1萬年前南極冰蓋為何退縮

當南極冰蓋不穩定時，冰下湖泊儲存的冰川融水在冰蓋底部的流動性加強，存在大量排放的可能性。冰川融水的排放過程反過來會影響冰蓋的穩定性，導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。有科學家認為，這可能與冰下融水排放導致的冰蓋失穩有關。然而，由于缺乏直接的地質證據，二者的聯系尚不清楚。

為此，中國科學院南京地質古生物研究所（以下簡稱“南京古生物所”）、英國布里斯托大學、英國圣安德魯斯大學、南京大學的學者開展合作，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系，為預測未來南極冰蓋可能的變化提供了重要參考。相關研究成果近日發表在《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布的《全球生態環境遙感監測2020年度報告》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定性存在顯著影響，因而受到廣泛關注。

據了解，隨著壓力增加和溫度升高，冰蓋深部的固態冰會逐漸轉化為液態融水，在冰蓋底部形成許多大小不一的冰下湖泊。現有統計數據表明，全球已探明的冰下湖泊有773個，其中南極洲有675個、格陵蘭島有64個。

當南極冰蓋不穩定時，冰下湖泊儲存的冰川融水在冰蓋底部的流動性加強，存在大量排放的可能性。冰川融水的排放過程反過來會影響冰蓋的穩定性，導致冰架崩塌速度加快。

“由于現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系還缺乏可靠認識。”李濤告訴《中國科學報》。

此前研究發現，冰蓋底部巖石顆粒表面釋放的鈾同位素（234U）會在冰下融水中不斷累積，導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，東南極洲底部化學沉積物的鈾同位素值高達4000‰，如此巨量且過剩的234U的釋放會顯著改變周圍海水的鈾同位素組成。

通過軌跡分析計算，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。

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，大部分地質樣品無法滿足這一要求。”李濤表示，深海珊瑚被證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，揭示了物理風化和水團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個被確定的大洋。

相關數據顯示，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致該時期南大洋海水鈾同位素上升的主要原因。

李濤說：“該時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關系，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系。”

據介紹，融水脈沖事件1A是指大約在1.4萬年前，當最后一塊冰開始融化時，海平面在不到500年的時間里上升了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。”李濤說，研究團隊的目標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，深海珊瑚的采集嚴重依賴于深潛技術。李濤介紹，深海珊瑚在大西洋已經被研究了幾十年，在美國西海岸、夏威夷乃至南大洋的研究中也有很多報道。2018年，我國在南海北部至中部的深潛航次首次發現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完全未知的領域。

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

經過不斷摸索，在英國同行的幫助下，李濤和南京大學地球科學與工程學院教授陳天宇開展合作，在南京古生物所實驗技術中心的環境元素同位素平臺開發了激光-質譜儀聯用的鈾-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。

“該方法可以用于年齡低于60萬年的晚第四紀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。”李濤說，“利用該方法，我們首先對幾千個化石珊瑚樣品進行了初步的測年，然后根據測年結果選擇合適年齡范圍內的樣品進行高精度的鈾-釷測年，從而達到研究的目的。”

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度等記錄，研究人員進一步指出，末次冰消期以來，南極繞極深層水溫度的上升和上涌流強度的加強可能是導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一步上升，可能導致冰蓋底部融水釋放加快，進而引起南極冰蓋的崩解和海平面快速上升。