中国科学技术大学卢征天、蒋蔚教授带领的单原子探测团队与云南大学田立德研究员带领的冰川学团队合作，首次对冰芯进行了氩-39（³⁹Ar）同位素定年测量，为青藏高原羌塘冰川冰芯建立了上千年的精准年代标尺。相关成果以“A Tibetan ice core covering the past 1,300 years radiometrically dated with³⁹Ar”为题于9月26日在《美国国家科学院院刊》上发表【Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.2022, DOI:10.1073/pnas.2200835119】。

冰芯是保存环境大气的独特档案，对冰芯进行定年是正确解读其中古气候信息的关键。我国青藏高原被誉为世界第三极，拥有众多的山地冰川，是中低纬度古气候研究的宝贵资源。但是科研人员一直缺少给青藏高原深冰芯绝对定年的可靠方法。半衰期为268年的放射性³⁹Ar覆盖了50-1800年的定年范围。作为一种惰性气体，³⁹Ar在大气中分布均匀，是山地冰川的理想定年同位素。然而，³⁹Ar在环境中的同位素丰度极低，可低至十亿亿分之一，因此冰芯中³⁹Ar的定量分析在过去半个世纪以来一直是个难题。

图1. 新提取出来的羌塘冰川冰芯。摄影：极地未来。

中科大研究团队发展了原子阱痕量分析 (ATTA) 方法，对极其稀有的³⁹Ar进行单原子水平的灵敏探测。经过长期努力，团队大幅度提高了³⁹Ar的检测效率、分辨率及灵敏度，近期成功地把定年分析所需冰样降低到了几公斤，从而实现了对冰芯的³⁹Ar定年。

图2. 用于³⁹Ar分析的单原子灵敏探测装置。设计：杨国民。

羌塘高原位于青藏高原的腹地，气温低、降水少，有利于古老冰川的保存。位于其边缘的羌塘一号冰川顶部年平均温度只有-11℃，最低温度达-30℃。2014年5月，田立德与同事们在海拔5900米的冰川顶部连续奋战十多个通宵（白天温度高，融化的冰屑容易将钻机卡住），成功钻取了两根长达109米的透底冰芯，其中一根被用于³⁹Ar定年分析。

图3. 科考队在青藏高原羌塘冰川钻取冰芯。摄影：极地未来。

通过测量³⁹Ar同位素丰度，研究人员获得了整根冰芯在过去1300年的年龄分布，不确定度为7%-16%。研究人员将³⁹Ar定年结果与基于数年层法构建的冰芯年代标尺做了比对，对其进行了修正，约束了冰川流动模型，最终建立了基于³⁹Ar结果的新冰芯年标。

图4. 冰芯深度与年代的关系。绿色部分为基于³⁹Ar结果的新年代标尺。

这项基于量子精密测量的新兴定年方法将提高中低纬山地冰川作为气候档案的价值。山地冰川不仅分布在青藏高原，还在欧洲阿尔卑斯山脉、南美安第斯山脉以及中亚等地区广泛存在。作为古气候记录，它们是南北两极冰川的重要补充。考虑到过去两千年期间的气候异常现象，例如中世纪暖期和小冰河期，这些气候档案尤为重要。此外，冰芯也记录了过去几百年中人类对气候与环境的影响。

微尺度物质科学国家研究中心副研究员Florian Ritterbusch为论文第一作者，卢征天教授与田立德研究员为共同通讯作者。该研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院和安徽省的资助。

论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2200835119

（微尺度物质科学国家研究中心、物理学院、中科院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）