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揭開遠古冰川的行蹤之謎
2018-12-03 |文章来源: 小溪| 浏览次数:  |

  冰川之景壯麗、神奇,世界上有不少冰川久負盛名,吸引著大批遊客前去探險、觀賞。地球上現存的冰川主要分布在南極、北極和中、低緯度的高山區。只是很不幸,隨著全球氣候變暖,冰川的面積、體積明顯減少,有的甚至發生大規模塌陷或融化消失。

壯麗的冰川之景(圖片來自網絡)

  一般人並不了解:在漫長的曆史變遷中,地球表面的大片區域曾數次被巨大的冰川覆蓋,隨著地球氣候、地質環境的變化,冰川也在變化著、移動著。科學家們意識到冰川變化移動的行蹤裏蘊含著對人類研究地球發展史有極爲重要意義的信息。冰川的行蹤問題被關注已有200年了,只是有些謎題多年來一直未能得到圓滿的解釋。近些年,在某種技術的幫助下,冰川的行蹤之謎終于被揭開了,這個謎究竟是怎麽揭開的呢?

  地質學家們說,是粒子加速器幫助他們了解了冰川行蹤的真相。

  1.冰川行蹤之謎

  地球表面覆蓋有大規模冰川的地質時期稱爲冰期,地球地質史上曾發生過多次大冰期,最近的一次大冰期稱爲“第四紀冰期”,約從距今200多萬年前開始直到現在。

地球冰期年代劃分(圖中顯示的是年代與溫度的關系)(圖片來自網絡)

  第四紀冰期的初期,規模巨大的冰川覆蓋了地球北部的大部分地區。由于氣候變化,冰川在經曆寒冷和變暖(稱爲間冰期)的交替中有過多次大規模的進退,冰川的移動既有每天以快至30米的速度前進或後退之時,也有慢到以每年約半米的速度移動之時。冰川的移動不僅引起地球地貌的改變,同時還會引起海平面的變化、水系和水文條件的變化、氣候的變化、生物的滅絕及變遷等,對整個地球的環境變化有很大影響。

  正因冰川的行蹤蘊含著豐富的地質信息,地質學家們對冰川移動的時間以及路徑的變化十分感興趣,追蹤冰期中冰川的移動信息對研究地球的曆史、了解近幾十萬年以來地球的氣候變化、人類生存環境的演變具有極高的研究價值。

  近200年來,地質學家們對冰期中冰川移動的研究並非一帆風順。他們爲理解冰期變化的周期,了解全球氣候波動的地理分布並確定時間年表,想方設法用各種技術手段研究著冰川的行蹤。

  冰川行蹤中的某些謎題一直困惑著地質學家們。例如,在相當長的一段時間內,地質學界曾有過這樣一個共識:約18000年前,巨大的冰川覆蓋了愛爾蘭三分之二的地域。與此相關的理論模型由當時測算的地質定年數據分析獲得,但直到20世紀初期,用各種技術手段得到的地質定年結果卻差別很大,這就使地質學家們一直對此共識心存疑點。

  近些年來,地質學家們得以使用了一項最新的技術,他們得到的新結果令人十分意外:18000年前的愛爾蘭冰川要比原先測算分析的面積要大得多,不僅完全覆蓋了整個愛爾蘭,並且還延伸到離岸很遠的地方。這是一項什麽樣的神奇技術呢?

  2.地質定年方法

  爲地質事件確定年代在地球發展史的研究中極爲重要,科學家們一直在探索能准確地進行地質定年的技術手段。

  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)

  所謂“宇宙成因核素”是指來自外層宇宙空間的宇宙射線粒子通過轟擊暴露在地球外表的物質(包括大氣層和地表)在其內部發生各類核反應産生了新的核素(具有一定質子數和一定中子數的原子),包括這類核素的一些同位素(即質子數相同中子數不同的一類原子)。

  宇宙射線直接轟擊暴露在地表的岩石而産生的核素稱爲“原地生成核素”,包括10Be(铍)、26Al(鋁)、36Cl(氯)、3He(氦)等。通過測定岩石中宇宙成因核素的濃度,並利用核素的生成量和因剝蝕、放射性衰變而引起的流失量函數可以計算出相應的岩石暴露時間從而確定其年代,這種方法被稱爲“宇宙成因核素測年法”。

  根據這個原理應可以測算出冰川的行蹤。冰川移動後地面或地物才暴露出來,在宇宙射線的照射下這些地面或地物中就會産生某些同位素(産生速率與緯度、高度及組成物的性質相關)。其中一些爲穩定同位素,它們的濃度會隨著時間的推移逐漸增高,根據其産生的速率與積累的濃度便可計算出的時間從而確定其年代。另外,還會産生一些放射性同位素,它們的濃度隨著時間的推移在積累的同時又按自身的半衰期在衰減。綜合以上這些條件,測定這些地面或地物中宇宙成因核素的濃度即可確定其暴露的年代,由所測的一系列數據即可較精確地計算出冰川移動的行蹤。

  20世紀50年代時,戴維斯和謝弗已對某些原地生成核素進行了研究,遺憾的是他們提出的這種可以用于測試地表岩石暴露年代的新思路在那時沒有引起人們的足夠重視。另一個原因是用這種思路進行研究需要更高靈敏度的粒子探測技術,這在當時還無法實現,地質學家們只能等待相關技術的發展。誰曾想,這一等就等了幾十年。

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),估算了它們的形成速率。而橫山幸治等測定了宇宙成因同位素22Na(鈉)和24Na的形成,給出了各種鈉同位素形成速率的計算方法。

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.新技術手段誕生

  隨著地質學、考古學等研究的發展,對長壽命宇宙成因核素測量的需求越來越迫切,而當時用以進行宇宙成因核素測量的質譜測量法及衰變計數法靈敏度不夠高,相關領域的科學家們始終期待著更新的技術手段。

  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議的同時,美國羅切斯特大學的研究團隊提出了用串列加速器(由兩段或三段靜電加速器組成)測量14C的計劃(自然界中的14C是一種長壽命宇宙成因核素,對14C的精確測量對考古學、地質學、海洋學及生物醫學等領域均有重要的意義)。

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。但由于當時的粒子加速器束流品質有限,加之粒子探測技術還不夠成熟,這方面的研究在此後近40年中無法更深入地開展。

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年之後,基于粒子加速器技術和粒子探測技術的不斷突破,在穆勒等人1977年再次提出用粒子加速器測量長壽命宇宙成因核素的建議後,各研究團隊的進展神速。加拿大麥克馬斯特大學和美國羅切斯特大學就在1977年在同一期《Science》上發表了用串列加速器測量自然界14C的結果。

  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.揭開冰川行蹤之謎

  加速器質譜技術是基于粒子加速器和粒子探測技術的一種高能質譜測量,大多數加速器質譜技術所用的粒子加速器爲串列加速器。它克服了傳統質譜測量技術中的一些限制,具有極高的同位素豐度靈敏度(豐度指該同位素在這種元素的所有天然同位素中所占的比例,以百分數表示;豐度靈敏度表示測豐度時相對誤差的大小)。普通質譜測量的豐度靈敏度最高爲10-8,而加速器質譜測量則達到了10-16(靈敏度竟然提高了數個量級),且樣品用量少(僅ng量級)、所需測量時間短,迅速成爲一種具有強大優勢的新技術手段。

普通質譜測量示意圖。樣品電離後,通過電磁場選出特定荷質比來分析原子或分子的質量,但在分析所測核素時會受到有質量數相同的分子本底和同量異位素的幹擾(圖片來自網絡)

  加速器質譜測量示意圖。可在離子源處引出負離子來抑制部分核素的同量異位素的産生,串列加速器可將負離子剝離成正離子,並利用核探測器鑒別出同量異位素,用于測量長壽命放射性核素十分有效(圖片來自網絡)

美國普渡大學的加速器質譜研究裝置(圖片來自網絡)

德國HZDR離子束中心的加速器質譜研究裝置(圖片來自網絡)

中國原子能院的加速器質譜研究裝置(圖片來自網絡)

  加速器質譜技術出現之後,宇宙成因核素測年法的精度大大提高,這引起了地質學界的廣泛關注,冰川行蹤的研究有了獲得突破的機會。

  當冰川厚厚的冰層覆蓋大地時巨大的岩石被困在冰下,冰層阻擋了宇宙射線對岩石的攻擊。冰川消退的過程中有時會將一些巨石從地層深處推到地面,一旦巨石暴露出來,來自宇宙的射線就開始與岩石內的原子相互作用,迅速産生宇宙成因核素的稀有同位素,例如3He(氦)、21Ne(氖)或10Be(铍)等。

冰川消退過程中一些巨石露出地面受到宇宙射線的轟擊(圖片來自網絡)

  爲了確定某塊巨石是在何時被露出地面的,地質學家們用錘子、鑿子,或者用石鋸和小型爆炸裝置,設法從巨石上弄下一塊柚子大小的岩石樣品帶回實驗室。他們將樣品細細研磨後提取出某種特定的核素(例如以已知産生宇宙成因核素速率的石英,其主要成分是SiO2),然後再向樣品中的原子中加入一個額外的電子(例如發射铯離子)形成帶負電荷的元素或分子離子。這些離子被送入加速器加速後再轟擊薄的金屬箔或氣體,剝離它們的電子並摧毀剩余的分子,然後再進入粒子計數探測器。通過統計不穩定原子與穩定原子的比值,即可揭示宇宙成因核素的數量。根據樣品中宇宙成因核素的含量,即可較准確地推算出冰川推出巨石的時間。

地質學家們攜帶設備到采集岩石樣品的區域(圖片來自網絡)

切割岩石表面10×10厘米的小塊岩石作爲樣品,精確記錄每個取樣點的GPS定位坐標,用以確定其相對于周圍地貌結構和冰川沈積物的位置(圖片來自網絡)

在格陵蘭島爲宇宙成因核素測年采集巨石樣品(圖片來自網絡)

用加速器質譜技術進行宇宙成因核素測年所獲數據可准確推算出曆史上覆蓋某處的冰層厚度,這是冰原理論計算模型的關鍵基礎數據(圖片來自網絡)

  美国能源部的《Symmetry》期刊在“用粒子加速器追踪冰川(Trackingglaciers with accelerator)”一文中介绍了弗雷德·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)

  菲利普斯是美國新墨西哥州礦業與技術學院的冰川運動年代測定專家。由于他在水文、地球化學和地質學之間的相互作用,特別是宇宙成因同位素和地表暴露年齡之間的相互作用方面開創了跨學科的工作,曾多次獲得國家和國際的獎項,並于2007年被授予美國科學促進會(AAAS)研究員的榮譽稱號。

  菲利普斯在地球科學領域的大部分成就源于此項技術,即利用岩石和其它地貌中宇宙射線反應形成的Cl(氯)放射性同位素的測量比率,來更精准地確定過去百萬年的火山爆發、岩石雪崩、海嘯、流星撞擊、地震、山體滑坡和冰川運動等地質事件的年代。

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)

  正因加速器質譜技術所具有的高靈敏度、小樣本量、快速樣品制備等優勢,地質學家們對用原有測年方法獲得的某些同位素的基准數據進行了重新測定,糾正了原有各種測年方法存在的誤差問題,在地質測年精度方面取得了重要突破。根據加速器質譜技術的數據測算,地球的年齡比此前測算的減少了約70萬年(夠驚人的!)。新的測年標准爲地球誕生、大陸及礦床形成、生物演化以及氣候變遷等在內的種種地質過程列出了更爲精確的時間表。

  加速器質譜技術的出現有力推動了地球科學領域的研究進展,據不完全統計,20世紀80年代中期以來發表的關于冰川年代和其它地質年代這方面的研究論文已達數千篇。

通過宇宙成因核素測年獲得的希臘南部伯羅奔尼撒半島上的冰川行蹤圖(圖片來自網絡)

  近些年,不少地質學家忙于深入研究地球南極西部的冰川行蹤。這片冰川正處于緩慢崩塌的狀態,而這片冰川的崩塌很可能引起海平面的大幅度上升,還會改變海洋循環和氣候模式,引起幹旱和嚴重的風暴,這些對地球來說都將是毀滅性的災難。只有深刻了解曆史上冰川的行蹤才能更好地預見未來,才能研究出應對的辦法,加速器質譜技術將在這項研究中起至關重要的作用。

南極西部的冰川正在加速融化(圖片來自網絡)

在南極用錘子和鑿子在巨石上采集樣品准備進行宇宙成因核素測定(圖片來自網絡)

  5.結語

  縱觀曆史,加速器質譜技術的發展大致經曆了以下幾個階段:

  20世紀70年代末至80代末,大部分加速器質譜裝置是在核物理實驗研究的粒子加速器基礎上改造而成的,擁有大型粒子加速器的核物理實驗室均配置了從事加速器質譜研究的束線管道,可以測量的核素類型也大大擴展(從14C(碳)擴展到10Be(铍)、26Al(鋁)、32Si(矽)、36Cl(氯)、39Ar(氩)、41Ca(鈣)、59Ni(鎳)、81Kr(氪)、129I(碘)、236U(鈾)和239U等)。當時的粒子加速器能量已較高,但用于加速器質譜測量時精確度和穩定性受到一定限制,而且僅有部分束流時間可提供給加速器質譜測量。

  20世紀90年代初至21世紀初,由于考古、地質、環境等學科研究的發展,非專用裝置無法滿足用戶的需求,加速器質譜測量的專用裝置(大部份基于串列加速器)逐漸商品化,有些專用于10Be、14C、26Al、36Cl等宇宙成因核素的測量,有些則爲海洋學或藥物學等某個研究領域專用。

  近10年來,加速器質譜測量裝置加快向緊湊化、小型化、標准化發展,並在測量精度、靈敏度、測量效率等方面有很大提高,可測的宇宙成因核素不斷增加,同時還做到了耗電量低、成本低、維護方便,爲更廣泛的應用奠定了堅實的基礎。

  加速器質譜技術是隨著粒子加速器技術的發展而崛起的,在地球科學領域的應用涉及地質、考古、水文、海洋、冰川、氣候、地磁等多個學科,在環境科學領域可用于城市汙染監測(研究空氣中PM2.5的來源)及核汙染監測、全球環境氣候變化等。除此之外,加速器質譜技術還在輻射防護、核安全、核廢料、放射生態學、生物醫學、毒理學和藥理學、材料學、植物學、營養學等領域取得了重要研究成果。

  這是粒子加速器技術對世界科技發展作出的又一重要貢獻!

  【參考資料】

  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.facebook.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、地面測年技術—宇生同位素測年,《地球科學進展》第15卷第2期

  11、14C—AMS測量及其在pm2.5源解析中的應用

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

  12、加速器質譜技術及其在環境科學中的應用

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

  13、加速器質譜技術及其在地球科學中的應用,《岩礦測試》第24卷第4期

  14、南極冰川崩塌加速

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

  15、加速器質譜 http://www.cclycs.com/e953668.html

  16、宇宙成因核素技術在第四紀冰川測年研究中的評述及展望,《冰川凍土》第31卷第3期

  17、第四紀氣候及海平面變化

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

  


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