

論文鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2200835119

（合肥微尺度物質(zhì)科學國家研究中心、物理學院、中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）