東南極中山站-Dome A斷面雪坑主要化學(xué)離子的時(shí)空變化研究

鄧加元 李院生 馬紅梅 史貴濤 馬天鳴 魯思宇,5

(1 上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院,上海 201306; 2 中國(guó)極地研究中心,上海 200136; 3 華東師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,上海 200241; 4 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院,安徽 合肥 230026; 5 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130012)

提要 中國(guó)第35 次南極考察隊(duì)內(nèi)陸考察期間在東南極中山站-Dome A 斷面沿線采集了4 個(gè)雪坑,利用火山標(biāo)志層確定了Dome A 地區(qū)雪坑年層序列(1962—2018年)。雪坑離子濃度時(shí)空的分析表明,沿海地區(qū)Cl-和Na+濃度受海洋來源影響相對(duì)較高,Cl-/Na+比值從沿海到內(nèi)陸逐漸增加,表明Cl-除海鹽源外存在其他來源或受到揮發(fā)性HCl 沉積的影響。內(nèi)陸地區(qū)雪坑平均濃度較高,可能與該地區(qū)雪低積累率和中低緯度 遠(yuǎn)距離輸入有關(guān)。海拔2000 m 以上雪坑中非海鹽硫酸根(nss )占總 的比重大于90%,表明nss 的遠(yuǎn)距離輸入是南極高海拔地區(qū) 離子的主要來源。積累率、下降風(fēng)和沉積后作用等造成 濃度變化復(fù)雜,顯示出較大的空間異質(zhì)性。離海岸距離800 km 處雪坑的濃度較高,推測(cè)是受該地區(qū)地貌、太陽(yáng)輻射冰殼和沉積后作用等因素所致。沿海地區(qū)和800 km 處雪坑海鹽離子、 和nss 濃度隨時(shí)間變化呈現(xiàn)出不同的季節(jié)性特征,而離海岸距離520 km 和內(nèi)陸地區(qū)雪坑無明顯季節(jié)變化趨勢(shì),認(rèn)為是物質(zhì)源區(qū)、下降風(fēng)、沉積后過程和積累率等共同作用的結(jié)果。基于海冰形成的高鹽度“霜花”和風(fēng)吹雪,可能是沿海地區(qū)雪坑海鹽離子濃度隨時(shí)間增加的原因。

0 引言

極地冰蓋持續(xù)不斷地接受著大氣各種物質(zhì)[可溶性雜質(zhì)、不可溶性雜質(zhì)(微粒)等]的沉降,是全球重要的物質(zhì)沉積區(qū)[1]。因而,南極地區(qū)的降雪能夠反映大氣環(huán)流的時(shí)空變化特征,并用于大氣傳輸機(jī)制研究。但是,降雪在沉積后會(huì)發(fā)生粒雪化作用與密實(shí)化作用,轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ｑ┗蛘弑＿@一過程造成南極雪冰記錄的大氣環(huán)流變化信息發(fā)生改變或缺失,致使雪坑、淺雪芯和深冰芯的定年工作產(chǎn)生較大的不確定性。通過獲取不同時(shí)間尺度和分辨率雪坑(深度＞100 cm)的雪冰,恢復(fù)記錄在雪冰中的化學(xué)元素信息,對(duì)于揭示降雪的現(xiàn)代沉積過程和機(jī)制具有重要意義[2-7]。作為氣候環(huán)境變化的良好載體,雪冰中記錄的化學(xué)元素信息還能反映物質(zhì)源區(qū)和傳輸路徑,通過對(duì)雪冰化學(xué)成分的影響因素和時(shí)空變化特征的分析,可以反演大氣傳輸特征,進(jìn)而判斷出物質(zhì)源區(qū)以及其傳輸機(jī)制。基于這些化學(xué)成分記載的歷史氣候環(huán)境變化信息,雪冰可以幫助我們了解過去幾十年甚至幾萬年的環(huán)境狀況,為恢復(fù)長(zhǎng)時(shí)間尺度的大氣化學(xué)組成信息以及解讀冰芯記錄提供基礎(chǔ)[2,8-10]。

中山站-Dome A 斷面橫跨東南極沿海和內(nèi)陸地區(qū),是國(guó)際橫穿南極科學(xué)考察(International Transantarctic Scientific Expedition,ITASE)計(jì)劃核心斷面之一。該斷面不僅具有多種雪冰沉積環(huán)境,且斷面終點(diǎn)Dome A 地區(qū)還是東南極冰蓋海拔最高點(diǎn)[11-12]。目前,圍繞東南極中山站-Dome A 斷面,已開展對(duì)雪冰環(huán)境要素持續(xù)系統(tǒng)的科學(xué)觀(監(jiān))測(cè),并在雪冰化學(xué)組成的分布規(guī)律和影響因素的認(rèn)識(shí)上取得了較大進(jìn)展。Li 等[13]從物質(zhì)源區(qū)、傳輸機(jī)制等方面對(duì)中山站-Dome A 斷面表層雪和雪坑的海鹽離子時(shí)空分布模式進(jìn)行了初步研究,發(fā)現(xiàn)海鹽離子與積累率呈正相關(guān),沿海地區(qū)海鹽離子含量冬季高、夏季低,南極大陸周圍海域是海鹽離子的主要源區(qū)。于金海等[14]詳細(xì)探討了斷面表層雪中與甲基磺酸(methanesulfonate,MSA)的空間變異特征和其變化規(guī)律,和MSA 含量的空間變化趨勢(shì)總體呈遞減特征,區(qū)域性變化趨勢(shì)則較為復(fù)雜。江星星等[15]對(duì)斷面表層雪Pb、As 和Cu 等微量元素進(jìn)行了初步分析,結(jié)果表明斷面的Pb、As 和Cu 空間差異顯著,人類活動(dòng)污染物釋放是其主要來源(均大于80%)。Shi 等[16]通過研究斷面表層雪和雪坑的在不同環(huán)境下的沉積和保存,發(fā)現(xiàn)表層雪中含量隨著離海岸距離的增加呈上升趨勢(shì),且受積累率影響,沿海地區(qū)與內(nèi)陸地區(qū)的雪坑剖面中濃度不同。此外,橫穿南極科學(xué)考察的其他斷面也已經(jīng)進(jìn)行了一定表層雪或雪坑樣品的采集研究工作,如Suzuki 等[17]研究了東毛德皇后地沿海Syowa 站-Dome Fuji 斷面1000 km 的表層雪海鹽離子Cl-和Na+成分的空間分布規(guī)律。Karkas 等[18]對(duì)西毛德皇后地沿海冰架到內(nèi)陸0～350 km 斷面表層雪的空間分布進(jìn)行了研究。Dixon 等[19]對(duì)西南極ITASE 斷面的一系列表層雪和雪坑/淺雪芯的雪冰進(jìn)行了化學(xué)分析,發(fā)現(xiàn)斷面的光潔雪面/雪丘區(qū)域的樣品離子濃度相比非光潔雪面/雪丘地區(qū)較高。Khodzher 等[20]完成了Progress 站-Vostok 站1280 km 斷面表層雪和雪坑與離海岸距離、海拔、坡度和積累率的相關(guān)性調(diào)查。Caiazzo 等[21]分析了東南極Talos Dome附近的雪坑和淺雪芯雪冰化學(xué),利用、和MSA 的季節(jié)性變化得到了較精確的年層劃分,并認(rèn)為風(fēng)力導(dǎo)致的降雪重新分配過程是引起雪坑/淺雪芯積累率變化的原因。

由于中山站-Dome A 斷面氣候環(huán)境條件和大氣環(huán)流復(fù)雜多變,影響雪坑/冰芯主要陰、陽(yáng)離子沉積到雪層后的季節(jié)性變化和年際循環(huán)模式的控制因素多樣,因而研究不同區(qū)域雪坑的降雪沉積記錄有助于我們進(jìn)一步理解影響斷面化學(xué)離子信號(hào)的各種沉積規(guī)律及大氣環(huán)流的影響機(jī)制。本研究以中國(guó)第35 次南極科學(xué)考察中山站-Dome A斷面沿線采集的4 個(gè)雪坑為研究對(duì)象,分析了雪坑雪冰的化學(xué)組成,結(jié)合斷面雪坑的地理因素、積累率等,在綜合以往研究成果的基礎(chǔ)上,揭示斷面雪坑化學(xué)空間分布特征,同時(shí)對(duì)降雪的季節(jié)性模式和沉積后過程對(duì)某些化學(xué)指標(biāo)的影響進(jìn)行了探究,并討論了海冰、太陽(yáng)輻射冰殼等因素對(duì)雪冰化學(xué)成分的影響。其中,重點(diǎn)研究了Dome A地區(qū)的雪坑記錄,特別是沉積后作用的影響,并對(duì)該雪坑進(jìn)行詳細(xì)年層劃分,進(jìn)而為解讀Dome A 地區(qū)深冰芯的古氣候環(huán)境信息提供科學(xué)依據(jù)。

1 采樣和實(shí)驗(yàn)分析

1.1 采樣信息和方法

中山站-Dome A 斷面內(nèi)陸考察路線長(zhǎng)度1256 km,其中最高點(diǎn)Dome A 海拔4093 m,是南極內(nèi)陸海拔最高的冰穹[22-23]。2018/2019年中國(guó)第35 次南極科學(xué)考察時(shí)沿該考察路線(圖1)距離中山站不同距離(130 km、520 km、800 km 和1250 km)分別采集了4 個(gè)雪坑,詳細(xì)采樣信息見表1。采樣面選擇在雪坑的背風(fēng)壁方向雪面,采樣前使用聚乙烯塑料鏟和刮板仔細(xì)修整。采樣瓶為100 mL HDPE 材質(zhì)潔凈采樣瓶,采樣和樣品保存步驟如下: 拿起采樣瓶,將瓶口對(duì)準(zhǔn)采樣面,用力將瓶身推進(jìn)雪壁,待雪樣裝滿后,封口,并置于清潔PE 密實(shí)袋中,最后放置于-20℃環(huán)境中保存和運(yùn)輸。雪坑采樣過程中所有采樣人員均穿著潔凈服,佩戴一次性面罩和口罩,防止樣品被污染。

圖1 中山站-Dome A 斷面內(nèi)陸考察路線Fig.1.Map of Chinese Antarctic Research Expedition (CHINARE) traverse route from Zhongshan Station to Dome A

表1 中國(guó)第35 次南極科學(xué)考察在中山站-Dome A 斷面采集雪坑的信息Table 1.Information of snow pits sampling along Zhongshan Station to Dome A traverse during 35th CHINARE

1.2 化學(xué)離子分析方法

樣品主要陰、陽(yáng)離子含量分析在中國(guó)極地研究中心潔凈實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)分析時(shí),提前將凍結(jié)的樣品放置在中國(guó)極地研究中心潔凈實(shí)驗(yàn)室 (1000 級(jí))內(nèi)常溫自然融化(約22 ,24℃小時(shí)),之后將4 mL 融化后的水樣倒入樣品瓶中等待測(cè)試,分析儀器為離子色譜分析儀(Dionex ICS-3000),陰離子(Cl-、、)分析采用Ion Pac AS11陰離子色譜柱和AG11 保護(hù)柱以及KOH 淋洗液,陽(yáng)離子(Na+、K+、Mg2+、Ca2+)分析采用Ion Pac GS12 陽(yáng)離子色譜柱CG12 保護(hù)柱以及MSA 淋洗液[24]。樣品的離子含量采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)樣品校正,標(biāo)準(zhǔn)序列(陰離子標(biāo)準(zhǔn)序列均為20、40、100、200 ng·g-1,陽(yáng)離子標(biāo)準(zhǔn)序列Na+為10、20、50、100 ng·g-1,K+和Mg2+為2、4、10、20 ng·g-1,Ca2+為4、8、20、40 ng·g-1)通過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)樣品用超純水(Milli-Q,18.2 MΩ·cm)梯度稀釋。分析過程中設(shè)置空白組和平行組,離子檢測(cè)限為ng·g-1級(jí),平行樣品測(cè)試誤差＜5%。

1.3 雪坑定年方法

冰芯/雪坑的定年工作是研究雪冰化學(xué)特征時(shí)間變化的基礎(chǔ),常用方法包括離子的季節(jié)變化定年法、標(biāo)志層法等[25]。其中離子的季節(jié)變化定年法主要是指南極雪冰中的很多化學(xué)離子表現(xiàn)出不同程度的季節(jié)性高低變化,如海鹽離子(Cl-和Na+)濃度在冬季高、夏季低。標(biāo)志層法主要是指依靠大型火山事件和人類特殊活動(dòng)(核試驗(yàn))造成硫酸根或β活化度峰值在雪冰中的記錄去劃定特殊層的年份[25-27]。

雪坑定年方法的選擇與采樣點(diǎn)的雪積累率、風(fēng)速、采樣深度等有很大的關(guān)系,通常雪積累率高的沿海地區(qū),其年層劃分主要是根據(jù)穩(wěn)定同位素和離子的季節(jié)性變化信號(hào)[25]。張明軍等[8]成功通過δ18O、和Cl-含量剖面對(duì)伊麗莎白公主地兩個(gè)雪坑進(jìn)行了年層劃分; Caiazzo等[21]利用、和MSA 的季節(jié)性變化分析了東南極Talos Dome 附近的雪坑,得到了較精確的年層劃分。Dome A 地區(qū)的積累率低,通過各種參數(shù)(δ18O、Na+、、Cl-等離子)的季節(jié)性或者年際變化來確定雪坑的時(shí)間序列難度較大。相對(duì)而言,大型火山事件,可以作為雪坑定年的標(biāo)志年層,附以雪積累率數(shù)據(jù)校驗(yàn),能夠得出較為準(zhǔn)確的時(shí)間序列[28-31]。因此,考慮到SP1～SP3 雪坑2 m 采樣深度相對(duì)較淺,特別是SP2 與SP3 地區(qū)積累率較低和下降風(fēng)盛行等因素造成無法準(zhǔn)確劃分年層,甚至存在年層缺失現(xiàn)象,本研究?jī)H討論SP1～SP3 雪坑的季節(jié)性變化,Dome A 地區(qū)的SP4 雪坑則通過火山事件標(biāo)志層法進(jìn)行定年,以期為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)東南極內(nèi)陸典型區(qū)域Dome A 的雪冰變化過程,了解Dome A 地區(qū)物質(zhì)積累變化以及冰芯研究提供信息。

2 結(jié)果和討論

2.1 SP4 雪坑定年結(jié)果

2.1.1 SP4 雪坑火山事件信號(hào)

通過火山事件標(biāo)志層法對(duì)Dome A 地區(qū)的SP4 雪坑進(jìn)行定年,首先要確定SP4 雪坑中的火山事件信號(hào)。雪冰中的主要源于海鹽輸入(該部分通常標(biāo)記為ss)、海洋生物、火山事件和人類活動(dòng)釋放,其中后三種來源的統(tǒng)稱為非海鹽硫酸根離子(nss)[14],[nss] = [] - 0.253 × [Na+],其中0.253 是指海水中/Na+的比例[32]。海洋生物和人類活動(dòng)釋放的濃度在雪冰中濃度相對(duì)較低,通常是作為的背景濃度。火山事件形成的硫酸氣溶膠經(jīng)平流層擴(kuò)散至全球各個(gè)地區(qū),這些氣溶膠在平流層向極地地區(qū)擴(kuò)散的懸浮時(shí)間可達(dá)數(shù)年(表現(xiàn)為連續(xù)幾個(gè)樣品均為高值)。火山事件導(dǎo)致的高濃度信號(hào)峰代表了火山事件記錄[28-29]。在這項(xiàng)工作中,閾值(背景值加上兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差)使用Cole-Dai 等的方法進(jìn)行計(jì)算,即從數(shù)據(jù)中除去那些明顯可能是火山時(shí)間年份的nss值,再計(jì)算剩余nss濃度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差(二者分別代表非火山活動(dòng)期間的硫濃度本底值和變化范圍)[28,31,33]。計(jì)算結(jié)果如圖 2 表示,實(shí)直線 nss代表的濃度背景值111.16 ng·g-1,虛線表示閾值176.88 ng·g-1。基于背景值和閾值,本文提出如下火山事件判別標(biāo)準(zhǔn): 第一,連續(xù)3 個(gè)樣品的nss濃度為高值; 第二,nss濃度最低值達(dá)到閾值以上。根據(jù)以上兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn),我們?cè)赟P4 雪坑nss記錄中發(fā)現(xiàn)兩個(gè)火山事件信號(hào),深度分別在1.86 m 和3.9 m 處(圖2)。

圖2 SP4 雪坑nss 濃度隨深度變化的剖面(實(shí)直線代表背景濃度,虛線代表閾值)Fig.2.Continuous profile of nss concentrations in the SP4 snow pit as a function of snow depth.The solid horizontal line indicates the non-volcanic background,and the dashed line represents the detection threshold.

2.1.2 年平均積累率和年層計(jì)算

通過密度鏟法對(duì)SP4 雪坑雪密度測(cè)量顯示,其頂部新雪密度為311 kg·m-3,底部密度約440 kg·m-3。根據(jù)實(shí)測(cè)密度,得到密度隨深度的變化擬合趨勢(shì)線:y= 0.0152x3- 0.0934x2+ 0.1596x+ 0.3093。通過擬合方程式,計(jì)算出雪坑不同深度下雪冰的密度,進(jìn)而轉(zhuǎn)換成樣品水當(dāng)量長(zhǎng)度(密度乘以各個(gè)樣品長(zhǎng)度),最后可獲得水當(dāng)量深度[27-34]。

表2 給出了不同研究者對(duì)于Dome A 地區(qū)雪冰積累率的計(jì)算結(jié)果[26-28,35-37]。在長(zhǎng)時(shí)間尺度上,Dome A 地區(qū)的積累率總體上比較穩(wěn)定(約0.019 ～ 0.027 m w.e·a-1)。對(duì)照全新世火山事件表及現(xiàn)代Dome A 地區(qū)積累率,認(rèn)為圖2 中nss在3.9 m處峰值為1964年,即1963年印度尼西亞爆發(fā)的Agung 火山事件(火山事件導(dǎo)致的nss傳輸?shù)綐O地有時(shí)間差,通常為1～2年)[30,33],頂部時(shí)間默認(rèn)為采集時(shí)間,即2018年。在上述兩個(gè)時(shí)間標(biāo)記層的基礎(chǔ)上,計(jì)算得出年平均凈積累率為0.0269 m w.e·a-1,略大于侯書貴等[26]研究的年平均積累率。對(duì)于其他部分,采用年平均積累率為0.0269 m w.e·a-1的方法進(jìn)行定年(水當(dāng)量深度除以雪積累率),得出1.86 m 處nss峰值年層為1992年,恰好與1991年噴發(fā)的Pinatubo(菲律賓)火山事件相對(duì)應(yīng)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,底部沉積時(shí)間為 1962年,因而整個(gè)雪坑的定年結(jié)果為1962—2018年,共56年。

表2 Dome A 地區(qū)平均積累率Table 2.The averaged accumulation rate from different method in Dome A

表1 給出了SP1～SP4 雪坑附近(2 km 以內(nèi))花桿中國(guó)第35 次南極科學(xué)考察時(shí)的實(shí)測(cè)雪積累率。沿海地區(qū)的SP1 雪坑附近積累率較高; 520 km 處的SP2 雪坑區(qū)域下降風(fēng)盛行,年均風(fēng)速大于8.0 m·s-1(風(fēng)向以SSE 為主),強(qiáng)烈下降風(fēng)導(dǎo)致雪再搬運(yùn)和重新堆積[10],花桿資料表明該區(qū)域降雪年積累率不足40 kg·m-2·a-1; SP3 地區(qū)較高的積累率應(yīng)該與該處的地形特征有關(guān)。相對(duì)于 Dome A 地區(qū),SP1～SP3 雪坑關(guān)于表面地形特征、積累速率以及斷面雪坑/淺冰芯研究成果均相對(duì)較少,該內(nèi)容仍需繼續(xù)觀測(cè)和進(jìn)一步的驗(yàn)證。

2.2 主要離子濃度變化特征

2.2.1 主要離子的空間變化特征

表3 列出了SP1～SP4 雪坑主要可溶性離子的平均濃度和C-/Na+比值。為了比較空間特征,還列出了南極其他地點(diǎn)1～2 m 深度雪坑/粒雪芯的離子濃度測(cè)量結(jié)果[19,38-42]。本文的4 個(gè)雪坑中的海鹽離子濃度總體上高于東南極South Pole- Vostok 斷面和西南極ITASE 斷面中相同海拔高度雪坑或淺雪芯內(nèi)的海鹽離子濃度(表3)[19,38],但與Li 等[13]中國(guó)第29 次南極考察隊(duì)內(nèi)陸考察研究結(jié)果基本一致,不同斷面或地區(qū)大氣環(huán)流模式和物質(zhì)源區(qū)的區(qū)別,可能是導(dǎo)致雪坑離子平均濃度差異的主要原因。其中,SP1～SP4 雪坑K+、Mg2+和 Ca2+平濃度均相對(duì)其他離子較低,平均濃度范圍約1～ 6 ng·g-1。K+濃度相比Mg2+和Ca2+濃度較低,4 個(gè)雪坑的K+濃度僅1～2 ng·g-1。Mg2+既有海鹽來源,也有陸地塵埃碎屑風(fēng)化物來源,濃度變化較小。內(nèi)陸地區(qū)的Ca2+平均濃度相對(duì)略高,這是因?yàn)镃a2+主要來源于中低緯陸地,大氣環(huán)流模式結(jié)果顯示南極沿海地區(qū)接收附近海洋物質(zhì),而Dome A 地區(qū)主要接收中低緯大氣環(huán)流的遠(yuǎn)源傳輸,并通過極地平流層沉降到內(nèi)陸,造成內(nèi)陸地區(qū)的 Ca2+濃度較高[1,10]。康建成等[43]發(fā)現(xiàn)南極內(nèi)陸地區(qū) Ca2+離子含量較高,主要是從別的大陸如南美大陸,通過大氣環(huán)流輸運(yùn)到南極內(nèi)陸。

表3 南極雪坑離子濃度平均值對(duì)比Table 3.Average values of ionic concentration in snow pits

海鹽離子(Na+、Cl-)主要源于海洋,易受近海海洋氣團(tuán)影響,因而,表3 中SP1 雪坑Na+和Cl-濃度較高,內(nèi)陸區(qū)域SP4 雪坑海鹽離子濃度較低。Cl-/Na+濃度比值可以用來解釋影響海鹽離子沉降的源區(qū)和機(jī)制,其中Na+被認(rèn)為完全來源于海洋[9]。海水中的Cl-/Na+濃度比值約為1.81,當(dāng)某區(qū)域的比值接近1.81 時(shí),表明海洋氣團(tuán)控制該區(qū)域的海洋沉降,雪冰中的物質(zhì)主要來源于海洋。隨著海拔增加,Cl-/Na+大于1.81,說明Cl-來源有非海鹽的物質(zhì)輸入[10,13]。SP1～SP4 雪坑的Cl-/Na+比值,隨采樣點(diǎn)從沿海向內(nèi)陸變化而逐漸增大。具體而言,SP1 靠近沿海地區(qū),Cl-/Na+比值為1.91,接近海水比值,表明該雪坑的物質(zhì)以海洋源為主。海拔高于2000 m 的SP2～SP4 雪坑,Cl-/Na+比值增加,表明存在Cl-的富集或Na+虧損的現(xiàn)象。在沿海區(qū)域,溫度低于-8℃時(shí)海冰形成過程中芒硝沉淀引起的Na+的分餾,是造成SP1雪坑Cl-/Na+略大于1.81 的部分原因[44]。在內(nèi)陸區(qū)域,Cl-富集主要與揮發(fā)性HCl 的沉積有關(guān)。揮發(fā)性HCl 可由H2SO4和/或HNO3與NaCl 的大氣化學(xué)反應(yīng)釋放,其中夏季大部分脫氯作用(即產(chǎn)生的HCl)可能是由大氣中高濃度的HNO3所引起的[16,45-46]。低積累率地區(qū)(SP4)發(fā)生的揮發(fā)性的氯化物(HCl)沉降至冰蓋表層時(shí),揮發(fā)和再沉降現(xiàn)象和少量非海鹽來源如火山活動(dòng)、人類活動(dòng)釋放的Cl-,通過高空(平流層或?qū)α鲗禹敳?傳輸沉降在內(nèi)陸雪層中也會(huì)造成Cl-富集[13,19]。此外,風(fēng)吹雪作用,特別是在下降風(fēng)作用的地區(qū),可能是導(dǎo)致SP2 和SP3 雪坑Cl-/Na+比值增加的原因(表3)[47-48]。

需要注意的是,SP4 雪坑最表層樣品的陰、陽(yáng)離子濃度較高,可能是雪坑最上層(0～3 cm)包含有冰晶(Dome A 地區(qū)最頂層＜1 cm 的針狀晶體層)引起的。Shi 等[16]研究表明,Dome A 地區(qū)表層雪的形態(tài)與斷面上的其他區(qū)域不同,冰晶層廣泛發(fā)育,特別是在雪脊上,冰晶中的某些離子含量相對(duì)較高(例如最大約1000 ng·g-1),但是目前有關(guān)冰晶化學(xué)分析的信息還很有限,對(duì)于SP4 雪坑表層陰、陽(yáng)離子濃度較高的原因需要進(jìn)一步收集分析。

2.2.2 主要離子的時(shí)間變化特征

從圖3 可以看到,海鹽離子Cl-和Na+的變化相同,各個(gè)雪坑Cl-和Na+濃度的年際循環(huán)特征不同。SP1 和SP3 雪坑Cl-和Na+呈現(xiàn)出年際循環(huán),其原因是冬季亞南極地區(qū)海洋上空的氣旋南侵,氣旋活動(dòng)加劇,導(dǎo)致海鹽離子隨海洋氣團(tuán)頻頻侵入南極冰蓋內(nèi)部,使冰蓋雪冰內(nèi)的海鹽離子形成較清晰的季節(jié)性循環(huán),即冬季出現(xiàn)較高值,夏季出現(xiàn)較低值。其中Na+可認(rèn)為是完全來自海洋,更易表現(xiàn)出季節(jié)性變化現(xiàn)象,因此雪冰中季節(jié)性變化的Na+濃度也被認(rèn)為是南極冬春季大氣擾動(dòng)的沉積時(shí)間指標(biāo)[25]。內(nèi)陸低積累率區(qū)域SP4 雪坑Cl-和Na+濃度無季節(jié)變化特征。圖3 中SP1～SP4 雪坑的Cl-濃度隨時(shí)間推移呈現(xiàn)出不同程度的上升趨勢(shì),Na+濃度上升幅度微弱,其中內(nèi)陸SP4 雪坑Na+甚至略微減少。一方面,可能與沿海地區(qū)海冰面積擴(kuò)大有關(guān)。海鹽氣溶膠增加特別是在冬季增加，不僅與氣旋風(fēng)暴增強(qiáng)導(dǎo)致開闊海洋上空的海鹽氣溶膠增強(qiáng)并更快地向內(nèi)陸運(yùn)輸有關(guān),還與海冰面積擴(kuò)大過程中的直接輸入有關(guān),包括霜花(frost flower),鹽水(brine),以及風(fēng)吹雪升華的貢獻(xiàn)[54-55]。南極海冰面積通常在9月份(冬季)達(dá)到最大值,在2月份(夏季)達(dá)到最小值,從1979年起整體上呈緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì),并在2014年達(dá)到近幾十年以來最高點(diǎn)(1270 萬平方公里)。此后受熱帶和極地地區(qū)多重氣象因素聯(lián)合作用,快速回落至較低水平(2017年為近40年新低,約1060 萬平方公里)。南極海冰主要變化區(qū)域分布在西南極,尤其是羅斯海區(qū)域和阿蒙森海區(qū)域; 相比之下,東南極海冰面積相對(duì)穩(wěn)定,仍在緩慢增加[56-57]。海冰形成高鹽度“霜花”和鹽水,可能與雪坑海鹽離子含量的增加有關(guān),因此至少在沿海地區(qū),在解釋雪坑的海鹽記錄時(shí),需要考慮新生海冰上的霜花和風(fēng)吹雪升華機(jī)制。但Levine 等[58]以海鹽離子作為過去海冰面積指標(biāo)進(jìn)行的模擬研究表明,氣象條件而非海冰面積是影響南極洲的沿海和內(nèi)陸地區(qū)的大氣海鹽氣溶膠沉積的主要因素。到目前為止,海鹽離子的霜花與海洋飛沫來源很難細(xì)致區(qū)分,Frey 等[59]在威德爾海觀測(cè)到了風(fēng)吹雪產(chǎn)生的海鹽氣溶膠,發(fā)現(xiàn)風(fēng)吹雪通常會(huì)導(dǎo)致暴風(fēng)氣旋期間海鹽氣溶膠的增加,是導(dǎo)致南極冬季Cl-和Na+濃度出現(xiàn)最大值的原因。并通過的分餾對(duì)該地區(qū)海鹽離子來源的進(jìn)行了簡(jiǎn)單區(qū)分,結(jié)果表明該地區(qū)海鹽離子以海冰上的霜花、風(fēng)吹雪來源為主。另一方面,Cl-的上升趨勢(shì)可能與HCl 很易揮發(fā)和再沉降有關(guān)[16,45-46]。與Na+相同,沿海地區(qū)的Cl-具有冬季峰值,海鹽離子從沿海向內(nèi)陸的傳輸過程中發(fā)生動(dòng)力分餾或與大氣中的強(qiáng)酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng),內(nèi)陸地區(qū)過低的積累率會(huì)使季節(jié)信號(hào)發(fā)生平滑[47-48]。另外,如果積累率保持不變,大氣環(huán)流的強(qiáng)度的改變,也會(huì)導(dǎo)致離子濃度發(fā)生變化。

圖3 Cl-和Na+ 離子濃度隨深度變化的剖面對(duì)比,空點(diǎn)代表離子濃度,實(shí)線代表平滑曲線,虛線代表趨勢(shì)線(a,b,c,d分別表示SP1～SP4)Fig.3.Comparison of Cl-and Na+ concentration profiles with depth in SP1 (a),SP2 (b),SP3 (c) and SP4 (d).The empty dots indicated concentrations,the solid lines indicated smoothed curves,and the dashed lines indicated trend lines.

圖4 顯示K+、Mg2+、Ca2+的變化趨勢(shì),SP1和SP3 的Mg2+剖面與海鹽離子Cl-和Na+的變化趨勢(shì)較為一致,呈現(xiàn)出季節(jié)性變化,反映了開闊海洋產(chǎn)生的海洋飛沫對(duì) Mg2+濃度的貢獻(xiàn)[10]。SP1～SP3 雪坑的K+、Mg2+和Ca2+濃度隨時(shí)間的推移呈微弱上升。由于K+、Mg2+和Ca2+既有海洋來源,也有陸地來源[9],其上升趨勢(shì)可能同海鹽離子Cl-和Na+一致,是新生海冰上的霜花和風(fēng)吹雪升華機(jī)制所致[54-55]。

圖4 K+、Mg2+和Ca2+隨深度變化的剖面對(duì)比,空點(diǎn)代表離子濃度,實(shí)線代表平滑曲線,虛線代表趨勢(shì)線a) SP1; b)SP2,c) SP3; d) SP4Fig.4.Comparison of K+、Mg2+ and Ca2+concentration profiles with depth in SP1 (a),SP2 (b),SP3 (c) and SP4 (d).The empty dots indicated concentrations,the solid lines indicated smoothed curves,and the dashed lines indicated trend lines.

圖5 nss 和 離子濃度隨深度變化的剖面對(duì)比(a,b,c,d 分別表示SP1～SP4)Fig.5.Comparison of nss and concentration profiles with depth in SP1 (a),SP2 (b),SP3 (c) and SP4 (d)

3 結(jié)論

通過分析在中山站-Dome A 斷面雪坑雪冰化學(xué)離子含量,得出了以下結(jié)論:

(1)在空間變化方面,總體上,SP1～SP4 雪坑K+、Mg2+和Ca2+平均濃度相對(duì)其他離子較低,平均值范圍約1～6 ng·g-1,其中內(nèi)陸地區(qū)的Ca2+受源區(qū)和大氣環(huán)流機(jī)制等作用影響,濃度較K+、Mg2+略高。沿海地區(qū)的Cl-和Na+受近海海洋氣團(tuán)影響,濃度較高。從沿海到內(nèi)陸,Cl-/Na+比值逐漸增大,表明Cl-有其他來源或受到揮發(fā)性HCl 的沉積等影響。低雪積累率和中低緯度遠(yuǎn)距離輸入可能造成內(nèi)陸地區(qū)雪坑濃度較高,2000 m 以上的雪坑nss在中的比重達(dá)90%以上,表明非海鹽硫酸鹽是高海拔地區(qū)離子的主要來源。積累率、下降風(fēng)和沉積后作用等導(dǎo)致濃度變化復(fù)雜,顯示出較大的空間異質(zhì)性,SP3 雪坑濃度較高,可能與該地區(qū)地貌、太陽(yáng)輻射冰殼和沉積后作用等有關(guān)。

(2)在時(shí)間變化方面,由于離子源區(qū)、下降風(fēng)、沉積后過程和積累率等共同作用,SP1 和SP3 雪坑海鹽離子、和nss濃度隨時(shí)間呈現(xiàn)出相應(yīng)的季節(jié)變化特征,而SP2 和SP4 雪坑無明顯季節(jié)變化。SP1～SP3 雪坑Cl-和Na+濃度隨時(shí)間推移表現(xiàn)出不同程度的上升趨勢(shì),可能是新生海冰上的霜花和風(fēng)吹雪升華機(jī)制所致。K+、Ca2+濃度隨時(shí)間變化較小,Mg2+和海鹽離子Cl-和Na+濃度剖面變化較為一致,表明Mg2+主要受海洋來源的影響。此外,通過nss火山信號(hào)確定了SP4 雪坑的時(shí)間序列(1962—2018年,年平均積累率為0.0269 m w.e·a-1)。

綜上,通過對(duì)中山站-Dome A 斷面雪坑雪冰化學(xué)的時(shí)空變化特征及其區(qū)域差異等分析研究,補(bǔ)充、驗(yàn)證和增加了整個(gè)斷面和Dome A 地區(qū)雪坑/冰芯中雪冰氣候記錄,為東南極冰芯記錄研究提供了重要的支撐。