當(dāng)南極冰蓋不穩(wěn)定時(shí)，冰下湖泊儲(chǔ)存的冰川融水在冰蓋底部的流動(dòng)性加強(qiáng)，存在大量排放的可能性。冰川融水的排放過程反過來會(huì)影響冰蓋的穩(wěn)定性，導(dǎo)致冰架崩塌速度加快。

在1.8萬至1.1萬年前的末次冰消期，南極冰蓋曾存在幾次快速的退縮過程。有科學(xué)家認(rèn)為，這可能與冰下融水排放導(dǎo)致的冰蓋失穩(wěn)有關(guān)。然而，由于缺乏直接的地質(zhì)證據(jù)，二者的聯(lián)系尚不清楚。

為此，中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所（以下簡稱“南京古生物所”）、英國布里斯托大學(xué)、英國圣安德魯斯大學(xué)、南京大學(xué)的學(xué)者開展合作，利用南大洋德雷克海峽的深海珊瑚樣品，獲得了末次冰消期以來高分辨率南大洋中層海水鈾同位素演化記錄，進(jìn)而揭示了冰下融水的釋放和冰蓋退縮、海平面上升之間的直接聯(lián)系，為預(yù)測未來南極冰蓋可能的變化提供了重要參考。相關(guān)研究成果近日發(fā)表在《自然·通訊》上。

冰蓋底部有許多湖泊

南極地表覆蓋著大范圍常年不融化的冰雪，又稱南極冰蓋。2020年11月，科技部國家遙感中心發(fā)布的《全球生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測2020年度報(bào)告》首次將“南極冰蓋變化”納入專題系列。

論文第一作者、南京古生物所副研究員李濤介紹，南極冰蓋底部的水文過程對冰蓋的穩(wěn)定性存在顯著影響，因而受到廣泛關(guān)注。

據(jù)了解，隨著壓力增加和溫度升高，冰蓋深部的固態(tài)冰會(huì)逐漸轉(zhuǎn)化為液態(tài)融水，在冰蓋底部形成許多大小不一的冰下湖泊。現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，全球已探明的冰下湖泊有773個(gè)，其中南極洲有675個(gè)、格陵蘭島有64個(gè)。

當(dāng)南極冰蓋不穩(wěn)定時(shí)，冰下湖泊儲(chǔ)存的冰川融水在冰蓋底部的流動(dòng)性加強(qiáng)，存在大量排放的可能性。冰川融水的排放過程反過來會(huì)影響冰蓋的穩(wěn)定性，導(dǎo)致冰架崩塌速度加快。

“由于現(xiàn)有觀測手段無法直接記錄冰蓋底部融水的釋放過程，目前我們對冰下融水的釋放和冰蓋退縮之間的聯(lián)系還缺乏可靠認(rèn)識?！崩顫嬖V《中國科學(xué)報(bào)》。

此前研究發(fā)現(xiàn)，冰蓋底部巖石顆粒表面釋放的鈾同位素（234U）會(huì)在冰下融水中不斷累積，導(dǎo)致冰下融水通常具有較高的鈾同位素值（234U/238U）。最近的研究顯示，東南極洲底部化學(xué)沉積物的鈾同位素值高達(dá)4000‰，如此巨量且過剩的234U的釋放會(huì)顯著改變周圍海水的鈾同位素組成。

通過軌跡分析計(jì)算，李濤等人猜測，富234U的底部融水可能來自南極半島或阿蒙森海附近，并推測冰蓋附近的海水鈾同位素組成是記錄冰下融水釋放的潛在指標(biāo)。

深海珊瑚是可靠載體

“海水鈾同位素的重建需要精確測定樣品的絕對年齡和鈾同位素組成，大部分地質(zhì)樣品無法滿足這一要求?！崩顫硎荆詈Ｉ汉鞅蛔C明是記錄海水鈾同位素組成的可靠載體，可以通過鈾-釷定年方法獲得絕對年齡和初始鈾同位素組成。

此前就有研究利用深海珊瑚樣品重建了末次冰消期以來大西洋和太平洋海水鈾同位素演化，揭示了物理風(fēng)化和水團(tuán)混合過程對海水鈾同位素組成的影響。

李濤等人通過分析南大洋德雷克海峽的深海珊瑚樣品，獲得了末次冰消期以來高分辨率南大洋海水鈾同位素演化記錄。這里的南大洋是圍繞南極洲的海洋，是世界上第5個(gè)被確定的大洋。

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，過去1.54萬年到1.4萬年之間，部分深海珊瑚樣品的鈾同位素組成明顯升高。通過對比不同區(qū)域的深海珊瑚鈾同位素記錄，李濤等人排除了其他洋盆的海水和南美洲地表水輸入的影響，指出南極冰蓋冰下融水釋放是導(dǎo)致該時(shí)期南大洋海水鈾同位素上升的主要原因。

李濤說：“該時(shí)期南大洋海水鈾同位素的異常與冰筏碎屑通量的極高值、融水脈沖事件1A和全球海平面的快速上升具有很好的對應(yīng)關(guān)系，指示了冰下融水釋放和冰蓋退縮、海平面上升之間的直接聯(lián)系?！?/p>

據(jù)介紹，融水脈沖事件1A是指大約在1.4萬年前，當(dāng)最后一塊冰開始融化時(shí)，海平面在不到500年的時(shí)間里上升了20米甚至更多。

尋找年齡適宜的珊瑚樣品

“研究中遇到最大的困難是尋找合適的深海珊瑚樣品?！崩顫f，研究團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是尋找末次冰消期以來年齡低于1.8萬年的珊瑚樣品。

深海珊瑚是一種生活在海水深度200米以下的珊瑚類群，深海珊瑚的采集嚴(yán)重依賴于深潛技術(shù)。李濤介紹，深海珊瑚在大西洋已經(jīng)被研究了幾十年，在美國西海岸、夏威夷乃至南大洋的研究中也有很多報(bào)道。2018年，我國在南海北部至中部的深潛航次首次發(fā)現(xiàn)了深海海底的柳珊瑚林，在此之前，深海珊瑚在我國幾乎是一個(gè)完全未知的領(lǐng)域。

由于研究的深海珊瑚絕大部分是單體珊瑚，每一個(gè)深海珊瑚樣品化石的年齡都是未知的，需要單獨(dú)測量獲得，而高精度的鈾-釷測年是一件非常耗時(shí)耗力的事情。研究人員不可能對數(shù)以千計(jì)的化石珊瑚樣品進(jìn)行高精度的鈾-釷測年，然后再選擇年齡低于1.8萬年的樣品進(jìn)行研究。

經(jīng)過不斷摸索，在英國同行的幫助下，李濤和南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院教授陳天宇開展合作，在南京古生物所實(shí)驗(yàn)技術(shù)中心的環(huán)境元素同位素平臺(tái)開發(fā)了激光-質(zhì)譜儀聯(lián)用的鈾-釷測年手段，在保證一定的測量精度前提下，將樣品處理的效率提高到每天約100個(gè)。

“該方法可以用于年齡低于60萬年的晚第四紀(jì)碳酸鹽樣品的快速測年。我們將其首次用于深海珊瑚的測年，并建立了成熟的方法體系?！崩顫f，“利用該方法，我們首先對幾千個(gè)化石珊瑚樣品進(jìn)行了初步的測年，然后根據(jù)測年結(jié)果選擇合適年齡范圍內(nèi)的樣品進(jìn)行高精度的鈾-釷測年，從而達(dá)到研究的目的?！?/p>

此外，通過對比末次冰消期海洋平均溫度和南大洋上涌流強(qiáng)度等記錄，研究人員進(jìn)一步指出，末次冰消期以來，南極繞極深層水溫度的上升和上涌流強(qiáng)度的加強(qiáng)可能是導(dǎo)致南極冰蓋冰下融水釋放和冰蓋退縮的先決條件。

李濤表示，未來繞極深層水溫度的進(jìn)一步上升，可能導(dǎo)致冰蓋底部融水釋放加快，進(jìn)而引起南極冰蓋的崩解和海平面快速上升。