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揭开太古冰川的行迹之谜

文章泉源:高能物理研讨所   公布工夫:2018-12-12  【字号:     】  

  冰川之景绚丽、神奇,天下上有不少冰川久负盛名,吸引着大批游客前往探险、抚玩。地球上现存的冰川重要漫衍在南极、北极和中、低纬度的平地区。只是很不幸,随着环球天气变暖,冰川的面积、体积显着淘汰,有的乃至产生大范围塌陷或消融消散。 

绚丽的冰川之景(图片来自网络)

  一样平常人并不相识:在漫长的历史变迁中,地球外貌的大片地区曾数次被宏大的冰川笼罩,随着地球天气、地质情况的变革,冰川也在变革着、挪动着。迷信家们认识到冰川变革挪动的行迹里包含着对人类研讨地球生长史有极为紧张意义的信息。冰川的行迹题目被存眷已有200年了,只是有些谜题多年来不停未能失掉圆满的表明。近些年,在某种技能的资助下,冰川的行迹之谜终于被揭开了,这个谜毕竟是怎样揭开的呢?

  地质学家们说,是粒子加快器资助他们相识了冰川行迹的原形。

  1.冰川行迹之谜

  地球外貌笼罩有大范围冰川的地质时期称为冰期,地球地质史上曾产生过屡次大冰期,近来的一次大冰期称为“第四纪冰期”,约从距今200多万年前开端直到如今。 

地球冰期年月分别(图中表现的是年月与温度的干系)(图片来自网络)

  第四纪冰期的初期,范围宏大的冰川笼罩了地球北部的大部门地域。由于天气变革,冰川在履历冰冷和变暖(称为间冰期)的瓜代中有过屡次大范围的进退,冰川的挪动既有每天以快至30米的速率进步或退却之时,也有慢到以每年约半米的速率挪动之时。冰川的挪动不但惹起地球地貌的转变,同时还会惹起海立体的变革、水系和水文条件的变革、天气的变革、生物的灭尽及变迁等,对整个地球的情况变革有很大影响。

  正因冰川的行迹包含着富厚的地质信息,地质学家们对冰川挪动的工夫以及途径的变革非常感兴味,追踪冰期中冰川的挪动信息对研讨地球的历史、相识近几十万年以来地球的天气变革、人类生活情况的演化具有极高的研讨代价。

  近200年来,地质学家们对冰期中冰川挪动的研讨并非好事多磨。他们为明白冰期变革的周期,相识环球天气颠簸的天文漫衍并确定工夫年表,费尽心机用种种妙技研讨着冰川的行迹。

  冰川行迹中的某些谜题不停狐疑着地质学家们。比方,在相称长的一段工夫内,地质学界曾有过如许一个共鸣:约18000年前,宏大的冰川笼罩了爱尔兰三分之二的地区。与此相干的实际模子由其时测算的地质定年纪据剖析得到,但直到20世纪初期,用种种妙技失掉的地质定年结果却差异很大,这就使地质学家们不停对此共鸣心存疑点。

  近些年来,地质学家们得以利用了一项最新的技能,他们失掉的新结果令人非常不测:18000年前的爱尔兰冰川要比原先测算剖析的面积要大得多,不但完全笼罩了整个爱尔兰,而且还延伸到离岸很远的中央。这是一项什么样的神奇技能呢?

  2.地质定年要领

  为地质变乱确定年月在地球生长史的研讨中极为紧张,迷信家们不停在探究能正确地举行地质定年的妙技。

  20世纪50年月中期,美国布鲁克海文国度实行室的雷蒙德·戴维斯(Raymond Davis)(便是那位因研讨来自太阳的电子中微子获2002年诺贝尔物理学奖的戴维斯)与研讨孕育发生宇宙情况配景辐射的奥利弗·谢弗(Oliver Schaeffer)互助提出了一个用“宇宙成因核素(Cosmogenic Nuclides)”可以较正确地举行地质定年的思绪。 

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经过轰击袒露在地球表面的物质(包罗大气层和地表)在其外部产生各种核反响孕育发生了新的核素(具有肯定质子数和肯定中子数的原子),包罗这类核素的一些同位素(即质子数雷同中子数差别的一类原子)。

  宇宙射线间接轰击袒露在地表的岩石而孕育发生的核素称为“原地天生核素”,包罗10Be(铍)、26Al(铝)、36Cl(氯)、3He(氦)等。经过测定岩石中宇宙成因核素的浓度,并使用核素的天生量和因剥蚀、放射性衰变而惹起的流失量函数可以盘算出相应的岩石袒露工夫从而确定其年月,这种要领被称为“宇宙成因核素测年法”。

  凭据这个原理应可以测算出冰川的行迹。冰川挪动后空中或地物才袒露出来,在宇宙射线的照射下这些空中或地物中就会孕育发生某些同位素(孕育发生速率与纬度、高度及构成物的性子相干)。此中一些为稳固同位素,它们的浓度会随着工夫的推移渐渐增高,凭据其孕育发生的速率与积聚的浓度便可盘算出的工夫从而确定其年月。别的,还会孕育发生一些放射性同位素,它们的浓度随着工夫的推移在积聚的同时又按本身的半衰期在衰减。综合以上这些条件,测定这些空中或地物中宇宙成因核素的浓度即可确定其袒露的年月,由所测的一系列数据即可较准确地盘算出冰川挪动的行迹。

  20世纪50年月时,戴维斯和谢弗已对某些原地天生核素举行了研讨,遗憾的是他们提出的这种可以用于测试地表岩石袒露年月的新思绪在当时没有惹起人们的充足器重。另一个缘故原由是用这种思绪举行研讨必要更高敏捷度的粒子探测技能,这在其时还无法完成,地质学家们只能等候相干技能的生长。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》上颁发的“Chlorine-36in nature”(图片来自网络)

  20世纪70年月,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讨有了希望。斯里尼瓦桑发明了宇宙成因同位素Xe(氙)(包罗124Xe、128Xe、131Xe),预算了它们的构成速率。而横山幸治等测定了宇宙成因同位素22Na(钠)和24Na的构成,给出了种种钠同位素构成速率的盘算要领。 

  斯里尼瓦桑、横山幸治20世纪70年月在《Earth and Planetary Science Letters》上颁发的文章(图片来自网络)

  3.新妙技降生

  随着地质学、考古学等研讨的生长,对长命命宇宙成因核素丈量的需求越来越急迫,而其时用以举行宇宙成因核素丈量的质谱丈量法及衰变计数法敏捷度不敷高,相干范畴的迷信家们一直等待着更新的妙技。

  1977年,美国加州大学伯克利分校的理查德·穆勒(RichardA. Muller)提出了一个进步宇宙成因核素测年法敏捷度的新要领——用盘旋加快器来探测长命命宇宙成因核素(如14C(碳)、10Be(铍)等)。而差未几就在穆勒提出发起的同时,美国罗切斯特大学的研讨团队提出了用串列加快器(由两段或三段静电加快器构成)丈量14C的方案(天然界中的14C是一种长命命宇宙成因核素,对14C的准确丈量对考古学、地质学、陆地学及生物医学等范畴均有紧张的意义)。 

理查德·穆勒(Richard A. Muller)(图片来自网络)

穆勒1977年颁发的“RadioisotopeDating with a Cyclotron”(图片来自网络)

  现实上,用粒子加快器来举行用同位向来测定地质年月的要领在1939年就有人实验过。路易斯·阿尔瓦雷斯(LuisW. Alvarez)(便是那位因创造氢泡室及其剖析技能、发明共振态得到1968年诺贝尔物理学奖的阿尔瓦雷斯)和罗伯特·科诺(RobertCornog)使用美国劳伦斯伯克利国度实行室60英寸的盘旋粒子加快器测定了天然界中3He(氦)的存在。但由于其时的粒子加快器束流品格无限,加之粒子探测技能还不敷成熟,这方面的研讨在今后近40年中无法更深化地展开。 

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

  近40年之后,基于粒子加快器技能和粒子探测技能的不停打破,在穆勒等人1977年再次提出用粒子加快器丈量长命命宇宙成因核素的发起后,各研讨团队的希望神速。加拿大麦克马斯特大学和美国罗切斯特大学就在1977年在统一期《Science》上颁发了用串列加快器丈量天然界14C的结果。

  这种新的核剖析技能——加快器质谱技能(AcceleratorMass Spectrometry,简称AMS)降生在20世纪70年月末并敏捷生长起来。 

  加拿大麦克马斯特大学研讨团队1977年在《Science》上颁发的“Carbon- 14: Direct detection at natural concentrations”(图片来自网络)

  美国罗切斯特大学研讨团队1977年在《Science》上颁发的“RadiocarbonDating Using Electrostatic Accelerators: Negative Ions Provide the Key”(图片来自网络)

  4.揭开冰川行迹之谜

  加快器质谱技能是基于粒子加快器和粒子探测技能的一种高能质谱丈量,大少数加快器质谱技能所用的粒子加快器为串列加快器。它降服了传统质谱丈量技能中的一些限定,具有极高的同位素品貌敏捷度(品貌指该同位素在这种元素的全部自然同位素中所占的比例,以百分数表现;品貌敏捷度表现测品貌时绝对偏差的大小)。平凡质谱丈量的品貌敏捷度最高为10-8,而加快器质谱丈量则到达了10-16(敏捷度居然进步了数个量级),且样品用量少(仅ng量级)、所需丈量工夫短,敏捷成为一种具有强盛上风的新妙技。

 

  平凡质谱丈量表示图。样品电离后,经过电磁场选出特定荷质最近剖析原子或分子的质量,但在剖析所测核素时会遭到有质量数雷同的分子本底和同量异位素的滋扰(图片来自网络)

  加快器质谱丈量表示图。可在离子源处引出负离子来克制部门核素的同量异位素的孕育发生,串列加快器可将负离子剥离成正离子,并使用核探测器辨别出同量异位素,用于丈量长命命放射性核素非常有用(图片来自网络)

美国普渡大学的加快器质谱研讨安装(图片来自网络)

德国HZDR离子束中央的加快器质谱研讨安装(图片来自网络)

中国原子能院的加快器质谱研讨安装(图片来自网络)

  加快器质谱技能呈现之后,宇宙成因核素测年法的精度大大进步,这惹起了地质学界的遍及存眷,冰川行迹的研讨有了得到打破的时机。

  当冰川厚厚的冰层笼罩大地时宏大的岩石被困在冰下,冰层拦截了宇宙射线对岩石的打击。冰川衰退的历程中偶然会将一些巨石从地层深处推到空中,一旦巨石袒露出来,来自宇宙的射线就开端与岩石内的原子互相作用,敏捷孕育发生宇宙成因核素的有数同位素,比方3He(氦)、21Ne(氖)或10Be(铍)等。 

冰川衰退历程中一些巨石暴露空中遭到宇宙射线的轰击(图片来自网络)

  为了确定某块巨石是在何时被暴露空中的,地质学家们用锤子、凿子,大概用石锯和小型爆炸安装,想法从巨石上弄下一块柚子大小的岩石样品带回实行室。他们将样品细细研磨后提取出某种特定的核素(比方以已知孕育发生宇宙成因核素速率的石英,其重要身分是SiO2),然后再向样品中的原子中参加一个分外的电子(比方发射铯离子)构成带负电荷的元素或分子离子。这些离子被送入加快器加快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。经过统计不稳固原子与稳固原子的比值,即可展现宇宙成因核素的数目。凭据样品中宇宙成因核素的含量,即可较正确地推算出冰川推出巨石的工夫。 

地质学家们携带设置装备摆设到收罗岩石样品的地区(图片来自网络) 

  切割岩石外貌10×10厘米的小块岩石作为样品,准确记录每个取样点的GPS定位坐标,用以确定其绝对于四周地貌布局和冰川堆积物的地位(图片来自网络)

在格陵兰岛为宇宙成因核素测年收罗巨石样品(图片来自网络) 

  用加快器质谱技能举行宇宙成因核素测年所获数据可正确推算出历史上笼罩某处的冰层厚度,这是冰原实际盘算模子的要害底子数据(图片来自网络)

  美国动力部的《Symmetry》期刊在“用粒子加快器追踪冰川(Trackingglaciers with accelerator)”一文中先容了弗雷德·菲利普斯(FredPhillips)等地质学家用加快器质谱技能对冰川行迹研讨的希望。 

Symmetry登载的“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能学院的冰川活动年月测定专家。由于他在水文、地球化学和地质学之间的互相作用,特殊是宇宙成因同位素和地表袒露年事之间的互相作用方面创始了跨学科的事情,曾屡次得到国度和国际的奖项,并于2007年被付与美国迷信促进会(AAAS)研讨员的荣誉称呼。

  菲利普斯在地球迷信范畴的大部门成绩源于此项技能,即使用岩石和其他地貌中宇宙射线反响构成的Cl(氯)放射性同位素的丈量比率,来更精准地确定已往百万年的火山发作、岩石雪崩、海啸、流星撞击、地动、山体滑坡和冰川活动等地质变乱的年月。 

弗雷德·菲利普斯(Fred Phillips)(图片来自网络) 

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

  正因加快器质谱技能所具有的高敏捷度、小样本量、疾速样品制备等上风,地质学家们对用原有测年要领得到的某些同位素的基准数据举行了重新测定,改正了原有种种测年要领存在的偏差题目,在地质测年精度方面获得了紧张打破。凭据加快器质谱技能的数据测算,地球的年事比此前测算的淘汰了约70万年(够惊人的!)。新的测年尺度为地球降生、大陆及矿床构成、生物演化以及天气变迁等在内的种种地质历程列出了更为准确的工夫表。

  加快器质谱技能的呈现无力推进了地球迷信范畴的研讨希望,据不完全统计,20世纪80年月中期以来颁发的关于冰川年月和其他地质年月这方面的研讨论文已达数千篇。

  近些年,不少地质学家忙于深化研讨地球南极西部的冰川行迹。这片冰川正处于迟钝崩塌的形态,而这片冰川的崩塌很大概惹起海立体的大幅度上升,还会转变陆地循环和睦候形式,惹起干旱和严峻的风暴,这些对地球来说都将是扑灭性的劫难。只要深入相识历史上冰川的行迹才气更好地预见将来,才气研讨出应对的措施,加快器质谱技能将在这项研讨中起至关紧张的作用。 

南极西部的冰川正在加快消融(图片来自网络) 

在南极用锤子和凿子在巨石上收罗样品预备举行宇宙成因核素测定(图片来自网络)

  5.结语

  纵观历史,加快器质谱技能的生长大抵履历了以下几个阶段:

  20世纪70年月末至80代末,大部门加快器质谱安装是在核物理实行研讨的粒子加快器底子上改革而成的,拥有大型粒子加快器的核物理实行室均设置装备摆设了从事加快器质谱研讨的束线管道,可以丈量的核素范例也大大扩展(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)。其时的粒子加快器能量已较高,但用于加快器质谱丈量时准确度和稳固性遭到肯定限定,并且仅有部门束流工夫可提提供加快器质谱丈量。

  20世纪90年月初至21世纪初,由于考古、地质、情况等学科研讨的生长,非公用安装无法满意用户的需求,加快器质谱丈量的公用安装(大部门基于串列加快器)渐渐商品化,有些公用于10Be、14C、26Al、36Cl等宇宙成因核素的丈量,有些则为陆地学或药物学等某个研讨范畴公用。

  近10年来,加快器质谱丈量安装加速向紧凑化、小型化、尺度化生长,并在丈量精度、敏捷度、丈量服从等方面有很大进步,可测的宇宙成因核素不停增长,同时还做到了耗电量低、本钱低、维护方便,为更遍及的使用奠基了坚固的底子。

  加快器质谱技能是随着粒子加快器技能的生长而崛起的,在地球迷信范畴的使用触及地质、考古、水文、陆地、冰川、天气、地磁等多个学科,在情况迷信范畴可用于都会净化监测(研讨氛围中PM2.5的泉源)及核净化监测、环球情况天气变革等。除此之外,加快器质谱技能还在辐射防护、核宁静、核废物、放射生态学、生物医学、毒理学和药理学、质料学、动物学、养分学等范畴获得了紧张研讨结果。

  这是粒子加快器技能对天下科技生长作出的又一紧张孝敬!




(责任编辑:侯茜)

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