2010 年 第 55 卷 第 13 期：1268 ~ 1273

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英文版见: Ding M H, Xiao C D, Jin B, et al. Distribution of δ18O in surface snow along a transect from Zhongshan Station to Dome A, East Antarctica. Chinese Sci

Bull, 2010, 55, doi: 10.1007/s11434-010-0179-2

论 文

《中国科学》杂志社 SCIENCE CHINA PRESS

南极冰盖中山站-Dome A 断面表层雪内δ 18O 分布

丁明虎①②③, 效存德②, 金波④, 任贾文②, 秦大河②, 孙维贞②

① 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029;

② 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所, 兰州 730000;

③ 中国科学院研究生院, 北京 100049;

④ 国家海洋局极地考察办公室, 北京 100860

E-mail: dingminghu@cams.cma.gov.cn

2009-09-30 收稿, 2010-02-05 接受

国家自然科学基金(批准号: 40776002)、中国科学院“百人计划”、冰冻圈科学国家重点实验室开放基金(编号: SKLCS-07-02)和国家海洋局

极地科学战略研究基金(编号: 20080201)资助

摘要 测试了中国南极考察内陆冰盖考察沿线约 1248 km 断面上(中山站至 Dome A)表

层雪中氧稳定同位素组成. 通过回归分析得出了δ18O-气温(T)分布梯度、δ18O-海拔(H)

高度效应和年均温-海拔效应递减率分别为–0.84‰/℃, –1.1‰/100 m 和 1.31℃/100 m,

分析过程均通过 99.9%的置信度检验.

关键词

南极

ITASE 同位素

Dome A δ

18O CHINARE

自从 Dansgaard[1~3]研究发现中高纬度地区降水

中的稳定同位素组成受沉降地点凝结温度与沉降过

程 初 始 阶 段 温 度 差 值 所 控 制 后 , 稳 定 同 位 素 比 率

(δ18O, δ D)就作为一种气候指标一直是冰芯研究的有

效手段. 在稳定同位素的分馏过程中, δ 直接反映

的是云的凝结温度, 但由于难以获取云凝结温度值,

在实际研究中通常使用地面平均气温来代替凝结温

度与初始温度的差值, 并在极地研究中发现极区δ值

与地面平均温度(T)之间存在良好的线性经验关系 .

例如 Dansgaard 等人[3]在格陵兰和 Lorius 与 Merli-

vat[4]在东南极 Terre Adelie 地区进行的研究, 建立了

现代降雪的δ-T 线性经验关系. 但已获得的δ18O-T 及

δD-T 的经验关系是建立在冰盖部分地区的资料基础

上, Qin 等人[5]根据横贯南极不同地段δ测值, 证明不

同地区δ-T 线性关系的斜率不同; Masson-Delmotte 等

人[6]对南极超过 1000 个点的δ值进行分析, 发现δ和

海拔、纬度、距海岸距离息息相关, 故在不同地区进

行研究应区别对待.

自 1996/1997 年起, 中国南极考察队从南极中山

站至 Dome A 方向进行了 7 次多学科综合断面考察,

并于 2005 年 1 月抵达 Dome A 顶点(80°22′00″S,

77°21′11″E, 4093 m). 迄今为止, 已在 1248 km 的路

线上实施了 3 次全程考察, 并在多个地点钻取了冰雪

芯. 其中第 14 次(1997/1998, 向内陆行进 462 km)和

第 24 次南极考察时(2007/2008, 第 6 次中国南极内陆

考察全程)在沿途采集了一系列雪坑和表层雪样, 是

本文资料的主要来源.

1 样品采集和分析

考 察 路 线 主 体 沿 77°E 经 线 东 侧 行 进 (图 1),

1997/1998 年内陆考察时每 4 km 采集一个表层雪样

品(5 cm 深度), 共采样 109 个; 2007/2008 内陆考察时

每 10 km 采集一个表层雪样品(5 cm 深度), 共采样

124 个. 取样日期为南半球夏季. 所有样品采集、运

输、储存等过程均保持冻结状态, 并采用洁净采样工

具与样品瓶, 避免污染.

雪样在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所

冰冻圈科学国家重点实验室, 采用标准 CO2 平衡法[7]

1269

论 文

图 1 中国南极科学考察内陆考察路线

在气相稳定同位素质谱仪 Mat-252 上测定了δ18O. 测

试时使用 5 mL 水样和两组次级工作标准, 测量精度

为±0.15‰. 所有次级标准均按照 V-SMOW 和 SLAP

进行了标定.

2 结果和讨论

由δ18O 的空间分布(图 2)可以看出, 两批样品在

前 462 km 虽略有差别, 但变化趋势保持一致(故下文

中只讨论 2007/2008 年所采集样品). 表层雪的δ值介

于–23.61‰~–57.06‰之间, 平均值为–42.35‰, 标准

偏差为 7.90, 变异系数为 18.65%. 变异系数较高的

原因为考察沿线不同地区的降水过程不一致 , 降水

方 式 和 样 品 包 含 降 水 次 数 也 不 同 , 例 如 , 海 拔 在

2500 m 以下的地区(距海岸 400 km 以内), 由于

Lambert 冰川盆地而向西侧下倾, 受其控制的下降风

场强烈影响着该区域的表面气候[8]; 沿海地区降雪量

可达 68 cm·m−2·a−1 [9], 而 Dome A 地区却只有约 10

cm·m−2·a−1 [10]. Qin 等人[5]曾根据“不可接近地区”(临

近 Dome A 地区)的特殊地理位置预测其稳定同位素

比率应在东南极冰盖 低 ; Xiao 等人 [11]通过测定

Dome A 地区的雪坑和冰芯 , 得到δ18O 值 低为

–58.4‰. 本研究结果的 低值(–57.06‰)相比 Dome

C 以及 Dome Fuji 的夏季表层雪氧稳定同位素比率较

低[12, 13], 仅略高于 Vostok 地区(–58.4‰)[5], 但由于样

本量较少, 区域代表意义有限.

2.1 同位素比率和年平均温度的关系

中国南极内陆考察和澳大利亚 Lambert 冰川流

域考察期间对研究区域的一些点进行了冰孔温度测

量, 考察期间安装了若干自动气象观测站, 获得了一

些年平均气温资料(表 1). 本研究利用这些资料, 使用

多元回归分析加 Kriging 法[14], 将地表海拔高度变化

对气温影响考虑在内, 对 60°~81°S 和 76°~78°E 范围

内的地区以 0.00001°的分辨率进行空间插值, 得到采

2010 年 5 月 第 55 卷 第 13 期

1270

图 2 中山站至 Dome A 考察断面δ 18O 的变化

表 1 中山站至 Dome A 考察断面年均温实测点位 a)

点位 纬度(S) 经度(E) 海拔/m 距海岸距离/km 10 m 深度雪层温度 a)/℃ 测量时间

LGB69 70.8353° 77.0747 1854 172 –27.2 2005~2006

LT925 71.0954° 77.2886 1996 202 –28.5 1994

LT910 71.3606° 77.5112 2135 233 –30.7 1994

LT895 71.6205° 77.7305 2214 263 –31.7 1994

LT880 71.8808° 77.9509 2325 294 –33.1 1994

LT865 72.1505° 77.9494 2351 324 –33.3 1994

LT850 72.4106° 77.7231 2424 354 –34.7 1994

LT835 72.6712° 77.4936 2468 384 –34.5 1994

LT805 73.1914° 77.0268 2581 444 –36.1 1994

LT790 73.4520° 76.7877 2537 474 –36.1 1994

LT743 74.2595° 76.1687 2476 564 –35.6 1994

LT730 74.4793° 75.8756 2468 594 –35.5 1994

EAGLE 76.4197° 77.0239 2830 801 –43.1 2005~2008

Dome A 80.3675° 77.3439 4093 1248 –58.2 2005~2008

a) 在东南极冰盖, 10 m 深度气温常用作表面年均温

1271

论 文

样点的年均气温 . 精度分析发现该方法对于年平均

气温, 相关系数为 0.980, 平均相对误差在 1.2℃以内.

目 前 在 东 南 极 冰 盖 古 气 温 重 建 中 通 常 使 用

Lorius 和 Merlivat[4]在 Terre Adelie 地区的研究中建立

的δ18O 和年平均温度的关系. 图 3 显示了整个考察断

面上表层雪样中δ18O 与年平均气温的关系, 其回归

模型呈现良好的线性关系

18O( )=0.842 , 0.945.T Rδ − 9.118 =‰ (1)

由经验公式可以看出, δ18O-T 的斜率为 0.842‰/

℃(1997/1998 年度样品在前 462 km 斜率为 0.837‰/℃,

R=0.864), 比 Lorius 和 Merlivat[4]在 Terre Adelie 地区

的结果(0.755‰/℃)及 Graf 等人[15]在 Dronning Maud

Land 地区的结果(0.77‰/℃)略高; 和 Stenni 等人[16]在

Victor ia Land 北 部 地 区 的 研 究 结 果 (0 .81‰ /℃ )

相近; 比 Qin 等人[5]在 Mirny 至 Vostok 考察断面上的

结果(0.971‰/℃)及 Proposito 等人[12]在 Terra Nova

Bay 至 Dome C 考察断面上的结果(0.99‰/℃)低. 主

要原因是所研究样品的季节覆盖度不同 , 水汽来源

不同也有一定的影响 . 南极高海拔地区的降水主要

来源于 接近的中低纬度大洋 , 本研究区域的主要

水汽为来源于印度洋中低纬西部的夏季降水[17].

2.2 同位素比率的空间分布特征

稳定同位素δ18O 值的分布与多种因素相关. 在东

南极地区, 表层雪稳定同位素比率随距海岸距离、海

拔以及纬度的增加而逐渐下降 [6 ,18]. 逆温层及其变

图 3 中山站至 Dome A 考察断面δ18O 与年平均气温的关系

化、气旋和气旋路径[5,19]、表层气候特征如风会影响

雪的重分布过程 [20], 也对稳定同位素组成有重要影

响 . 海陆效应则造成了近海岸地带与内陆地区的干

湿差异, 研究区域前 300 km 海拔上升快速, 平均坡

度约为 7 m·km–1(图 2), 来自近岸地带的海洋气团因

地形强迫形成地形降水, 向内陆地区行进, 坡度变缓

但受内陆高压低温的控制降水越来越少且来源越来

越复杂, Dome A 为南极 高点, 该地区距东南极各

个海岸(东南极洲海岸、Weddell 海岸和 Ross 海岸)距

离几乎相等 , 从各个方向来源的水汽都有可能抵达

此处.

本研究分析了各个地理因子与氧稳定同位素组

成的关系, 可得中山站至 Dome A 断面的回归模型为

18O( ) 0.408sin(Lat.) lev. 0.013Dist. , 0.945, (2)Rδ = − 0.004Ε −

− 21.658 =‰

其中 Lat.为纬度, Elev.为海拔(m), Dist.为距海岸距离

(km), 置信度检验见表 2. 纬度、海拔、距海岸距离与

δ18O 值呈线性关系, 但考虑到东南极冰盖纬度以及距

海岸距离升高的同时都伴随着海拔升高 , 故可以认

为海拔变化对稳定同位素组成的影响 大 . 对距海

岸距离 500 km 范围内的样品进行回归分析能更清晰地

显示出海拔对稳定同位素组成的影响(此处未列出).

通过图 2 也可以看出, δ18O 递减率和坡度紧密相关.

如果引入经度(Lon.)作为一个因子, 可以得出回

归模型为

18O( ) 0.633sin(Lat.) sin(Lon.) lev. 0.014Dist. , 0.955. (3)Rδ = − 2.958 − 0.004Ε

− − 25.506 =‰

可以发现相关系数没有明显变化 , 说明氧稳定同位

素的分异特征与经度无关.

图 4 详细分析了δ18O 与各个地理因子之间的关

系, 可得出线性相关公式如下:

18O( ) 2.458Lat. 142.181, 0.942,R=δ = − +‰ (4)

18O( ) 7.466Lon , 0.561,R=δ = − 613.616‰ (5)

18O( ) 0.011Elev. 12.275, 0.941,R=δ = − +‰ (6)

18O( ) 0.022Dlst. 28.144, 0.942.R=δ = − −‰ (7)

由公式(4), (6), (7)的相关系数可以看出, 纬度、海拔、

距海岸距离与氧同位素组成的相关系数相近 . 海拔

高度效应以及纬度效应都是由于气团向内陆移动时,

温度逐渐下降, 蒸气压相对较低的含 18O 的重同位素

2010 年 5 月 第 55 卷 第 13 期

1272

图 4 中山站至 Dome A 考察断面δ18O 与各地理因子(距海岸距离、海拔、纬度及经度)的关系

表 2 中山站至 Dome A 考察断面δ18O 与各地理因子的

相关分析及置信度检验 a)

Sin(Lat.) Sin(Lon.) Elev./m Dist./km δ

18O(‰) Sin(Lat.) R 1

Sig.

Sin(Lon.) R 0.005 1

Sig. 0.042

Elev./m R −0.468* −0.391* 1

Sig. 0.999 0.999

Dist./km R −0.274* −0.393* 0.954* 1

Sig. 0.998 0.999 0.999

δ18O (‰) R 0.365* 0.419* −0.941* −0.942* 1

Sig. 0.999 0.999 0.999 0.999

a) Sig.为置信度; *代表置信度超过 99.9%

分子优先沉降, 剩余的重同位素分子逐渐减少 [21,22].

从前述表层雪氧同位素组成与海拔高度之间的关系

式可以看出 , 氧同位素比率随海拔升高的递减率为

–1.1‰/100 m. Qin 等人[5]在 Mirny 至 Vostok 断面上的

研究结果为–1.7‰/100 m; Becagli 等人[23]在 Dumont

d’Urville 至 Dome C 前半段路线上的研究结果为

–1.5‰/100 m, 在 Talos Dome 地区的研究结果为

–1.3‰/100 m; Proposito 等人[12]在 Terra Nova Bay 至

Dome C 路线上的研究结果为–1‰/100 m; Smith 等

人 [24] 在 Wilhelm II Land 地 区 进 行 的 研 究 结 果 为

–0.8‰/100 m. 产生这种差异的主要原因是不同地区

随海拔上升温度递减率不同 , 故而同位素分馏速率

略有区别. 通过计算还可以得出中山站至 Dome A 断

面温度递减率为 1.31℃/100 m.

3 结论

本研究通过多元线性回归分析表明 , 中山站至

Dome A 表层雪氧同位素组成与海拔、纬度以及距海

岸距离存在很好的相关性 . 氧同位素组成的海拔高

度效应为–1.1‰/100 m, 氧同位素 /温度分布梯度为

0.84‰/℃ . 这种关系式是解释断面冰芯气候记录的

基础.

1273

论 文

致谢 野外工作期间得到中国第 24 次南极科学考察队特别是内陆冰盖考察队的大力支持, 王叶堂对本文提出宝贵意见,

在此一并致谢.

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