冰川之景壯麗、神奇,世界上有不少冰川久負(fù)盛名,吸引著大批游客前去探險、觀賞。地球上現(xiàn)存的冰川主要分布在南極、北極和中、低緯度的高山區(qū)。只是很不幸,隨著全球氣候變暖,冰川的面積、體積明顯減少,有的甚至發(fā)生大規(guī)模塌陷或融化消失。
壯麗的冰川之景(圖片來自網(wǎng)絡(luò))
一般人并不了解:在漫長的歷史變遷中,地球表面的大片區(qū)域曾數(shù)次被巨大的冰川覆蓋,隨著地球氣候、地質(zhì)環(huán)境的變化,冰川也在變化著、移動著??茖W(xué)家們意識到冰川變化移動的行蹤里蘊(yùn)含著對人類研究地球發(fā)展史有極為重要意義的信息。冰川的行蹤問題被關(guān)注已有200年了,只是有些謎題多年來一直未能得到圓滿的解釋。近些年,在某種技術(shù)的幫助下,冰川的行蹤之謎終于被揭開了,這個謎究竟是怎么揭開的呢?
地質(zhì)學(xué)家們說,是粒子加速器幫助他們了解了冰川行蹤的真相。
1.冰川行蹤之謎
地球表面覆蓋有大規(guī)模冰川的地質(zhì)時期稱為冰期,地球地質(zhì)史上曾發(fā)生過多次大冰期,最近的一次大冰期稱為“第四紀(jì)冰期”,約從距今200多萬年前開始直到現(xiàn)在。
地球冰期年代劃分(圖中顯示的是年代與溫度的關(guān)系)(圖片來自網(wǎng)絡(luò))
第四紀(jì)冰期的初期,規(guī)模巨大的冰川覆蓋了地球北部的大部分地區(qū)。由于氣候變化,冰川在經(jīng)歷寒冷和變暖(稱為間冰期)的交替中有過多次大規(guī)模的進(jìn)退,冰川的移動既有每天以快至30米的速度前進(jìn)或后退之時,也有慢到以每年約半米的速度移動之時。冰川的移動不僅引起地球地貌的改變,同時還會引起海平面的變化、水系和水文條件的變化、氣候的變化、生物的滅絕及變遷等,對整個地球的環(huán)境變化有很大影響。
正因冰川的行蹤蘊(yùn)含著豐富的地質(zhì)信息,地質(zhì)學(xué)家們對冰川移動的時間以及路徑的變化十分感興趣,追蹤冰期中冰川的移動信息對研究地球的歷史、了解近幾十萬年以來地球的氣候變化、人類生存環(huán)境的演變具有極高的研究價值。
近200年來,地質(zhì)學(xué)家們對冰期中冰川移動的研究并非一帆風(fēng)順。他們?yōu)槔斫獗谧兓闹芷?,了解全球氣候波動的地理分布并確定時間年表,想方設(shè)法用各種技術(shù)手段研究著冰川的行蹤。
冰川行蹤中的某些謎題一直困惑著地質(zhì)學(xué)家們。例如,在相當(dāng)長的一段時間內(nèi),地質(zhì)學(xué)界曾有過這樣一個共識:約18000年前,巨大的冰川覆蓋了愛爾蘭三分之二的地域。與此相關(guān)的理論模型由當(dāng)時測算的地質(zhì)定年數(shù)據(jù)分析獲得,但直到20世紀(jì)初期,用各種技術(shù)手段得到的地質(zhì)定年結(jié)果卻差別很大,這就使地質(zhì)學(xué)家們一直對此共識心存疑點(diǎn)。
近些年來,地質(zhì)學(xué)家們得以使用了一項(xiàng)最新的技術(shù),他們得到的新結(jié)果令人十分意外:18000年前的愛爾蘭冰川要比原先測算分析的面積要大得多,不僅完全覆蓋了整個愛爾蘭,并且還延伸到離岸很遠(yuǎn)的地方。這是一項(xiàng)什么樣的神奇技術(shù)呢?
2.地質(zhì)定年方法
為地質(zhì)事件確定年代在地球發(fā)展史的研究中極為重要,科學(xué)家們一直在探索能準(zhǔn)確地進(jìn)行地質(zhì)定年的技術(shù)手段。
20世紀(jì)50年代中期,美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的雷蒙德·戴維斯(Raymond Davis)(就是那位因研究來自太陽的電子中微子獲2002年諾貝爾物理學(xué)獎的戴維斯)與研究產(chǎn)生宇宙環(huán)境背景輻射的奧利弗·謝弗(Oliver Schaeffer)合作提出了一個用“宇宙成因核素(Cosmogenic Nuclides)”可以較準(zhǔn)確地進(jìn)行地質(zhì)定年的思路。
雷蒙德·戴維斯(Raymond Davis)(圖片來自網(wǎng)絡(luò))
所謂“宇宙成因核素”是指來自外層宇宙空間的宇宙射線粒子通過轟擊暴露在地球外表的物質(zhì)(包括大氣層和地表)在其內(nèi)部發(fā)生各類核反應(yīng)產(chǎn)生了新的核素(具有一定質(zhì)子數(shù)和一定中子數(shù)的原子),包括這類核素的一些同位素(即質(zhì)子數(shù)相同中子數(shù)不同的一類原子)。
宇宙射線直接轟擊暴露在地表的巖石而產(chǎn)生的核素稱為“原地生成核素”,包括10Be(鈹)、26Al(鋁)、36Cl(氯)、3He(氦)等。通過測定巖石中宇宙成因核素的濃度,并利用核素的生成量和因剝蝕、放射性衰變而引起的流失量函數(shù)可以計(jì)算出相應(yīng)的巖石暴露時間從而確定其年代,這種方法被稱為“宇宙成因核素測年法”。
根據(jù)這個原理應(yīng)可以測算出冰川的行蹤。冰川移動后地面或地物才暴露出來,在宇宙射線的照射下這些地面或地物中就會產(chǎn)生某些同位素(產(chǎn)生速率與緯度、高度及組成物的性質(zhì)相關(guān))。其中一些為穩(wěn)定同位素,它們的濃度會隨著時間的推移逐漸增高,根據(jù)其產(chǎn)生的速率與積累的濃度便可計(jì)算出的時間從而確定其年代。另外,還會產(chǎn)生一些放射性同位素,它們的濃度隨著時間的推移在積累的同時又按自身的半衰期在衰減。綜合以上這些條件,測定這些地面或地物中宇宙成因核素的濃度即可確定其暴露的年代,由所測的一系列數(shù)據(jù)即可較精確地計(jì)算出冰川移動的行蹤。
20世紀(jì)50年代時,戴維斯和謝弗已對某些原地生成核素進(jìn)行了研究,遺憾的是他們提出的這種可以用于測試地表巖石暴露年代的新思路在那時沒有引起人們的足夠重視。另一個原因是用這種思路進(jìn)行研究需要更高靈敏度的粒子探測技術(shù),這在當(dāng)時還無法實(shí)現(xiàn),地質(zhì)學(xué)家們只能等待相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。誰曾想,這一等就等了幾十年。
戴維斯和謝弗1955年在《Ann NY Acad Sci》上發(fā)表的“Chlorine-36in nature”(圖片來自網(wǎng)絡(luò))
20世紀(jì)70年代,斯里尼瓦桑(B. Srinivasan)以及橫山幸治(YujiYokoyama)等人對這種宇宙成因核素測年法的研究有了進(jìn)展。斯里尼瓦桑發(fā)現(xiàn)了宇宙成因同位素Xe(氙)(包括124Xe、128Xe、131Xe),估算了它們的形成速率。而橫山幸治等測定了宇宙成因同位素22Na(鈉)和24Na的形成,給出了各種鈉同位素形成速率的計(jì)算方法。
斯里尼瓦桑、橫山幸治20世紀(jì)70年代在《Earth and Planetary Science Letters》上發(fā)表的文章(圖片來自網(wǎng)絡(luò))
3.新技術(shù)手段誕生
隨著地質(zhì)學(xué)、考古學(xué)等研究的發(fā)展,對長壽命宇宙成因核素測量的需求越來越迫切,而當(dāng)時用以進(jìn)行宇宙成因核素測量的質(zhì)譜測量法及衰變計(jì)數(shù)法靈敏度不夠高,相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家們始終期待著更新的技術(shù)手段。
1977年,美國加州大學(xué)伯克利分校的理查德·穆勒(RichardA. Muller)提出了一個提高宇宙成因核素測年法靈敏度的新方法——用回旋加速器來探測長壽命宇宙成因核素(如14C(碳)、10Be(鈹)等)。而差不多就在穆勒提出建議的同時,美國羅切斯特大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出了用串列加速器(由兩段或三段靜電加速器組成)測量14C的計(jì)劃(自然界中的14C是一種長壽命宇宙成因核素,對14C的精確測量對考古學(xué)、地質(zhì)學(xué)、海洋學(xué)及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域均有重要的意義)。
理查德·穆勒(Richard A. Muller)(圖片來自網(wǎng)絡(luò))
穆勒1977年發(fā)表的“RadioisotopeDating with a Cyclotron”(圖片來自網(wǎng)絡(luò))
實(shí)際上,用粒子加速器來進(jìn)行用同位素來測定地質(zhì)年代的方法在1939年就有人嘗試過。路易斯·阿爾瓦雷斯(LuisW. Alvarez)(就是那位因發(fā)明氫泡室及其分析技術(shù)、發(fā)現(xiàn)共振態(tài)獲得1968年諾貝爾物理學(xué)獎的阿爾瓦雷斯)和羅伯特·科諾(RobertCornog)利用美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室60英寸的回旋粒子加速器測定了自然界中3He(氦)的存在。但由于當(dāng)時的粒子加速器束流品質(zhì)有限,加之粒子探測技術(shù)還不夠成熟,這方面的研究在此后近40年中無法更深入地開展。
阿爾瓦雷斯和科諾1939年在《Physical Review》上發(fā)表的“3Hein Helium”(圖片來自網(wǎng)絡(luò))
近40年之后,基于粒子加速器技術(shù)和粒子探測技術(shù)的不斷突破,在穆勒等人1977年再次提出用粒子加速器測量長壽命宇宙成因核素的建議后,各研究團(tuán)隊(duì)的進(jìn)展神速。加拿大麥克馬斯特大學(xué)和美國羅切斯特大學(xué)就在1977年在同一期《Science》上發(fā)表了用串列加速器測量自然界14C的結(jié)果。
這種新的核分析技術(shù)——加速器質(zhì)譜技術(shù)(AcceleratorMass Spectrometry,簡稱AMS)誕生在20世紀(jì)70年代末并迅速發(fā)展起來。
加拿大麥克馬斯特大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)1977年在《Science》上發(fā)表的“Carbon- 14: Direct detection at natural concentrations”(圖片來自網(wǎng)絡(luò))
美國羅切斯特大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)1977年在《Science》上發(fā)表的“RadiocarbonDating Using Electrostatic Accelerators: Negative Ions Provide the Key”(圖片來自網(wǎng)絡(luò))
4.揭開冰川行蹤之謎
加速器質(zhì)譜技術(shù)是基于粒子加速器和粒子探測技術(shù)的一種高能質(zhì)譜測量,大多數(shù)加速器質(zhì)譜技術(shù)所用的粒子加速器為串列加速器。它克服了傳統(tǒng)質(zhì)譜測量技術(shù)中的一些限制,具有極高的同位素豐度靈敏度(豐度指該同位素在這種元素的所有天然同位素中所占的比例,以百分?jǐn)?shù)表示;豐度靈敏度表示測豐度時相對誤差的大小)。普通質(zhì)譜測量的豐度靈敏度最高為10-8,而加速器質(zhì)譜測量則達(dá)到了10-16(靈敏度竟然提高了數(shù)個量級),且樣品用量少(僅ng量級)、所需測量時間短,迅速成為一種具有強(qiáng)大優(yōu)勢的新技術(shù)手段。
普通質(zhì)譜測量示意圖。樣品電離后,通過電磁場選出特定荷質(zhì)比來分析原子或分子的質(zhì)量,但在分析所測核素時會受到有質(zhì)量數(shù)相同的分子本底和同量異位素的干擾(圖片來自網(wǎng)絡(luò))
加速器質(zhì)譜測量示意圖??稍陔x子源處引出負(fù)離子來抑制部分核素的同量異位素的產(chǎn)生,串列加速器可將負(fù)離子剝離成正離子,并利用核探測器鑒別出同量異位素,用于測量長壽命放射性核素十分有效(圖片來自網(wǎng)絡(luò))
美國普渡大學(xué)的加速器質(zhì)譜研究裝置(圖片來自網(wǎng)絡(luò))
德國HZDR離子束中心的加速器質(zhì)譜研究裝置(圖片來自網(wǎng)絡(luò))
中國原子能院的加速器質(zhì)譜研究裝置(圖片來自網(wǎng)絡(luò))
加速器質(zhì)譜技術(shù)出現(xiàn)之后,宇宙成因核素測年法的精度大大提高,這引起了地質(zhì)學(xué)界的廣泛關(guān)注,冰川行蹤的研究有了獲得突破的機(jī)會。
當(dāng)冰川厚厚的冰層覆蓋大地時巨大的巖石被困在冰下,冰層阻擋了宇宙射線對巖石的攻擊。冰川消退的過程中有時會將一些巨石從地層深處推到地面,一旦巨石暴露出來,來自宇宙的射線就開始與巖石內(nèi)的原子相互作用,迅速產(chǎn)生宇宙成因核素的稀有同位素,例如3He(氦)、21Ne(氖)或10Be(鈹)等。
冰川消退過程中一些巨石露出地面受到宇宙射線的轟擊(圖片來自網(wǎng)絡(luò))
為了確定某塊巨石是在何時被露出地面的,地質(zhì)學(xué)家們用錘子、鑿子,或者用石鋸和小型爆炸裝置,設(shè)法從巨石上弄下一塊柚子大小的巖石樣品帶回實(shí)驗(yàn)室。他們將樣品細(xì)細(xì)研磨后提取出某種特定的核素(例如以已知產(chǎn)生宇宙成因核素速率的石英,其主要成分是SiO2),然后再向樣品中的原子中加入一個額外的電子(例如發(fā)射銫離子)形成帶負(fù)電荷的元素或分子離子。這些離子被送入加速器加速后再轟擊薄的金屬箔或氣體,剝離它們的電子并摧毀剩余的分子,然后再進(jìn)入粒子計(jì)數(shù)探測器。通過統(tǒng)計(jì)不穩(wěn)定原子與穩(wěn)定原子的比值,即可揭示宇宙成因核素的數(shù)量。根據(jù)樣品中宇宙成因核素的含量,即可較準(zhǔn)確地推算出冰川推出巨石的時間。
地質(zhì)學(xué)家們攜帶設(shè)備到采集巖石樣品的區(qū)域(圖片來自網(wǎng)絡(luò))
切割巖石表面10×10厘米的小塊巖石作為樣品,精確記錄每個取樣點(diǎn)的GPS定位坐標(biāo),用以確定其相對于周圍地貌結(jié)構(gòu)和冰川沉積物的位置(圖片來自網(wǎng)絡(luò))
在格陵蘭島為宇宙成因核素測年采集巨石樣品(圖片來自網(wǎng)絡(luò))
用加速器質(zhì)譜技術(shù)進(jìn)行宇宙成因核素測年所獲數(shù)據(jù)可準(zhǔn)確推算出歷史上覆蓋某處的冰層厚度,這是冰原理論計(jì)算模型的關(guān)鍵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(圖片來自網(wǎng)絡(luò))
美國能源部的《Symmetry》期刊在“用粒子加速器追蹤冰川(Trackingglaciers with accelerator)”一文中介紹了弗雷德·菲利普斯(FredPhillips)等地質(zhì)學(xué)家用加速器質(zhì)譜技術(shù)對冰川行蹤研究的進(jìn)展。
《Symmetry》刊登的“Tracking glaciers with accelerator”(圖片來自網(wǎng)絡(luò))
菲利普斯是美國新墨西哥州礦業(yè)與技術(shù)學(xué)院的冰川運(yùn)動年代測定專家。由于他在水文、地球化學(xué)和地質(zhì)學(xué)之間的相互作用,特別是宇宙成因同位素和地表暴露年齡之間的相互作用方面開創(chuàng)了跨學(xué)科的工作,曾多次獲得國家和國際的獎項(xiàng),并于2007年被授予美國科學(xué)促進(jìn)會(AAAS)研究員的榮譽(yù)稱號。
菲利普斯在地球科學(xué)領(lǐng)域的大部分成就源于此項(xiàng)技術(shù),即利用巖石和其它地貌中宇宙射線反應(yīng)形成的Cl(氯)放射性同位素的測量比率,來更精準(zhǔn)地確定過去百萬年的火山爆發(fā)、巖石雪崩、海嘯、流星撞擊、地震、山體滑坡和冰川運(yùn)動等地質(zhì)事件的年代。
弗雷德·菲利普斯(Fred Phillips)(圖片來自網(wǎng)絡(luò))
菲利普斯1986年在《Science》上發(fā)表的“The Accumulation of CosmogenicChlorine-36 in Rocks: a Method for Surface Exposure Dating”(圖片來自網(wǎng)絡(luò))
正因加速器質(zhì)譜技術(shù)所具有的高靈敏度、小樣本量、快速樣品制備等優(yōu)勢,地質(zhì)學(xué)家們對用原有測年方法獲得的某些同位素的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了重新測定,糾正了原有各種測年方法存在的誤差問題,在地質(zhì)測年精度方面取得了重要突破。根據(jù)加速器質(zhì)譜技術(shù)的數(shù)據(jù)測算,地球的年齡比此前測算的減少了約70萬年(夠驚人的!)。新的測年標(biāo)準(zhǔn)為地球誕生、大陸及礦床形成、生物演化以及氣候變遷等在內(nèi)的種種地質(zhì)過程列出了更為精確的時間表。
加速器質(zhì)譜技術(shù)的出現(xiàn)有力推動了地球科學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),20世紀(jì)80年代中期以來發(fā)表的關(guān)于冰川年代和其它地質(zhì)年代這方面的研究論文已達(dá)數(shù)千篇。
通過宇宙成因核素測年獲得的希臘南部伯羅奔尼撒半島上的冰川行蹤圖(圖片來自網(wǎng)絡(luò))
近些年,不少地質(zhì)學(xué)家忙于深入研究地球南極西部的冰川行蹤。這片冰川正處于緩慢崩塌的狀態(tài),而這片冰川的崩塌很可能引起海平面的大幅度上升,還會改變海洋循環(huán)和氣候模式,引起干旱和嚴(yán)重的風(fēng)暴,這些對地球來說都將是毀滅性的災(zāi)難。只有深刻了解歷史上冰川的行蹤才能更好地預(yù)見未來,才能研究出應(yīng)對的辦法,加速器質(zhì)譜技術(shù)將在這項(xiàng)研究中起至關(guān)重要的作用。
南極西部的冰川正在加速融化(圖片來自網(wǎng)絡(luò))
在南極用錘子和鑿子在巨石上采集樣品準(zhǔn)備進(jìn)行宇宙成因核素測定(圖片來自網(wǎng)絡(luò))
5.結(jié)語
縱觀歷史,加速器質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下幾個階段:
20世紀(jì)70年代末至80代末,大部分加速器質(zhì)譜裝置是在核物理實(shí)驗(yàn)研究的粒子加速器基礎(chǔ)上改造而成的,擁有大型粒子加速器的核物理實(shí)驗(yàn)室均配置了從事加速器質(zhì)譜研究的束線管道,可以測量的核素類型也大大擴(kuò)展(從14C(碳)擴(kuò)展到10Be(鈹)、26Al(鋁)、32Si(硅)、36Cl(氯)、39Ar(氬)、41Ca(鈣)、59Ni(鎳)、81Kr(氪)、129I(碘)、236U(鈾)和239U等)。當(dāng)時的粒子加速器能量已較高,但用于加速器質(zhì)譜測量時精確度和穩(wěn)定性受到一定限制,而且僅有部分束流時間可提供給加速器質(zhì)譜測量。
20世紀(jì)90年代初至21世紀(jì)初,由于考古、地質(zhì)、環(huán)境等學(xué)科研究的發(fā)展,非專用裝置無法滿足用戶的需求,加速器質(zhì)譜測量的專用裝置(大部份基于串列加速器)逐漸商品化,有些專用于10Be、14C、26Al、36Cl等宇宙成因核素的測量,有些則為海洋學(xué)或藥物學(xué)等某個研究領(lǐng)域?qū)S谩?/p>
近10年來,加速器質(zhì)譜測量裝置加快向緊湊化、小型化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展,并在測量精度、靈敏度、測量效率等方面有很大提高,可測的宇宙成因核素不斷增加,同時還做到了耗電量低、成本低、維護(hù)方便,為更廣泛的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
加速器質(zhì)譜技術(shù)是隨著粒子加速器技術(shù)的發(fā)展而崛起的,在地球科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用涉及地質(zhì)、考古、水文、海洋、冰川、氣候、地磁等多個學(xué)科,在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域可用于城市污染監(jiān)測(研究空氣中PM2.5的來源)及核污染監(jiān)測、全球環(huán)境氣候變化等。除此之外,加速器質(zhì)譜技術(shù)還在輻射防護(hù)、核安全、核廢料、放射生態(tài)學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、毒理學(xué)和藥理學(xué)、材料學(xué)、植物學(xué)、營養(yǎng)學(xué)等領(lǐng)域取得了重要研究成果。
這是粒子加速器技術(shù)對世界科技發(fā)展作出的又一重要貢獻(xiàn)!
【參考資料】
1、Trackingglaciers withaccelerators
https://www.symmetrymagazine.org/article/february-2015/tracking-glaciers-with-accelerators
2、Raymond Davis Jr.Biographical
https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2002/davis/facts/
3、Another use forparticle accelerators: helping scientists understand how glaciers move
https://www.facebook.com/apsphysics/posts/another-use-for-particle-accelerators-helping-scientists-understand-how-glaciers/10153109635822952/
4、New Mexico TechHydrologist Fred Phillips Named AAAS Fellow, Oct. 25, 2007
http://w17.nmt.edu/news/all-news/16-2007/2994-new-mexico-tech-hydrologist-fred-phillips-named-aaas-fellow
5、CosmogenicNuclide Dating
https://www.hzdr.de/db/Cms?pOid=27781&pNid=2791
7、Did theMont-Blanc Glaciers Shrink Before?
https://news.cnrs.fr/slideshows/did-the-mont-blanc-glaciers-shrink-before
8、Cosmogenic Nuclides
http://www.geochron.com.au/cosmogenic-nuclides-2/
9、Glacial history of MtChelmos, Peloponnesus, Greece
http://sp.lyellcollection.org/content/433/1/211
10、地面測年技術(shù)—宇生同位素測年,《地球科學(xué)進(jìn)展》第15卷第2期
11、14C—AMS測量及其在pm2.5源解析中的應(yīng)用
http://www.docin.com/p-1843484448.html
12、加速器質(zhì)譜技術(shù)及其在環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用
http://mp.ofweek.com/instrument/a345663225006
13、加速器質(zhì)譜技術(shù)及其在地球科學(xué)中的應(yīng)用,《巖礦測試》第24卷第4期
14、南極冰川崩塌加速
http://www.weather.com.cn/index/lssj/01/376302.shtml?COLLCC=4031364456&
15、加速器質(zhì)譜 http://www.cclycs.com/e953668.html
16、宇宙成因核素技術(shù)在第四紀(jì)冰川測年研究中的評述及展望,《冰川凍土》第31卷第3期
17、第四紀(jì)氣候及海平面變化
https://max.book118.com/html/2016/0713/48107204.shtm