極地冰芯電學(xué)性質(zhì)研究范文

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《地球科學(xué)進(jìn)展雜志》2016年第二期

摘要:

冰芯是全球氣候變化研究的重要對象，通過物理和化學(xué)手段可提取其中的古氣候信息。作為物理分析技術(shù)之一，冰芯導(dǎo)電測量技術(shù)可分為ECM和DEP2類，已運(yùn)用到多個(gè)冰芯項(xiàng)目中。其主要反映了冰芯電學(xué)性質(zhì)受溫度、壓力、雜質(zhì)等因素影響而產(chǎn)生的變化，而導(dǎo)致這些變化的原因可從宏觀和微觀方面進(jìn)行解釋和探究。冰芯導(dǎo)電測量獲得的結(jié)果可應(yīng)用于定年、火山事件、積累率、生物質(zhì)燃燒、離子濃度恢復(fù)等多領(lǐng)域研究，對幫助系統(tǒng)認(rèn)識第四紀(jì)晚更新世以來的南極氣候演變過程具有重要意義。通過詳細(xì)總結(jié)極地冰芯導(dǎo)電性質(zhì)及測量技術(shù)的主要研究成果，探討了該技術(shù)在中國DomeA深冰芯項(xiàng)目中的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞:

冰芯;導(dǎo)電測量技術(shù);ECM;DEP;古氣候

1引言

冰芯是一種良好的古氣候記錄保存載體，具有保真性強(qiáng)、信息量大、時(shí)間跨度大、分辨率高等特點(diǎn)，并對揭示由于地球軌道變化引起的冰期—間冰期循環(huán)具有獨(dú)特優(yōu)勢［1］。冰芯中記錄的信息通常利用物理和化學(xué)分析方式進(jìn)行提取。其中，冰的導(dǎo)電測量技術(shù)是重要的物理分析手段之一，具有快速、簡便、可保持冰芯原始特征等特點(diǎn)。通過導(dǎo)電測量得到的連續(xù)信號不僅有助于后續(xù)的化學(xué)分析，并且可以反映相應(yīng)地區(qū)的一些古環(huán)境事件和環(huán)境變遷情況，具有十分廣泛的應(yīng)用前景。冰芯導(dǎo)電測量技術(shù)按采用電源差異可分為直流導(dǎo)電測量和交流導(dǎo)電測量2種形式，分別對應(yīng)2種具體測量方法:ECM。ECM是將通有高壓直流電的電極在剖開的整潔冰面上連續(xù)劃刻，記錄下電流隨固體冰中H+濃度改變的一種測量方式［2］。它是在實(shí)驗(yàn)室研究冰中摻雜HF，NH3，HCl等幾種物質(zhì)對冰導(dǎo)電能力影響的基礎(chǔ)上［3～5］，于1980年由Hammer［6］率先在GISP冰芯鉆探項(xiàng)目中提出并得到使用，目的是根據(jù)測量電流值加以校準(zhǔn)得到的模型，大致計(jì)算出各層位H+的含量。DEP則是基于通有低壓高頻交流電的電極測量固體冰阻抗(電容、電導(dǎo))的一種測量方式，由Moore等［7］于1987年在GRIP項(xiàng)目中首次提出。目前，ECM和DEP技術(shù)單一使用到冰芯測量環(huán)節(jié)中互有優(yōu)劣。前者設(shè)備簡單，便于現(xiàn)場快速操作，然而只能反映冰中H+的變化情況，并在一定程度上對冰芯有所破壞;后者設(shè)備相對復(fù)雜、不確定性大且分辨率低，但無需直接接觸冰芯就可得到測量結(jié)果，而且對冰芯破壞程度小，能夠反映冰中較多種類化學(xué)雜質(zhì)的含量及影響。鑒于兩者可以互相彌補(bǔ)對方不足，為更好地達(dá)到定年和火山事件分析等研究目標(biāo)，故在多數(shù)深冰芯鉆探項(xiàng)目中作為初步環(huán)節(jié)被共同使用。現(xiàn)今，冰凍圈對全球和區(qū)域氣候系統(tǒng)的反饋?zhàn)饔谜艿絿H科學(xué)界的廣泛關(guān)注［8］。作為其主體，南北極的開發(fā)和研究則更具有科學(xué)意義，多個(gè)極地鉆探計(jì)劃被提出和實(shí)施［9，10］。而冰芯導(dǎo)電測量技術(shù)將為科學(xué)分析冰芯提供有力的支持，有必要對其進(jìn)行深入研究和設(shè)備研發(fā)。本文將從該技術(shù)的主要方法和進(jìn)展、影響電學(xué)信號的因素、古氣候?qū)W應(yīng)用等多方面總結(jié)和探討過去兩極冰芯導(dǎo)電性質(zhì)和測量方面的一些研究成果，以期為未來研究提供方向和思路。

2技術(shù)進(jìn)展及設(shè)備

2．1ECMECM設(shè)備通常包括以下幾個(gè)主體部分:導(dǎo)軌、電極、編碼器、電腦。導(dǎo)軌起支撐和固定作用，防止冰芯在過程中滑移，長度略大于單支冰芯。電極是供電與冰芯直接接觸部件，通常手動操控。電極尾端有信號線與電腦相連，刻劃時(shí)電流的變化可通過其傳輸?shù)诫娔X軟件上得到連續(xù)曲線。編碼器的主要作用是記錄電極在剖開冰芯平面上所處的相對位置，便于測量冰芯的提取深度與電信號對應(yīng)(圖1)。雖然ECM測量設(shè)備在各國已有深冰芯鉆探項(xiàng)目中大體一致，但根據(jù)使用需求設(shè)備參數(shù)略有不同。ECM在20世紀(jì)80年代誕生后，經(jīng)過多年的改進(jìn)和發(fā)展，又陸續(xù)衍生出2種比較成熟的新型ECM技術(shù)。其中，Sugiyama等［23］于1995年首次在DomeF深冰芯鉆探中提出AC-ECM法，原理是利用AC(交流)損失角與高頻電導(dǎo)線性之間的相關(guān)關(guān)系反映冰芯導(dǎo)電性質(zhì)的變化。該方法雖然提高了測量結(jié)果的空間分辨率和重復(fù)性，并給出冰在高頻下的微觀性質(zhì)信息，但由于很難消除表面電導(dǎo)效應(yīng)，沒有好的校正標(biāo)準(zhǔn)，故難以廣泛應(yīng)用［24］。另一種是進(jìn)入21世紀(jì)后使用更為頻繁的多道ECM法，其主要是通過多個(gè)電極以增加寬度構(gòu)建出電導(dǎo)二維圖像［25］。這些方法的出現(xiàn)改進(jìn)和彌補(bǔ)了原有ECM技術(shù)的一些不足，為獲取和解讀冰芯的電學(xué)測量數(shù)據(jù)提供了更廣闊的角度。

2．2DEPDEP的設(shè)備構(gòu)成和測試方法與ECM相比則略有不同。在使用DEP測量時(shí)，一般將完整冰芯放置在一對彎曲的陽極氧化鋁電極上，角度為100°～140°，底部與高壓端相連，連續(xù)且與冰芯長度一致。頂部按測量分辨率放置小型電極，測量時(shí)測量段通有低壓，其他鋁制保護(hù)電極接地保證電流單向傳導(dǎo)(圖2)。DEP通常采用的電壓為1V，頻率最高可達(dá)1MHz，通常測量1m長的冰芯一般需要30min，結(jié)果用電導(dǎo)率表示［27］。這一技術(shù)的出現(xiàn)補(bǔ)足了ECM存在的缺陷，并一同應(yīng)用于各項(xiàng)深冰芯鉆探中(表2)。除基本的DEP技術(shù)外，為彌補(bǔ)DEP測量分辨率的不足，又進(jìn)一步衍生出2種新型DEP技術(shù)。第一種是由Moore［28］在1993年提出的高分辨率DEP技術(shù)，采用縮小冰芯上方的LO電極來提高DEP圖像的分辨率(5～6mm)，取得良好效果的同時(shí)，節(jié)省了大量的測試時(shí)間。另一種是ECM混合技術(shù)，主要借鑒ECM的優(yōu)點(diǎn)，利用電極在冰表面劃刻進(jìn)行測量以提高分辨率［23，29］。經(jīng)過多年發(fā)展，DEP技術(shù)同ECM技術(shù)一樣逐漸得到完善，也提供了更加精確的電學(xué)測量數(shù)據(jù)幫助解讀冰芯信息。

3冰芯電學(xué)性質(zhì)及宏觀影響因素

雖然冰芯導(dǎo)電測量已經(jīng)成為在冰芯分析中不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但若想清晰解讀在冰芯中的古氣候與環(huán)境變化信息并選擇合適的條件測量，首先需要了解和掌握冰芯在不同條件下導(dǎo)電時(shí)的性質(zhì)變化和宏觀影響因素。目前，通常把純冰在－15℃，0．1MPa，密度為917kg/m3、無特殊組構(gòu)和雜質(zhì)條件下的電導(dǎo)率和電導(dǎo)常數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)值(表3)，與不同條件下的電學(xué)信號響應(yīng)比對［31］。影響冰芯電學(xué)性質(zhì)變化的因素可分成2類:內(nèi)部化學(xué)雜質(zhì)因素和與之相對的非化學(xué)因素。

3．1非化學(xué)因素

3．1．1冰芯物理?xiàng)l件冰芯物理?xiàng)l件是指冰芯本身的物理性質(zhì)，包括溫度、壓力、密度、冰晶體性質(zhì)等因素，它們會對冰的電學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生不同程度的影響。其中，溫度是改變體積電導(dǎo)率和電容能力的重要因素之一［32］。根據(jù)阿倫尼烏斯定律，溫度、活化能與體積電導(dǎo)率的倒數(shù)呈指數(shù)關(guān)系，且溫度還直接影響活化能的高低［33，34］。在實(shí)際ECM測量結(jié)果中，具體表現(xiàn)為隨溫度降低電流會明顯下降，但整體變化趨勢不發(fā)生改變［35］(圖3)。鑒于溫度的變化特點(diǎn)，在實(shí)際操作時(shí)，通常選擇在－14～－15℃進(jìn)行冰芯導(dǎo)電測量(表1)。一方面該溫度可以有效反映冰的固有導(dǎo)電特性，另一方面溫度較高會產(chǎn)生表面電導(dǎo)，影響測量結(jié)果［28］，而溫度較低則會對實(shí)驗(yàn)室制冷條件提出較高要求，給實(shí)驗(yàn)人員的操作也增加了一定困難。在自然條件下，冰層所受壓力會因上覆冰層的增厚而逐漸增加。這種壓力變化可影響冰的凝固點(diǎn)，而凝固點(diǎn)又控制著直流和交流電導(dǎo)的變化［25］。并且，對冰I形態(tài)的研究也指出，隨壓力增長，冰的直流電導(dǎo)是快速增長的［36］。因此，盡管無法量化壓力對電導(dǎo)率的影響，但是可以確定壓力是控制冰芯電導(dǎo)變化的因素之一。此外，壓力的變化還可間接引起冰密度的改變，雖然在冰芯中變化范圍不大(840～920g/cm3)，但研究表明密度是影響上部粒雪介電常數(shù)改變的首要因素，并可能主要是通過控制冰晶體內(nèi)部硫酸電導(dǎo)系數(shù)的變化來實(shí)現(xiàn)的［37］。利用冰芯中介電常數(shù)的改變，通常可以明確區(qū)分出粒雪向冰轉(zhuǎn)變的層位［38］。影響電學(xué)性質(zhì)的冰晶體性質(zhì)包含多個(gè)方面，在這里主要對2個(gè)方面進(jìn)行討論:晶體粒徑和晶體形狀。前者盡管曾被指出是控制冰中電導(dǎo)率的主要因素［39］，但在DomeC冰芯的研究中，末次間冰期冰芯段的電學(xué)響應(yīng)卻沒有隨著晶粒尺寸增加而有明顯改變，因而尚無法定論晶體粒徑對電導(dǎo)率的影響［40］。后者是計(jì)算電導(dǎo)率經(jīng)驗(yàn)公式中的影響參數(shù)之一，但其值改變范圍十分有限(0，1/3，2/3)［25］。所以，就冰晶體性質(zhì)而言，其對冰芯電學(xué)性質(zhì)的影響并不顯著。

3．1．2測量設(shè)備參數(shù)因素根據(jù)使用技術(shù)和冰芯理化性質(zhì)的不同，測量時(shí)采用的設(shè)備參數(shù)常常會發(fā)生改變，包括施加的電壓(ECM)、頻率(DEP)以及與冰面直接接觸的電極(ECM)等。其中，在ECM中，電壓的增長可造成響應(yīng)電流呈非線性增加，原因可能是當(dāng)電極碰觸冰芯時(shí)，產(chǎn)生的熱效應(yīng)導(dǎo)致在冰表面形成水薄膜，進(jìn)而增強(qiáng)了冰芯的導(dǎo)電能力［31］。與溫度的影響類似，這種非線性的電流變化并不能改變總體變化趨勢，只能造成信號量級的增加。電極與冰芯的接觸面積(電極形狀)和間距也會引起ECM電流值的改變，間距變小和接觸面積的下降均可導(dǎo)致電流下降［6］。另外，頻率的變化主要影響DEP中介電常數(shù)的變化，變化規(guī)律是在低頻時(shí)較高，在達(dá)到弛豫頻率時(shí)較低，而在到達(dá)1GHz后趨于穩(wěn)定［41］。

3．1．3操作因素冰芯在進(jìn)行測量前要經(jīng)過提取、運(yùn)輸、保存、處理等各種環(huán)節(jié)，均需要操作人員的參與和介入，難以避免一些因素作用于冰芯而對導(dǎo)電性質(zhì)產(chǎn)生影響。首先，冰芯的儲存時(shí)間和環(huán)境會造成老化效應(yīng)的顯現(xiàn)。因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)室測量前多數(shù)冰芯需要在冷藏庫內(nèi)保存一定時(shí)間，所以，經(jīng)過保存的冰芯便會受到保存環(huán)境中空氣不同成分的影響。根據(jù)改變冰芯周圍環(huán)境的測量結(jié)果，氨氣的影響十分明顯，而氦氣則基本無影響。由于氨氣可導(dǎo)致ECM中H+濃度的下降，故實(shí)驗(yàn)室分析冰芯在ECM中常表現(xiàn)出比未經(jīng)保存直接測量冰芯的電流值低［42］。其次，冰芯質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響著導(dǎo)電測量結(jié)果。冰芯質(zhì)量描述主要包括是否有斷層，受污染程度的高低，剖開平面的整潔程度等多個(gè)方面，而這些方面可能造成信號缺失和偏差。所以，在測量導(dǎo)電信號前確認(rèn)其質(zhì)量是十分必要的。最后，由于多數(shù)ECM設(shè)備采用手動操作方式，不同操作人員使用不同的設(shè)備對同一段冰芯測量很有可能出現(xiàn)不同結(jié)果，一些細(xì)節(jié)的差異就會造成測量值的波動，從而影響結(jié)果的解讀。

3．2化學(xué)物質(zhì)對冰芯電學(xué)性質(zhì)的影響南北兩極冰蓋中存在的自然冰無一例外是通過大氣降雪(水)和后續(xù)的降溫轉(zhuǎn)化過程而形成的。因而，不同于純冰，它攜帶有大量來自于大陸、海洋、甚至是地球內(nèi)部(如火山噴發(fā))的化學(xué)雜質(zhì)和氣體。對于冰的電學(xué)性質(zhì)而言，化學(xué)物質(zhì)種類和濃度的變化(緯度、區(qū)域、季節(jié)、氣候引起)可造成電學(xué)信號的波動，反之，利用電學(xué)信號的變化又可以推導(dǎo)出化學(xué)物質(zhì)的濃度高低以及造成該變化的古環(huán)境事件［43～53］。在冰芯中，通常包含4種主要的化學(xué)物質(zhì)，即酸、銨根、海鹽離子和大陸源離子。鑒于這些物質(zhì)對ECM和DEP結(jié)果的影響存在差異，需要分別對它們進(jìn)行詳細(xì)討論。

3．2．1酸已有研究指出，酸電離產(chǎn)生的H+是控制ECM和DEP響應(yīng)的主導(dǎo)因素，特別是強(qiáng)酸(鹽酸、硝酸、硫酸)的作用［31，44］。不同種類強(qiáng)酸的電學(xué)響應(yīng)各自不同，其中，硝酸和鹽酸在背景值中(有季節(jié)性循環(huán))貢獻(xiàn)最大，而顆粒邊界的主體酸———硫酸(主要產(chǎn)生于火山噴發(fā))則是異常高峰值的來源，少部分峰值也來源于鹽酸［45］。

3．2．2銨根銨根是冰芯中主要的化學(xué)雜質(zhì)之一，其大部分來源于生物質(zhì)燃燒過程，小部分則可能來自本地生物殘?bào)w的降解［48］。當(dāng)來自這些源區(qū)的銨根出現(xiàn)濃度峰值時(shí)，ECM和DEP測量結(jié)果會產(chǎn)生截然相反的響應(yīng)，即ECM信號急速衰減和DEP信號同步出現(xiàn)峰值。前者是由于呈堿性的銨根與酸發(fā)生中和作用造成了H+的濃度下降而使得電流值降低［46］，后者則通過對富含銨根流動水的冰的研究發(fā)現(xiàn)，可能是由于銨根與氯離子的聯(lián)合作用造成導(dǎo)電響應(yīng)上升［49］。此外，在對處于冷期的冰芯測量時(shí)，其電導(dǎo)率的變化趨勢與銨根濃度變化趨勢相似，亦證實(shí)了銨根對DEP信號的正效應(yīng)。

3．2．3海鹽離子海洋的水汽蒸發(fā)是南極大陸沉降的主要來源之一，因而，雪冰中常含有海水水汽帶來的大量鈉、鎂、鉀、鈣等陽離子和以氯離子為主的陰離子。由于這些離子在電學(xué)響應(yīng)中的區(qū)別不明顯，特別是ECM對其響應(yīng)微弱或基本無響應(yīng)，可統(tǒng)稱為海鹽離子。不過，靠近海岸的Filchner-Ronne冰架獲取的冰芯中含有高濃度的氯離子，使用ECM檢測卻得到電學(xué)信號，這種現(xiàn)象的原因可能要?dú)w咎于海鹽離子濃度超出一定界限，自由鹽水使得電流能夠傳導(dǎo)［50，51］。而在DEP中，氯離子是控制電導(dǎo)值的3個(gè)主要化學(xué)物質(zhì)之一，可導(dǎo)致電導(dǎo)值出現(xiàn)峰值并多出現(xiàn)在秋冬季。

3．2．4大陸塵埃和離子除以上3種化學(xué)物質(zhì)以外，冰芯中一些通過風(fēng)力和降水進(jìn)入到冰中并沉積下來的，源于大陸的塵埃也能引起導(dǎo)電結(jié)果的改變。這些塵埃主要以固體微粒形式存在，并由礦物離子組成，多為呈堿性的Ca2+，隨著其濃度升高通常會導(dǎo)致ECM中響應(yīng)電流的降低。經(jīng)過Legrand等［52］對VOSTOK站附近多根冰芯的研究表明，這種降低可能是由于與Ca2+和相關(guān)的不溶性鋁酸鹽在高酸度情況下發(fā)生反應(yīng)的負(fù)作用。然而，在DEP中，測量獲得的趨勢則與ECM截然相反，研究表明，Ca2+在濃度低于10μmol/L時(shí)表現(xiàn)出隨含量增加間接導(dǎo)致交流電導(dǎo)率輕微上升［53］。

4微觀傳導(dǎo)機(jī)制

相比從宏觀的角度解讀冰芯導(dǎo)電測量信號的變化，電學(xué)傳導(dǎo)機(jī)制的研究將從理論和微觀角度更好地幫助理解不同因素對電導(dǎo)影響的原因。目前，Jaccard晶內(nèi)離子缺陷理論和晶間水脈理論是描述冰導(dǎo)電性質(zhì)變化的2種主要理論［54］。普遍認(rèn)為，低頻高濃度情況下，酸的導(dǎo)電作用機(jī)制傾向于晶間水脈理論，而低濃度和高頻情況則更適用于晶體缺陷理論(除3．2．3中案例)［33，34］。

4．1Jaccard晶內(nèi)缺陷理論該理論由Jaccard等［55］率先提出，主要認(rèn)為固體冰電導(dǎo)的產(chǎn)生是由于化學(xué)離子造成的冰晶格內(nèi)缺陷。形成的缺陷有2種，分別是離子缺陷和L－或D－缺陷。在冰芯中，前者通常是在直流情況下(ECM)由H+產(chǎn)生，后者主要是在高頻情況下(DEP)由酸或鹽形成［55，56］。一些事實(shí)可以用該理論進(jìn)行解釋:摻雜冰導(dǎo)電研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果與DFT模型一致，暗示了在溫度系統(tǒng)恒定的摻雜冰中缺陷的活躍程度似乎受到L－缺陷的自由遷移控制［57］;而對酸在冰中電導(dǎo)的作用研究也發(fā)現(xiàn)，盡管大部分直流被晶體邊界阻礙，通過多晶導(dǎo)電的極地冰可以用Jaccard理論中單晶體介電質(zhì)子缺陷來解釋，并且使用阿爾奇定律(Archie’sLaw)模擬得到的結(jié)果也不支持晶間水脈理論導(dǎo)致明顯低頻電導(dǎo)的假說［58］。

4．2晶間水脈理論由于晶內(nèi)缺陷理論無法很好地解釋直流電導(dǎo)的量級和溫度依賴性，也無法解釋酸的低電導(dǎo)與硫酸有關(guān)等問題，Wolff等［25］經(jīng)過進(jìn)一步研究提出晶間水脈理論。該理論主要認(rèn)為在冰晶粒結(jié)合區(qū)存在著孔隙，而一些離子(主要是酸)存在于該區(qū)域(顆粒邊緣)的液態(tài)水中，電導(dǎo)便沿著這些離子形成的網(wǎng)絡(luò)移動，即構(gòu)成酸性晶間水脈。雖然用電子掃描顯微鏡觀察冰晶得到的直接事實(shí)支持該理論(圖4)，但無法排除酸在晶格中仍存在晶內(nèi)電導(dǎo)的可能性［59］。而且，還有一些難以用該理論進(jìn)行解釋的現(xiàn)象存在，例如，50%融化的冰芯和100%融化的冰芯pH值十分接近，冰芯深處超大單晶體冰的直流電導(dǎo)結(jié)果(ECM)與普通冰芯無異等［60］。

5冰芯導(dǎo)電測量結(jié)果的應(yīng)用

5．1火山事件及定年火山噴發(fā)會釋放出大量的塵埃和氣體進(jìn)入大氣層，而氣體中的SO2可經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)輸以及大氣化學(xué)反應(yīng)沉降形成酸性層［61］，H+濃度急劇增高會造成ECM和DEP信號中存在明顯的峰值。經(jīng)過信號比對和雜音排除，可將部分ECM和DEP的異常峰值標(biāo)記為火山事件［62］。Liu等［63］曾針對Vostok站BH8冰芯分析判定出一個(gè)4700年前的火山事件;Parrenin等［64］則經(jīng)由DomeC和Vostok站多根冰芯電學(xué)信號比較，得出從現(xiàn)在到14．5萬年前時(shí)間段內(nèi)的111個(gè)火山事件。此外，冰芯導(dǎo)電測量結(jié)果不僅可以給一些尚未記錄的古火山事件提供依據(jù)，還可以通過將信號異常高值作為年代標(biāo)志層并根據(jù)存在的高低起伏周期變化進(jìn)行定年［65］。冰芯詳細(xì)的年際劃分可為后續(xù)計(jì)算積累率和離子濃度分析奠定基礎(chǔ)，并建立起連續(xù)的古氣候記錄。

5．2積累率物質(zhì)平衡觀測是兩極研究的一個(gè)重要課題，現(xiàn)今人們可以利用標(biāo)桿、衛(wèi)星等手段進(jìn)行觀測。不過，若想了解過去無人類記錄時(shí)期的物質(zhì)積累情況，以上這些方法就難以實(shí)現(xiàn)，而此時(shí)就可以利用DEP來近似恢復(fù)古代積累率的變化。具體方法是先通過由Loogenya［66］提出，Glen等［67］改進(jìn)的修正混合模型計(jì)算出密度，后結(jié)合連續(xù)DEP記錄得到對應(yīng)時(shí)期積累率。應(yīng)用此方法，Karlf等［68］針對1997—1998年在毛德皇后地采集的一根120m冰芯進(jìn)行積累率恢復(fù)，得出小冰期時(shí)期積累率下降8%的結(jié)論。Oerter等［69，70］對來自相同地點(diǎn)采集的多根淺冰芯進(jìn)行積累率恢復(fù)，認(rèn)為19世紀(jì)的積累率低于20世紀(jì)，經(jīng)過驗(yàn)證后得出，從DEP得到年積累率與氚同位素推導(dǎo)出的結(jié)果是基本一致的。而Hofstede等［71］對6支不同地區(qū)冰芯的研究提出20世紀(jì)初期的積累率增長最快，西南極的時(shí)空變化相較東南極更為顯著，積累率雖有波動但無明顯特征的結(jié)論。除LMM模型外，在此基礎(chǔ)上，Wilhelms［72］又進(jìn)一步發(fā)展提出DECOMP模型，將DEP得到的電導(dǎo)率轉(zhuǎn)換得到的密度精確度由10%提高到1%，進(jìn)而獲得了更加準(zhǔn)確的古積累率變化值。

5．3生物質(zhì)燃燒生物質(zhì)燃燒事件在工業(yè)革命前主要是指森林火災(zāi)或農(nóng)業(yè)清除過程，其反映了生物圈的變化情況［73］。在燃燒過程中，大量產(chǎn)生銨根、Ca2+和黑炭，其中，銨根濃度的上升最為明顯。如前所述，銨根可借由中和反應(yīng)造成ECM信號的減弱，所以，可通過ECM信號的異常減弱判斷是否有生物質(zhì)燃燒事件發(fā)生。Chylek等［74］測定來自GISP2冰芯3組樣品中的黑炭濃度，發(fā)現(xiàn)氨濃度峰和ECM谷有很好的對應(yīng)，可以確認(rèn)這一時(shí)間段的大范圍森林著火事件。Taylor等［75］同樣使用GISP2冰芯的ECM信號得到了一個(gè)6000年長度的生物質(zhì)燃燒記錄，并認(rèn)為銨根可能來源于加拿大東部。

5．4離子濃度恢復(fù)利用電流強(qiáng)度或電導(dǎo)數(shù)值并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式(公式(1)和(2))可大致恢復(fù)出總酸離子和中性鹽離子濃度。盡管目前已有離子色譜等手段進(jìn)行冰芯離子濃度分析，但是電學(xué)方法不僅可在鉆進(jìn)現(xiàn)場快速估算，而且能夠幫助驗(yàn)證化學(xué)分析的準(zhǔn)確性［76］。ECM結(jié)果可用于預(yù)測H+濃度［77］，而DEP則可在ECM的基礎(chǔ)上預(yù)測中性鹽離子濃度。通過Moore等［78］對Dollmen冰芯的研究結(jié)果來看，雖然H+濃度在冰芯較淺深度部分預(yù)測不夠理想，但大體上符合情況較好，而鹽的預(yù)測則由于酸的影響在低濃度時(shí)預(yù)測效果不佳。在得到離子濃度的基礎(chǔ)上，可知每段冰中占主導(dǎo)位置的是何種化學(xué)物質(zhì)，進(jìn)而區(qū)分出冰期和間冰期的大致范圍。判斷標(biāo)準(zhǔn)是:酸在全新世暖期和大間冰期占主導(dǎo)，堿性銨根主要控制冷期，如YD(YoungerDryas)等，而氯離子是在小間冰期和小冰期中為主導(dǎo)［79］。

6結(jié)語和展望

回顧過去30多年極地冰芯導(dǎo)電測量技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，盡管在多方面已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步并獲得了豐富的成果，但現(xiàn)階段的測量工作仍存在許多不足之處，值得進(jìn)一步提高和完善。首先，無論是ECM還是DEP技術(shù)仍存在較多因素干擾所得結(jié)果，盡管結(jié)合應(yīng)用時(shí)可以排除部分影響，但使用仍缺乏準(zhǔn)確性和有效性，特別是在定年使用上。其次，一些控制冰芯宏觀導(dǎo)電性質(zhì)因素的關(guān)鍵問題尚未得到有效解答，如多種因素的聯(lián)合作用效應(yīng)、每種因素的影響程度等。第三，冰芯中的電學(xué)傳導(dǎo)機(jī)制相對而言比較復(fù)雜，現(xiàn)有理論無法清晰解釋所有相關(guān)現(xiàn)象，迫切需要產(chǎn)生新的理論體系來改變這一情況。第四，包括前處理設(shè)備在內(nèi)，冰芯導(dǎo)電測量設(shè)備仍需在多方面進(jìn)行改進(jìn)。基于以上不足，我們可對未來冰芯導(dǎo)電測量技術(shù)的相關(guān)研究工作提出更多展望:測量設(shè)備是提高數(shù)據(jù)可靠性的關(guān)鍵，通過增加自動化控制和改變電極設(shè)計(jì)可消除手動操作帶來的誤差，提高數(shù)據(jù)分辨率;宏觀因素的分析還需要進(jìn)一步與數(shù)學(xué)模型結(jié)合，并適當(dāng)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，以準(zhǔn)確量化多種因素的單獨(dú)和聯(lián)合影響，便于在后續(xù)分析中剔除這些因素帶來的噪音;電學(xué)傳導(dǎo)機(jī)制的研究則應(yīng)該著眼于增進(jìn)對冰晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)知，引進(jìn)其他學(xué)科的研究方法，來找尋新的發(fā)現(xiàn)和突破;而在古環(huán)境和古氣候?qū)W應(yīng)用方面，可結(jié)合其他方法加以印證和對比以排除噪音信號，比如在火山事件識別方面，采用分析冰芯中非海相硫酸鹽離子濃度的方法來互相鑒別以提高準(zhǔn)確率。同時(shí)，加強(qiáng)除噪過程中數(shù)學(xué)方法的使用和改進(jìn)也可部分修正ECM和DEP信號的偏差。

近年來，我國正在實(shí)行昆侖站DomeA深冰芯鉆探計(jì)劃，將通過鉆取深度達(dá)3000m以上的冰芯來恢復(fù)過去100ka南極古氣候變化情況［80］。面對DomeA深冰芯的特殊地理位置及其他冰芯可能前所未有的記錄時(shí)間尺度，冰芯導(dǎo)電測量技術(shù)在DomeA冰芯的應(yīng)用前景是十分廣泛的。不僅可以利用其測量結(jié)果進(jìn)行定年，還可在此基礎(chǔ)上對生物質(zhì)燃燒、火山事件等特殊環(huán)境事件進(jìn)行研究，并與接下來的化學(xué)分析結(jié)果相互結(jié)合，給出過去百萬年來大氣降水中的離子變化。這些應(yīng)用成果無疑將填補(bǔ)南極古氣候研究在南極內(nèi)陸地區(qū)的空白，幫助探究上空大氣遷移過程中的大氣化學(xué)反應(yīng)，并對認(rèn)知晚更新世南極氣候演變和南極在全球氣候系統(tǒng)中的影響起到重要作用。

作者：馬天鳴 謝周清 李院生 單位：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院 中國極地研究中心冰川室