乌鲁木齐河源1号冰川雪冰演化研究

雪冰化学又称冰川化学，主要研究降落在冰川积累区的大气固态降水。广义的冰川化学研究还包括海冰、河冰、积雪、冻土地下埋藏冰等。冰或雪不是绝对纯净的物质，在其晶粒间含有各种不同的化学物质，研究冰川冰雪中化学元素和氢氧同位素含量、分布规律及特征，又可提供环境污染信息及冰川形成时的某些气候特征。大多数关于雪冰化学的研究呈现出三个范畴的特点，一是关于雪冰化学时空分布的研究，二是气-雪界面化学过程的研究，三是雪-冰界面化学过程的研究。

1.雪冰化学时空分布的研究

雪冰记录为全球变化的各个方面，如气候变化、生物地球化学循环、人类活动、冰冻圈内总冰量（海平面变化）、地质和宇宙事件等诸多科学命题的研究提供了直接或间接依据。研究雪冰中化学元素的含量、分布规律及特征，根据它们的浓度随时间的变化、现代条件下这些物质的分布状况及其来源和传输过程的研究，可反演过去大气环境的变化，为预测未来环境变化提供重要的依据。冰川化学研究始于20世纪50年代，较早开始的研究是建立雪冰内稳定同位素比率与温度的关系（δ-T），并利用稳定同位素比率剖面恢复古气候记录。之后是通过微粒浓度、酸度研究火山事件和通过放射性元素研究核弹试验等人为污染。近50年，在雪冰内阴阳离子、冰芯温室气体、生物有机酸、痕量重金属、冰和气泡内气体稳定同位素、微生物等方面有了很大研究进展。例如，Murozumi等研究得出，冰芯中Pb的浓度从几千年前到20世纪60年代升高了200多倍；Hammer发现，大量的火山喷发在冰芯中的层位酸度较大，可用来估计火山喷发的SO2释放量。格陵兰世纪营（Camp Century）和南极伯德站Byrd）、冰穹C点（Dome-C）深冰芯显示，末次冰期与现在相比，具有更高浓度的海盐和陆地气溶胶。Saigne等（1987）首次研究了甲磺酸（MSA），这对研究海洋二甲基硫醚（DMS）释放的变化和硫循环的贡献有重要意义。部分研究则针对冰芯中有机成分的测量，如黑碳、总有机碳、羧酸等。上述国外雪冰化学方面的研究多集中在极地和高纬度地区，然而中纬度山地冰川因靠近沙尘源区，尤其在春季受沙尘暴影响较为严重，能够很好地提供关于粉尘、化学稳定同位素、沙尘暴源区变化及气候演化等多方面的环境记录。加之，中低纬度山地冰芯相对极地冰盖来讲，对气候变化的响应更为敏感，近年来冰盖迅速消融，可能导致这些能够反映气候变化的独特冰芯记录永久消失。因此，在全球气候变化的背景下，这一地区冰芯记录的研究引起了人们极大的兴趣和广泛关注，冰芯及相关方面的研究工作也在大陆性冰川中得以开展（Wake et al，1994；Williams et al，1992；Aizen et al，2001）。

我国的高山冰川化学研究，最早可追溯至20世纪60年代章申等对珠穆朗玛峰绒布冰川和希夏邦马峰野博康加勒冰川进行的雪冰化学研究。1979年之后，随着野外高山冰川考察事业的迅速开展，王平等在阿尔泰山友谊峰地区哈拉斯冰川、天山托木尔峰西琼台兰冰川、哈密八大石冰川、祁连山敦德冰川和冷龙岭冰川、横断山脉贡嘎山冰川和玉龙山冰川，骆鸿珍在乌鲁木齐河源1号冰川，张文敬等在喜马拉雅山脉南迦巴瓦峰地区的则隆弄等冰川进行了研究。主要采用等离子发射光谱、慢中子活化分析、原子吸收分析手段，在雪冰的矿化度、pH值及水化学类型，雪冰中痕量元素和同位素含量等方面积累了宝贵的研究资料。多年来，我国冰冻圈事业迅猛发展，我国学者在青藏高原北部、南部和中部以及帕米尔高原的冰川上，通过钻取冰芯并对冰芯样品进行多种内容测试分析（稳定同位素、雪冰化学、痕量重金属、生物有机酸、放射性物质浓度总量、微粒浓度等），高分辨率地揭示了这些地区末次间冰期以来的气候环境变化过程及重大环境事件。这些研究表明，青藏高原冰芯记录的气候变化频率和变幅比较大。也就是说，青藏高原对气候变化的敏感性更强。姚檀栋、康世昌等研究了青藏高原不同冰川的雪冰化学记录特征，秦大河等在人类活动对于环境的影响等方面的研究也取得了显著进展。

随着全球变暖逐渐加剧，越来越多的学者关注宏观层面的冰川变化及其对人类生产生活的影响，冰芯研究特别是中低纬度山地冰芯研究逐渐弱化，这与气温升高导致冰芯记录的保真性降低有很大关系。

2.气-雪界面化学过程的研究

这里所说的“气”特指气溶胶，即悬浮在空气中的固体和（或）液体微粒与气体载体共同组成的多项体系。雪冰记录连续、完整地记录了过去大气中各种气溶胶的化学成分和变化过程，包含大量的气候环境信息。在冰川区进行大气气溶胶的观测分析，一方面可以了解该区域的大气环境状况，为研究气溶胶的时空分布特征和确定气溶胶的辐射强迫提供数据；另一方面可与雪冰中的化学记录进行对比，探究气溶胶的本底现状与变化历史，以及自然和人为气溶胶对大气环境的影响及其变化过程。一般而言，气溶胶物质通过干、湿沉降的方式从大气进入冰川表面（图1.1）。干沉降是指大气气溶胶粒子和微量气体成分在没有降水时的沉降过程，是大气的一种自净作用，一般由湍流扩散、重力沉降以及分子扩散等作用引起。冰川区气溶胶粒子和微量气体成分被上述作用过程输送到冰川表面，分子作用力使它们在物体表面黏附，从而从大气中被清除。而大气中的雨、雪等降水形式和其他形式的水汽凝结物都能对大气气溶胶或微量气体成分起到清除的作用，该作用称为降水清除或大气湿沉降。

图1.1　干、湿沉降影响下的气-雪界面化学过程(www.xing528.com)

对冰芯化学记录的解释是建立在大气化学成分的变化与冰雪中化学成分的变化密切相关这一假设上的。为较好地利用冰芯记录解读气候环境信息，首先要揭示大气中的化学成分如何沉降至雪冰中这一过程。1989年在格陵兰实施的Dye 3冰芯计划和在Summit开展的雪冰样品和气溶胶采样计划，已经开始对这些问题进行研究（例如，Dibb和Jaffrezo，Davidson等）。此外，部分学者在喜马拉雅山Hidden峡谷、加拿大King Col地区以及东绒布冰川进行了表层雪和气溶胶的采集（Arun，1994；Shrestha et al，1997；Kaplan et al，2006；Jing Ming et al，2007），通过对两种介质中化学成分含量的对比分析，解释气-雪界面化学成分的转换机制。1989年起，寒区旱区环境与工程研究所与美国新布什尔大学地球、海洋空间研究所合作启动的青藏高原雪冰化学研究项目，通过对高原冰川上的雪、冰和气溶胶样品的长期连续采集，研究了青藏高原地区气溶胶成分的主要来源、传输过程和沉积机制等。随着相关项目成为研究热点，更多冰川区安置了气溶胶采集装置，用以对现代大气环境做出综合性的分析和评价，包括希夏邦玛峰北坡抗物热冰川、格拉丹东和煤矿冰川，对南极、北极、青藏高原以及天山东部等冰川区也进行了大气气溶胶的本底监测和研究。

3.雪-冰界面化学过程的研究

大气中的化学成分在经历了气-雪界面的化学过程，降至冰川表面之后，还会通过扩散、消融、升华、渗浸、密实化等作用，不断发生物理性质和化学性质的改变，进而影响雪层及冰芯中的记录信息，这一过程为雪-冰界面的化学过程，也称为沉积后过程（图1.2）。

图1.2　气-雪-冰界面化学过程

（以格陵兰Summit地区为例；效存德，2010）

国际上有关雪-冰界面化学过程方面的研究已有30年以上的历史，可根据沉积后过程的主要类型将其归纳为以下两个方面：

（1）无融水作用下雪层内化学成分的变化。无融水作用下雪层内化学成分的变化，主要体现在升华、吹雪、密实化作用、化学成分间离子反应等方面。相关研究最早集中在两极冰盖上。20世纪90年代以来，Mayewski、Legrand、Harder、Kreutz等人对南极地区冰芯中易挥发的物质如硝酸盐、硫酸盐及氯化物进行了深入的研究。Reging等人对南极和格陵兰地区雪层及冰芯中的沉积后过程进行了研究，认为影响雪层上部后沉降过程的因素主要是光解作用与HNO3的释放。大部分离子（除了）会通过升华作用富集在表层雪；矿物粉尘，如Mg2+、Ca2+和Na+等，易通过干沉降作用富集在冰川表面；而吹雪可能清除湍流层底部的微粒，从而导致雪层中的富集（Wolff et al，2003；Ginot et al，2001；Schotterer et al，2004）。Delmas和Wolff分别以冰芯中酸与碳酸盐的反应及过氧化氢与碱性物质的反应为例，探讨了冰芯中不同元素间的化学反应对冰芯记录的影响。

（2）有融水作用下雪层内化学成分的变化。融水作用下雪层内化学成分的改变主要是由消融、渗浸和淋溶过程引起的。冰川融水会导致可溶和不可溶成分的迁移，雪层消融产生的可溶成分对以冰川融水补给为主的河流和湖泊产生较大的影响。因此，关于雪冰化学的季节变化及其与融水径流之间的关系研究十分广泛。最早对雪层中融水的关注可追溯至1930年，Welzenbach使用染料跟踪积雪融水在不同层位的传输过程。Johnson发展了一套渗浸理论用于对雪冰中微结构和微动力参数的恢复。20世纪80年代以来，大量的研究开始关注融水对化学离子记录过程的影响，并通过实验室或野外观测的方法建立了雪层中不同离子的淋溶顺序（Brimblecombe et al，1985；Bales et al，1989；Hewitt et al，1991；5ranter et al，1992；Eichler et al，2001；Iizuka et al，2002；侯书贵等，2001）。Anjn通过在阿尔卑斯山上部地区钻取冰芯，系统研究了融水作用对化学元素沉积后过程的影响，并对离子的淋溶顺序进行了探讨。近几年，Moore等通过计算淋溶因子将冰芯中化学离子的淋溶损失率定量化，并建立离子淋溶模式。随着分析模型和数学模型的广泛使用，研究内容也由沉积后过程本身发展到沉积后过程与冰芯记录的定量关系上，通过将雪层中化学离子的迁移过程进行模拟以探究离子在雪冰中的迁移轨迹。气温是影响淋溶最为关键的参数，通过研究气温与消融过程的关系，对雪层消融量进行定量分析，并预测冰雪融水径流，成为更多学者关注的内容（Jeonghoon et al，2008；5orsten et al，2011；Yukiyoshi et al，2011；Woods et al，2009；Georg et al，2012；王圣杰等，2011）。