中国科大单原子检测方法促进全球范围水冰定年研究

闲庭漫步 · 发表于 2022-7-26 09:22:35

《美国物理学会新闻》近期发表了题为《一千年前的气候是什么样的？向氩-39要答案》的新闻报道，作者Tess Joosse是威斯康星州麦迪逊市的一名科学记者。文章介绍了中国科学技术大学团队关于氩-39原子阱痕量分析技术的最新进展。以下内容来自《美国物理学会新闻》：

在青藏高原的冰川上和南极冰盖的底部，古老的冰层中保存着来自多年前地球大气的氪-81和氩-39等稀有气体同位素，它们包含了关于过去气候的微小线索。

“这些同位素是环境中的天然时钟，”中国科学技术大学的研究生储艳清在今年6月份的美国物理学会（APS DAMOP)会议上说。它们均匀分布在地球大气层中，其惰性使它们免受化学反应的影响。因此，如果我们能探测到这些被称为“示踪剂”的同位素，就可以知道很多关于它们从大气中循环出来时气候的情况。

图 1 原子阱痕量分析装置原理图。样品气体从左侧进入真空装置，氩-39（氪-81）原子经过一系列激光的操纵后，在右侧磁光阱中被俘获，其荧光被灵敏的EMCCD相机探测（右上角小图）。

然而检测它们并不容易。“想想一公斤冰，”中科大蒋蔚教授说，“其中只有大约2000个氪-81原子”，这对应着9×10-13的微小同位素丰度——其探测难度类似于在海滩上找到一粒特别的沙子。氩-39的丰度则更小，仅有8×10-16。要检测这些原子，需要具备能将原子一个一个数出来的灵敏系统。

一种称为“原子阱痕量分析（ATTA）”的方法可以解决探测这些同位素的技术难题。原子阱痕量分析使用特定频率的激光来激发和捕捉来自冰或水样品中的这些同位素原子。通过探测单个原子发出的荧光对原子计数，研究人员能够测量出其同位素丰度，并结合它们的半衰期来确定样品的年代。

其中，氩-39使研究人员能够对一个重要地质时期的样品定年，之前在这个时间段没有其他精确定年方法。海德堡大学环境物理学家Werner Aeschbach教授说：“在这个年龄段真的没有其他合适的同位素了。”氩-39的半衰期为268年，这意味着它可以对50到1600年前的环境样品定年（而氪-81可以对3万年到130万年前的更老样品进行定年）。氩-39的定年范围与全球洋流的循环周期完美匹配。这些洋流在风和温盐梯度等因素的推动下，像一条巨大的传送带将海水在全球的各个大洋中输运。一“包”水可能需要1000年左右才能在这条“传送带”上完成一个循环，因此氩-39成为了海水定年和追踪洋流的最佳工具。“It’s a Goldilocks isotope，”中科大卢征天教授说。

通过研究海水的年龄可以跟踪洋流，帮助研究人员更好地了解大洋中的海水是如何混合和移动的，甚至可以帮助预测海洋是如何储存大气中的二氧化碳。而确定冰川冰的年龄则可以帮助科学家重建过去1500年的气候。

另外，氩-39和氪-81也可用于测定地下水的年代，这对确定这些水资源的可用性和其可持续利用能力非常重要。例如，估算地下含水层等淡水资源的更新、补给时间，可以帮助研究人员了解和预测用水需求。美国阿贡国家实验室的研究人员最近使用原子阱痕量分析技术对美国佛罗里达州的地下水样品进行了氪-81定年。他们发现，古老海水在该地区最大含水层中的渗透一直持续到今天——在目前海平面持续上升并使水源咸化的背景下，这可能是一个需要关注的问题。

蒋蔚说，“原子阱氩-39定年的潜力才刚刚开始在应用中展现，因为它比氪-81定年更新、更复杂。”。氩-39的环境丰度极其微小，并且研究人员通常只能获得很少量的样品（例如，南极冰芯），这使得氩-39的分析更加具有挑战性。“除了技术上的困难以外，”Aeschbach说，“由于全球气候变化，冰川正在迅速融化，因此研究人员正在与时间赛跑，要在未来几十年许多冰川退缩或消失之前对它们进行采样和测量。”

原子阱痕量分析技术的新进展可能会进一步推动氩-39定年的应用。在今年六月的DAMOP会议上，储艳清介绍了中科大激光痕量探测与精密测量实验室的最新工作。该小组近期提高了氩-39原子阱痕量分析的精度，降低了测量需要的时间，并将系统的氩-39原子计数率提高到每小时10个原子（卢征天说海德堡大学的一个小组以前达到了每小时5个原子的计数率，而中科大团队的目标是达到每小时100个原子）。该小组还与中国科学院近代物理所的同事合作搭建了一个预富集系统，通过将样品中主要同位素氩-40的数量减少两个量级来提高待测样品中氩-39的同位素丰度。

储艳清在DAMOP会议上报道的技术改进将使研究人员能够更多、更快地测量样品，这对于大面积的海洋调查研究是非常重要的。她说“现在终于有可能开展大规模的海洋调查了，海洋学家为这一天已经等了几十年。”

图 2 中科大研究生储艳清在调节氩-39原子阱激光系统。蒋蔚供图。

中科大卢征天、蒋蔚团队长期以来致力于发展氪-81、氩-39等极稀有的长寿命惰性气体同位素的超灵敏检测技术，使其能够真正应用于前沿地球科学研究。尖端的测量技术吸引了国内外科学家开展合作，最近在地下水、冰川和海洋等研究领域接连取得了一系列进展，显示了新技术对创新性研究的推动作用：

图 3 中科大蒋蔚教授与阿根廷同事在地下水采样现场。从左自右， Daniel Martinez，蒋蔚，Mauricio Quiroz。蒋蔚供图。

氪-81揭示阿根廷百万年古地下水气候记录

研究团队和阿根廷马德普拉塔国立大学研究人员合作，对阿根廷大西洋沿岸的科罗拉多盆地和萨拉多盆地进行了系统的氪-81定年研究。发现了南美洲迄今为止最老的地下水，年龄至110万年。另外，还揭示了南美洲低空急流在MIS-3时期可能到达比现在更南的区域，相关成果于4月21日以“81Kr reveals one-million-year-old groundwater at the Atlantic coast of Argentina as a record of Mid-Pleistocene climate”为题发表在《水文学杂志》[Journal ofHydrology 610, 127846 (2022)]。

论文链接：[backcolor=transparent !important]https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2022.127846

图 4 亚利桑那州立大学水文学家在美国西部Paradox盆地采样。Jennifer MacIntosh供图。

氪-81定年约束美国西部Paradox盆地深层地下水流动激活时间

研究团队和美国亚利桑那大学研究人员合作，利用氪-81对美国科罗拉多高原的Paradox盆地的深层地下水进行了研究。在位于地下3公里的数亿年前沉积地层下意外的发现了年龄约1百万年的“年轻”地下水，通常在这种地层的地下水年龄要老得多。研究人员推断产生这个现象的原因是在过去3百万到1千万年间科罗拉多高原剧烈的地质构造变化引起科罗拉多河水渗入地下深部盐矿的上方和下方，对古老的卤水产生了冲刷作用，使得相对年轻的地下水渗入到古老地层的下方。这一研究刷新了人们对该类系统的认识，也显示了新型地下水定年工具的作用。相关成果于6月6日以“Krypton-81 dating constrains timing of deep groundwater flow activation”为题发表在《地球物理研究快报》[Geophysical Research Letters 49, e2021GL097618 (2022)]。

论文链接：[backcolor=transparent !important]https://doi.org/10.1029/2021GL097618

图 5 横跨以色列Negev沙漠和西奈半岛的Nubia大型地下水系统。图片取自Ram, R., et al., Journal of Hydrology 612, 128114 (2022)。

惰性气体记录沙漠中深层古地下水位上升

研究团队和以色列、美国、瑞士的研究人员合作对位于以色列Negev沙漠下的Nubia大型砂岩地下水系统进行了研究。他们利用氪-81定年技术探测到了古老的地下水并测量其中的氖气，研究发现地下水中含有大量的过量溶解空气（dissolved excess air）。研究人员推断这一现象可能是由地下大片低渗透率岩石构造捕获的空气在地下水位长时间上升作用下溶解到水中导致的。据此，研究人员进一步推测在过去的洪水期（pluvial periods），北非干旱地区的地下水位可能发生过频繁的大规模涨落。相关成果于6月30日以“Large-scale paleo water-table rise in a deep desert aquifer recorded by dissolved noble gases”为题发表在《水文学杂志》[Journal of Hydrology 612, 128114 (2022)]。

论文链接：[backcolor=transparent !important]https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2022.128114

图 6 南极洲地图。拉森冰架位于红色方框处。右图为用来进行氪-81定年的蓝冰样品。图片取自Lee, G. et al., The Cryosphere 16, 2301 (2022)。

南极洲拉森冰架蓝冰地质年代研究

研究团队和韩国、日本、美国的研究人员合作，对南极洲维多利亚地的拉森冰架地表蓝冰区域进行了研究。利用稳定同位素和氪-81定年，确定了蓝冰的地质年代，初步重建了古气候记录。这是首次利用氪-81定年的蓝冰来获取古气候记录。相关成果于6月15日以“Chronostratigraphy of the Larsen blue-ice area in northern Victoria Land, East Antarctica, and its implications for paleoclimate”为题发表在《冰冻圈》[The Cryosphere 16, 2301 (2022)]。

论文链接：[backcolor=transparent !important]https://doi.org/10.5194/tc-16-2301-202

图 7 西太平洋的雅浦-马里亚纳海沟，橙色点标出了氩-39海水定年研究的采样站位。图片取自Gu, J.-Q. et al., Journal of Geophysical Research: Oceans 127, e2022JC018417 (2022).

氩-39、氪-85、碳-14同位素刻画西太平洋雅浦-马里亚纳海沟海水混合

研究团队与中国科学院海洋研究所合作利用氩-39、氪-85、碳-14示踪剂对西太平洋雅浦-马里亚纳海沟海水的混合情况进行了研究。获取了示踪剂的垂直剖面，利用多示踪剂对不同深度海水的Transit-Time-Distribution参数进行了约束，刻画了其大洋通风和混合情况，并与北太平洋和南太平洋进行了比对。该工作对更加准确的估算太平洋中的碳储量具有重要意义，是首个利用氩-39同位素在西太平洋开展的研究工作。相关成果于6月20日以“Estimation of the Ventilation Transit Time Distribution at the Yap−Mariana Junction Using39Ar,85Kr and14C Tracers”为题发表在《地球物理学研究杂志：海洋学》[Journal of Geophysical Research: Oceans 127, e2022JC018417 (2022)]。

论文链接：[backcolor=transparent !important]https://doi.org/10.1029/2022JC018417

该系列工作研究得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院和安徽省的资助。

（科研部中科院量子信息与量子科技创新研究院）

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