（自然地理学专业论文）珠穆朗玛峰东绒布冰川冰芯雪冰化学记录研究.pdf

珠穆朗玛峰东绒布冰川冰芯雪冰化学记录研究 崔晓庆 ( 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，冰冻与环境联合重点实验宣) 攮要 通过雪冰化学研究揭示大气环境的某魑特征是冰雪与全球变化 研究的重要内容之一。雪冰化学记录为全球变化的各个方面，如气候 变化，生物攮球纯学循环，人类活动，球冻圈内总冰量( 海平嚣变化) ， 地质和字宙事件等诸多科学命题的研究提供了直接或间接依据。 雪冰化学研究的最终目的是通过多元素化学指标，了解过去全球 环境变迂历史和橇联，预测未来，鬏务人类。雪球化学是透葶亍区域对 比研究和进行探讨仝球尺度的地球表面物理、化学及生物地球化学循 环过程的理想手段之一。 毒藏窝淼是地球上海拔最高豹赢藏，是涂紊、j 极之外的冰川高 度集中区域之一，为青藏高原古气候古环境研究提供了理想的场所。 它也是气候变化的敏感区和启动区。丽珠穆朗玛峰地区的现代冰川霉 冰化学研究对了解过去珠穆朗玛峰遣区的气候环境撮供了重要的指 示意义。 本论文根据2 0 0 2 年在珠穆朗玛峰地区的东绒布冰川钻取的4 0 3 米的冰芯中的3 7 4 米进行了主要离子分析，在前入做过研究的基础 上，对东绒布冰川i 冰芯的雪冰化学进行了进一步的分析和研究并得出 了如下结论： ( 1 ) 东绒布冰芯中的海盐离予n a + 、k + 和g i 一豹分孛厅结果表明， 三种离子燕要来源于海洋性的印度夏季风降水。但是n a + 还伴有青藏 高原内陆盐湖的来源。k + 豹来源还与珠穆朗玛蜂地区广泛分布豹硅羧 盐矿物有必。总的分析表明，n a + 和g i 一可以反映印度季风的强度；局 地缝表风亿物蒺对东绒布冰川的离子来源毒很太的荧麸量。 ( 2 ) 人类活动对珠穆朗玛峰地区降水中n o 。浓度的影响不犬。我们 可以以该冰心中记录的n 0 3 和s 0 4 2 - 的多年平均浓度作为青藏高原南 部对流屡中上都n 0 3 和s 0 4 2 - 的浓度的本藏僵。侄是拐步研究表鹱， n o 。在近年来的增长趋势可能与2 0 世纪中期以来印度等地区工农业 迅速发展，大量消耗化石燃料和农业化肥脊关，这有待于进一步的研 究。 ( 3 ) 系绒布冰川i 冰芯中的c a ”主要来源予中亚干旱半干旱区的扬尘 和周围地区矿物质，c a 2 + 可以指示气候环境的千湿| 青况。一般说柬， c a 2 + 含量高，反映融当时该冰川俸用区气候环境比较于旱，若且商干 旱方向发展，相反则比较湿润。 ( 4 ) 东绒布冰芯中的s 0 4 2 记录了人类活动的影响，表踞冰芯中s 0 4 玉 可以反映人类活动的某些突发事件。有记录表稿s 0 4 2 还与大的火山 爆发事件有着密切的相关性。 ( 5 ) 大气中氨的主要来源是陆地生物体的燃烧、化肥的使用、微生 物的分解、农业生产活动和工业生产排放气体等。东绒布冰芯明恩的 记录了人类活动的影响。主要表现在青藏高原和南亚地区的农业擞产 活动中n h 。+ 的大量搀放和工业生产提高的环境污染。邈此末绒布冰芯 中的n h 。+ 可以指示人类活动的影响程度。 关键词：东绒布冰川；冰芯；霉冰化学：珠穆朗玛峰 l i a s t u d yo ng l a c i e ra n d i c ec o r eg l a c i o c h e m i s t r yr e c o r d s o ft h ee a s tr o n g b u k g l a c i e ro i lm t q o m o l a n g m a c u ix i q o q i n g ( p h y s i c a lg e o g r a p h y ) d i r e c t e db yp r o f r e nj i a w e n a b s t r a c t r e v e a l i n ga t m o s p h e r e e n v i r o n m e n t a ls o m e c h a r a c t e r i s t i cb y m e a n so fg l a c i o c h e m i s t r ys t u d yi s o n eo fc o m p o n e n t so fs n o wa n d c e a n dg l o b a lc h a n g es t u d i e s 。g l a c i o c h e m i s t r yr e c o r d ss u p p l i e df i r s t h a n d o ri n d i r e c te v i d e n c ef o rm a n ya s p e c t so fg l o b a lc h a n g e ；i e c l i m 8 t 。 c h a n g e ，b i o g e o c h e m i c a lc y c l e ，h u m a na c t i v i t y ，s e a l e v e lc h a n g 。a n d g e o l o g ya n dm e t a g a l a x ye v e n te t c m a n y s c i e n t i f i cp r o p o s i t i o | 18 “d i e 5 t h e f i n a l t a r g e t o f g l a c i o c h e m i s t r y s t u d y i s t h r o “g h m u l t i e l e m e n tc h e r o i c a li n d e xt or e a l i z et h eh i s t o r ya n dm e c h a n i s m t h a t h a v ec h a n g e dg l o b a le n v i r o n m e n t ，t o f o r e c a s tf u t u r ea n dt o b e 拄。f i t h u m a n t h eg l a c i o c h e m i s t r ys t u d yi s o n ei d e a lm e t h o df o rt h es t u d y0 f r e e i o n a lc o n t r a s ta n dt h eg l o b a ld i s c u s s i o no fe a r t hs u r f a c ep h y s i c a la n d c h e m i c a la n db i o g e o c l l e m i c 8 lc y c l ep r o c e s s t h et i b e t a np l a t e a u ，t h eh i g h e s tp l a t e a uo ne a r t h ，h a s o n eo ft h e h i g h e s tc o n c e n t r a t i o n s o fg l a c i e r so u t s i d et h ep o l a rr e g i o n 3 ，w h l 。h 口f o v i d e sas p e c i a lb a s i s f o rs t u d y i n gt h et i b e t a np a l a e o c l i m a t ea n d d a l a o e n v i r o n m e n t a n dt h et i b e t a np l a t e a ui s t h es e n s i t i v ea l l ds t a r t 。“p r e g i o n st ot h ec l i m a t ec h a n g e 。 i n v e s t i g a t i n gt h em o d e r ng i a c l e r3 n o w a n d i c ec h e m i s t r yo nt h em o u n te v e r e s tc a nh e l pt os t u d yt h ec l i m a t e e n v i r o n m e n ti ni c ec o r e b a s e do nt h em a i nc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i co fa 4 0 3 mi c ec o r e w l i e hw a sr e c o v e r e di ne a s tr o n g b u kg l a c i e r o nt h en o r t h e r ns l o p eo f m o u n te v e r e s t ，a n db a s e do nt h er e s e a r c hr e s u l t so fp r e d e c e s s o 。，w e n l p r e s e n tt h ef u r t h e ra n a l y s i sa n dr e s e a r c h e so fg l a c i o c h e m i s t r yo nt h e e a s tr o n g b u kg l a c i e r t h ec o n t e n t sa n dr e s u l t sa sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ea n a l y t i c a lr e s u l to fs e as a l ti o nn a + 、 k + a n dc i i nt h ee a s t r o n g b u kg l a c i e ri c ec o r ei n d i c a t et h a tt h et h r e ek i n d so fi o n sm a i n l y c o m ef r o ms u m m e rm o n s o o nr a i n f a l l b u tn a + c o m e sf r o mt h es a l i n ei n t h ei n n e ro ft h et i b e t a np l a t e a ue x c e p tt h es u m m e rm o n s o o nr a i n f a l l ， a n dt h eo r i g i no fr e l a t e st h ea b r o a d d i s t r i b u t i n gs i l i c a t e m i n e r a li n m o u n te v e r e s t t h et o t a la n a l y s i si n d i c a t e st h en a + a n dc i i o n s c a n r e f l e c tt h ei n t e n s i t yo ft h ei n d i a ns u m m e rm o n s o o nr a i n f a l l ；t h ee a r t h ，s s u r f a c ee f f l o r e s c e n c em a t t e rh a sab i gc o n t r i b u t i o nt ot h ei o n ss o u r c eo n t h ee a s tr o n g b u kg l a c i e r ( 2 ) t h ec o n c e n t r a t i o no fn 0 3 。i o ni nt h er e g i o no fm t q o m o l a n g m a i sl e s s i m p a c t e db y h u m a na c t i v i t i e s t h e m a n yy e a r s m e a n c o n c e n t r a t i o no ft h en 0 3 。a n ds 0 4 2 i o n si nt h i si c ec o r e sr e c o r d sc a nb e r e g a r d so ft h eb o t t o mv a l u eo ft h en 0 3 a n ds 0 4 2 li o n sc o n c e n t r a t i o n i n t h et o po ft r o p o s p h e r eo nt h es o u t h e r no fm t q o m o l a n g m a b u tp i l o t s t u d ys h o w st h eh i g hc o n c e n t r a t i o n so fn 0 3 f r o mt h em i d d l eo f2 0 c e n t u r i e sm a yb ec a u s e db yt h ed e v e l o p i n go fa g r i c u l t u r ea n di n d u s t r y ， d e p l e t i n gf o s s i l f u e la n da g r i c u l t u r ef e r t i l i z e ro fi n d i a n t h ef u r t h e r s t u d ys h o u l db ed o n et ot h i sr e s e a r c h ( 3 ) t h ec a ”i o ni sd u et ot h ei m p o r to fs p r i n gd u s ts t o r m sf r o mt h e a r i da n ds e m i a r i dd e s e r tr e g i o n si na s i aa n dt h ea r o u n dm i n e r a lm a t t e f s i tc a ni n d i c a t et h ed r yo rw e tc i r c u m s t a n c eo ft h ec l i m a t e ，o e n n e r a l l y s p e a k i n g ，h i g h e rc o n c e n t r a t i o no fi o nr e f l e c t st h a tt h ec l i m a t ew a sv e r y d r yt h e ni n t h eg l a c i e r a c t i n gr e g i o n sa n d t r e n d e dd r i e r ，w h e r e a s i n c “n e dt ow e t t e r ( 4 ) h u m a na c t i v i t ya n ds o m ea b r u p te v e n t sc a nb er e f l e c t e db y v a r i a t i o n so ft h ei o no ft h ee a s tr o n g b u kg l a c i e ri c ec o r e t h er e c o r d s s h o wt h a ts 0 4 2 c o n c e n t r a t i o ni s c o r r e l a t e dw i t hs o m eb i gv o c a l i c e r u p t i o n s i v ( 5 ) t h em a i ns o u r c eo fa m m o n i u mi nt h ea t m o s p h e r ei st h eb u r n i n g o fl a n do r g a n i s m ，u s i n gf e r t i l i z e r ，d e c o m p o s i n g m i c r o o r g a n i s m ， a g r i c u l t u r a la c t i v i t ya n di n d u s t yc o n t a m i n a t i o na n ds oo n a g r i c u l t u r a l a c t i v i t yc a nb er e f l e c t e do b v i o u s l yi nt h ee a s tr o n g b u kg l a c i e r t h e h i g ha m m o n i u mc o n c e n t r a t i o n si ss u g g e s t e dt or e f l e c tc h a n g ei nt h e r e g i o n a la g r i c u l t u r ea c t i v i t i e si nt h et i b e t a np l a t e a ua n di ns o u t ha s i a t h ea m m o n i u mc o n c e n t r a t i o ni nt h ee a s tr o n g b u kg l a c i e ri c ec o r ec a n i n d i c a t et h ed e g r e eo fh u m a na c t i v i t y k e yw o r d s ：e a s tr o n g b u kg l a c i e r ；i c ec o r e ；o l a c i o c h e m i s t r y m t q o m o l a n g m a v 璩穆朗玛蜂末绒布球朋球茜雪珠化学记录研究 第一章绪论 1 1 冰周雪球纯学研究意义窥原理 与各种化学元素相关的环境特征的研究，是研究大气层物质成分 变佬的有效手段之一，是检测人类活动对环境影响豹w 靠指标，网时 也是区分不同地区、不同气候条件下环境差异的重要方法。雪冰由于 其本身十分洁净，所以不管是大气层物质成分变化的反应，对人类活 动影响的反应，还怒对区分不同地区、不同气候条件下的环境差异的 反应都是十分敏感的。雪冰中的钙、镁、钠、钾、氯、硝酸根、硫酸 根、碳酸根等阴、鞭离子以及微粒食量可以用来研究过去环境的变化， 因为这些物质成分是大气气溶胶过去变化历史的指标。雪冰化学的研 究，还可用于识别与区域循环、水汽来源以及生物化学循环相关的各 化学成分的地区同罴差异。 冰川中杂质种类繁多，每一种化学离子都有其特殊的环境意义。 因为根据其浓度随时间的变化、现代条件下这些物质的分布状况及其 来源_ 嵇传辕过程的研究，可以反演过去大气环境的变傀、为预测未来 环境变化提供重要的依据。 可溶性阴、阳离子是冰川冰芯雪冰内的主要杂质成分类型之一， 这些离予种类缀多，如n a + 、k + 、n h 4 + 、m g 、c a 2 + 、h + 、c i 、f 、 n 0 3 、s 0 4 知、h c 0 0 、c h 3 c o o + 等。僵其禽量是有差别的。根据浓 度量级，一般把浓度高于0 1ue q l “的离子称为主要离子。一般来说， 雪踉内主要阴、阳离予有n a + 、k + 、n h 4 + 、m g ”、c a 2 + 、h + 、c 1 + 、 f 、n 0 3 。、s 0 4 厶，其来源甚为广发，有海盐物质、地壳尘埃、火山喷 发物，还有来源于森林火灾、大气中的化学和物理过稳、外部空间及 人类溪动污染等携物质，但不弱离子的主要来源不尽拥同，有些穗对 简单，有的则复杂的多。 冰芯岛气候和环境变化关系的研究是通过从冰川1 ( 包括冰盖和冰 摆及其健类型的冰闫i ) 孛链取取样，检测过去气候与巧境变纯、检测现 代气候岛环境变化、预测未来气候与环境变化的个多学科交叉性前 第一章绪论 沿研究领域。通过对冰芯中气候与环境信息的研究可揭示近代至现 代、甚至过去几十万年的气候环境特征，同时也可通过与现代气象记 录的结合，提高预报未来气候变化的能力。冰芯不仅记录着自然变化 的信息，而且记录着过去人类活动对于气候环境的影响。雪冰记录为 全球变化的各个方面，如气候变化，生物地球化学循环，人类活动， 冰冻圈内总冰量( 海平面变化) ，地质和宇宙事件等诸多科学命题的 研究提供了直接或间接依据。因此，冰芯在过去全球变化研究中具有 重要的地位。冰芯研究也是过去全球变化研究的一个极为重要的领 域。 冰芯研究最早可追溯到5 0 年代，冰川学家在格陵兰冰盖钻取了 3 0 0 - - 4 0 0 m 冰芯。其主要目的是研究雪冰物理特征。6 0 年代在格陵兰 和南极冰盖钻取的深孔冰芯稳定同位素比率和微粒含量等分析，揭开 了冰芯气候环境记录研究的序幕。七八十年代，南极冰盖冰芯研究引 人注目，用三大冰芯( v o s t o k ，d o m m ec ，b y r ds t a t i o n ) 的6 ”o 资料 恢复四万年以来的气温取得了非常好的效果。变化的信号在地球不同 的地域存在位相的差异和强弱的不同，甚至有时没有可比性。也就是 说，全球变化存在各种区域响应不尽相同。为克服地域差异造成的混 乱，一种行之有效的方法是在现代海陆分布、气候条件和人类活动分 布格局下，定量、半定量研究造成不同地域环境记录差异的因子，各 种因子的贡献。这是区域对比研究的根本目的，同时也是全球变化研 究中探讨全球尺度地球表面物理、化学及生物地球化学循环过程的要 求。鉴此，国际地圈一生物圈计划( i g b p ) 中的数项核心计划都将 其列为重要组成部分，尤其是i g a c 计划和p a g e s 计划处于多学科 交叉焦点上的冰雪研究，其重要内容之一就是雪冰化学研究。雪冰化 学研究的最终目的是通过多元素化学指标，了解过去全球环境变迁历 史和机理，预测未来，服务人类。 2 珠穆朗玛峰东绒布冰川冰芯雪冰化学记录研究 1 2 冰川雪冰化学研究历史和现状 1 9 6 9 年m u r o z u m i 等发表了一篇划时代的论文，揭开了雪冰化学 分析的序幕。他们测定了格陵兰现代雪及古代冰中p b 的含量。发现 在过去的3 0 0 0 a 中p b 的浓度至少增加了2 0 0 倍( 目前浓度为 2 0 0 p g g 。) ，同时还测定了海盐及硅酸盐微粒的含量，发现在相同时 间段内，p b 硅酸盐微粒的比值至少增加10 0 倍。m u r o z u m ie t a l ，( 1 9 6 9 ) 的工作引起了极地雪冰样品采样过程及痕量分析等方面工 作的一场革命。 自6 0 年代以来，在极地和中低纬度高山的雪冰化学研究进展十 分迅猛。较早开始的是研究建立雪冰内稳定同位素比率与温度的关系 并利用稳定同位素比率剖面灰度古气候记录。稍后开始了通过微粒浓 度研究火山喷发和通过放射性元素的检测来研究核弹试验等人为污 染。近3 0 年又在冰芯温室气体的研究和雪冰内阴、阳离子及生物有 机酸、痕量重金属的研究方面有了很大进展。当然随着测试分析技术 的不断发展，今后还会不断增添新的研究内容和成果。 从化学意义上讲，雪冰主要是固体h , o ，但是可溶或不可溶于水 的痕量物质也存在于冰中。这些痕量物质经过大气输送，会被结合在 降雪晶核中。同时他们也会以洗出或在无降水期以干沉降的形式被结 合进去。冰川基本是大气过程的产物，因此可以近似地把给定积雪最 终的某季、某年或更长时间的化学组成看作同期大气相同成分体积浓 度的平均值。这样就能通过对冰芯中主要种类离子的研究提供古代大 气化学的组成信息。 大约4 0 年前，冰川冰盖化学才摆脱了受人冷落的境地。随着冰 芯钻取工具和技术的进步，1 9 6 6 年以来获得的三支穿透格陵兰和南 极内陆冰盖厚度的冰芯( c a m pc e n t u r y 为1 4 8 0 m ：b y r d 站为2 1 6 4 m ：d y e 为2 0 3 7 m ) ，及南极的d e m ec ( 1 0 0 0 m ) 和v o s t o k ( 2 0 8 3 m ) 等几支冰 芯首次冲破了在调查冰盖宝贵古环境记录上的桎枯。从此出自科学目 的的冰芯的钻取不断深入。这为冰川雪冰化学研究带来了转机。根 据研究表明，c a m pc er l tl l r y ，b y r d 和d y e 3 的深孔冰芯提供了迄今最 第一章绪论 充分的离子浓度资料。除b y r d 之外，其他两支冰芯都可追溯到全新 世( 1 0 0 0 0 ab p ) 初期。测定的主要阴、阳离子认为从公元1 9 0 0 年 前后开始，s o ”过量值浓度增加。n o 。一过量增加值与化石燃料燃烧有 关。c 1 。沉积没有表现出平均意义上的增加，但随着与海洋源的距离 发生变化。一般来说，南极洲平均离子沉积比格陵兰低得多，这在一 定程度上是由南极洲与陆源物质隔离及由环流形式上的差异引起的。 v o s t o k 冰芯还分析了”b e 、n n s s o 。”、m s a 和主要阴阳离子，认为冰期 时无论海洋源还是陆地源的杂质，其浓度明显高于问冰期，这主要是 冰期时荒漠和大陆架面积扩大，纬向环流增强以及冰盖物质积累量减 小所致，而n o ，一、s o 。2 一浓度与冷、暖变化无明显对应关系，说明了火 山爆发于大尺度气候之间的关系不明显( l e g r a n de ta 1 ，1 9 8 8 ) 。 随着极地冰芯研究的不断深入，为了更准确、更深入、更合理地 解释冰芯古气候古环境记录，雪冰化学研究进行也不断深入。早期的 雪冰化学主要集中在雪冰和大气中杂质成分浓度的比较研究，如不同 物质在降雪和气溶胶中的富集系数等。后来又对大气中杂质成分的清 除速率进行了研究，如d e v i d s o ne ta 1 ( 1 9 8 9 ) 研究了d y e 3 附近的3 个雪坑样品的n o 。一、s 0 。”和c l 一的浓度，认为其季节变化在冬春季出 现高值，主要是人类污染物由中纬度地区传输来所致，并就雪样中的 离子浓度与大气中浓度进行对比，指出夏季大气中的离子清除速率最 大。 9 0 年代以后，雪冰化学研究受到国际雪冰界的重视，从而使该 研究逐渐系统化，获得了重大的研究成果。m u lv a n e ye ta 1 ( 1 9 9 4 ) 研究了南极冰盖的主要离子的空间分布特征后指出，雪冰中c l 一浓度 随离海岸距离的增大而减小，如果高程变化不大，其减小趋势缓慢； s s s o 。”的浓度变化趋势类似于c 1 。秦大河( 1 9 9 5 a ，b ) 对横贯南极 冰盖现代降水的化学成分分析结果表明，非海盐离子( m s a 、c a ”和 n s s s o ”) 通量在内陆腹地分布均匀，但海盐离子则为“西南极洲高、 东南极洲低”的态势，说明冰盖不同地区降水气团的来源不同；n o ，一 的来源与高层大气中的电离层有着密切的关系。b e e re ta 1 ( 19 9 1 ) 4 珠穆胡玛峰东绒布冰川冰芯常冰化学记录研究 在格陵兰冰盖的研究将多种雪冰化学成分的季节变化归为四类：强夏 季峰值( 6 ”0 、h ：o ：、3 h ) 、弱双峰值( n o 。一、s o 。”、电导率) 、秋季峰 值( “o p b ) 和冬春交际峰值( c 1 、m n ) 。n o 。“、c 1 。、s o 。”的浓度变化 表明冬春和夏秋之交的峰值是中纬度长距离传输的路源气溶胶所致。 总之，不弼季节豹主导传输过程跫关键的嚣索。 随着两极冰盖冰芯雪冰化学研究方兴来艾，科学家的目光已经投 向了中低纬度的山地冰川。中低纬度高山区分布着大面积的冰川i ( 冰 帽) ，并与人类居住她毗邻。中低纬度地区山地冰川冰芯研究不投对 极地冰芯研究是个补充，而且对人类活动、生物地球化学循环、干 旱区演化、季风变迁等方面的记录将更优于极地冰芯。中亚地区高海 拔冰川港芯的雪冰化学研究在离亚洲吉气镁古环境变化中的意义重 大。 雨位于高亚洲南缘的喜马拉雅山脉是地球上海拔最高的山系，其 戳j b 鲍区气候千在寒冷，分布着面积广大的干旱半干翠嚣，两南部地 区主要受印度夏季风的影响，气候温暖湿润。喜马拉雅山在湿季主要 受印度洋西南季风的影响，在干攀则主要受干旱半干旱大陆性气候的 影响( w a k ee ta 1 1 9 9 5 ) 。睡此，喜马拉雅由作为中亚地区的冰川关 键区域之一，雪冰记录的气候环境信息有助予我们认识季风的演题秘 中亚干旱半干旱环境的变迁。而珠穆朗玛峰地区位于喜码拉雅山的中 段，并且是其最高峰，更有利于信息的傈存和记录。其研究意义更为 重要。 1 3 我匮冰j | f 骂冰化学研究历史与现状 在我嚣，冰川冰蕊雪冰化学磺究起步较晚。我国豹冰| | 雪冰化学 研究，6 0 年代就开展过一些研究，但仅限于喜马拉雅山脉的希夏邦 马峰( 章申等，1 9 8 2 ) 和珠穆朗玛峰两地区的冰川( 章申，1 9 7 9 ；章申等， 1 9 7 3 ，1 9 7 5 ，1 9 s o ) ，分桥误差较大。自1 9 7 9 年起，薅着野外高由冰 川考察事业迅速开展，冰川雪冰化学研究在阿尔泰山喀纳斯冰川( 王 平等，19 8 2 ，19 8 3 ) 、必山托木尔峰西璩台兰冰川( 王平等，1 9 8 0 ，王 第一章绪论 立伦等，1 9 8 1 ) 和乌鲁木齐河源1 号冰川( 骆鸿珍，1 9 8 3 ) 及八大石冰川 ( w a n gp i n g ，1 9 8 5 ) ；祁连山水管河冰川、敦德冰川( 王平等，1 9 8 5 ) ；横断 山脉贡嘎山冰川和玉龙山白水河冰川( w a n gp i n g ，1 9 8 5 ) ；喜马拉雅山南 逸巴瓦峰的则隆弄等四个冰川区( 张文敬等，19 8 4 ；王平，1 9 8 6 ) 相继进 行；冰芯化学研究近8 0 年代在敦德冰川和乔戈里峰逐步展开：长江源 头姜古迪如( 5 5 0 0 m ) 冰川化学研究已撰写成文待发表；南极雪冰化学 研究秦大河在19 8 8 年发表的南极科学考察文集中也开始了。测 试手段已从过去的等离子发射光谱、慢中子活化分析、原子吸收发展 到离子色谱分析及m t - 2 5 0 或2 5 1 专用质谱仪分析等先进技术积累了 相当的资料：中日、中美、中德、中日等联合开展了冰川雪冰化学和 冰芯化学的研究工作己进行多年( w a t a n a b ee ta 1 ，1 9 8 3 a ，1 9 8 3 b ) 。 最近十几年我国冰川冰芯雪冰化学研究的步伐越来越快，各种仪器设 备越来越先进，新的冰川科研人员对冰川雪冰化学的研究也越来越 多，并且取得了非常可观的成绩。 我国高山冰川冰雪水的矿化度均属低矿化度类型，它一般不超过 3 5m g l ，象阿尔泰山喀纳斯冰川、长江源头姜古迪如冰川、贡嘎山 大贡巴冰川、玉龙山白水河冰川及希夏邦马峰樟藏布冰川的矿化度更 低，不足1 5 m g l 。在同一地区矿化度，随着海拔高度升高而降低。 p h 值在5 2 2 - 7 9 3 之间变化，近似于中性或中性状态，没有受到酸 性污染，为优良的高山固态淡水资源。例外的是，1 9 8 2 年8 月1 8 日 在南迩巴瓦峰地区的岗日嘎布山的嘎隆拉山口北坡海拔3 6 4 0 m 处采 集的雪崩样品p h 值为4 2 4 5 ( 张文敬等，1 9 8 4 ) ，该值接近我国酸雨 污染严重的重庆市1 9 7 9 年1 2 月降雨p h 值( 4 0 4 ) 和1 9 6 6 年欧洲出现 的一次污染最严熏的酸雨p h 值( ( 4 0 0 ) ，此为我国发现的一处受到酸 雨污染的高山冰川，从水汽来源推测其污染应在印度和孟加拉国工 业区。 w a k ee ta 1 ( 1 9 9 0 ) 对高亚洲雪冰内主要离子浓度分析认为，我 国冰川大部分雪冰中的n a + c l 一值接近平均海水值，表明二者主要来 源于海洋，同时喜马拉雅山雪冰中n a + 和c l 一的浓度比喀喇昆仑山高出 6 珠穆朗玛蜂东绒布冰川冰芯雪冰化学记录研究 3 2 0 倍，说明喜马拉雅山地区首海洋性季风降水的影响较大，而喜 马拉雅山西段k h e l k h o d 冰川中n a + 高浓度值则反映了距离陆源的输入 彩稚；n 0 3 浓度在喜马拉雅山j e 玻霉冰中远离于南坡，说明北坡受中 亚干旱半干旱陆源物质输入的影响较大。 青藏高原的雪冰化学环境特缝为我们研究脊藏高原及其周围地 嚣的气候、气象、环境叛及大气成分提供了一个有效手段。同霹，遵 过研究青藏高原雪冰中的各化学元素，我们可以更有效的研究和掌握 毒藏高原季风特征，以及青藏高原的冰圈、水圈和大气圈之间的界面 过程。 9 0 年代，在青藏高原的北部、中部和南部展开了大薰的雪冰化 学研究。古里旺冰帽的研究表明，雪冰中主要离子n a + 、k + 、m g ”、 c a ”、c i 、n 0 3 。和s 0 4 厶在亚洲高粉尘季节的年代为低粉垒季节的4 8 倍，而雪冰中的7 6 的s 0 4 2 和6 6 的n 0 3 可归结为高粉尘季节粉尘 的输入，吉里雅冰帽中雪冰中的主要离子浓度远离于全球其他偏远地 区( 李虑勤等，1 9 9 5 ) ，攀秀芳等( 19 9 7 ) 也诞实陆源物质的输入是 影戏那个古里雅冰帽雪冰中主要离子浓度的关键因素。 青藏高原的雪冰纯学环境特征具有自己的特殊特征。这茅孛特征表 现在：一方面，他受制予大规模的气候环境变纯；另一方谣，又从属 于地区性的环境、气候的影响。这样，我们一方面看到了一些化学元 素宥规律的空闰和对闻变化；另一方蘧，又看到了区域性隧源物质影 响着雪冰化学的离子平衡。影响着青藏高原雪冰化学环境特征的主要 区域性因子是海洋气团与大陆气团、寒冷干旱的青藏高原内陆、青藏 藏原l e 缘豹沙漠、戈壁帮分布于其中的盐湖。 青藏高原雪冰化学研究表明，雪冰内主要阴阳离子的峰值季节和 最大变幅具有明显的南、北部差异。具有如下显著特点：1 ) 高原北部多 数亵予峰值零节出现在在冬春季，对应于大风少降水的干旱半干旱季 节；南部则仅青ca2 + ，k + ，so4 2 n 0 3 。表现出冬眷季峰值，海盐离子中 占优势的n a + ，m 9 2 + 和c l 。则没有明显峰值季节，原因是高原南部夏季雨 季带来豹海盐离子抵消了原本较大的季节变辐2 ) 最大季节变幅在赢 第一章绪论 原北部远远高出南部，可能是南部雪冰内化学离子在各个季节具有多 种来源渠道，而高原北部相对单一，即以陆地尘埃为主的原因。 青藏高原地区主要阴阳离子的时空分布特征反映了控制高原雪 冰化学的两个大气传输过程：东南西北向传输的季风过程，以及从高原 北部向南部传输的陆地扬尘天气过程。在空间上，两种过程在唐古拉 山一线达到准平衡；在时间上，干冷季节对应大风季节、暖湿季节对应 少风季节的气候特点，决定了高原表层雪冰化学记录的季节差异和沉 积方式的季节转换。 w a k ee ta 1 ( 1 9 9 4 b ) 在喜马拉雅山中段和唐古拉山地区研究表明， 同大气气溶胶相比，雪冰中更富集了n h 4 + 和n 0 3 ，这主要是因为生 物来源和人类农业生产活动对这两种离子的贡献量较大。s u ne t a 1 f 1 9 9 8 ) 在天山乌鲁木齐河源l 号冰川区的研究表明，大气气溶胶和 雪冰中的主要离子浓度在时间上变化一致。在青藏高原冰芯的雪冰化 学研究主要集中在古里雅冰帽和敦德冰帽( 姚檀栋等，19 9 0 ，1 9 9 4 a ， 1 9 9 5 ，1 9 9 7 a ；t h o m p s o ne ta 1 ，1 9 8 9 ，1 9 9 5 ，1 9 9 7 ) ，唐古拉山冬克玛底 冰川( 姚檀栋等，1 9 9 4 b ) ，希夏邦马峰冰川( 李忠勤等，1 9 9 5 ) ，天 山乌鲁木齐l 号冰j i i ( 侯书贵等，1 9 9 7 ，2 0 0 1 ) 和珠穆朗玛峰绒布冰 川r ( 张东启等，2 0 0 1 ) 。古里雅冰芯研究记录了近2 k a 来气候变化是 在频繁的冷暖波动中逐渐变暖的。敦德冰芯研究表明，末次冰期期间 的气候状况比全新世更冷湿、多尘埃，近5 k a 来的气候记录的研究表 明，在过去5 k a 中最冷期是1 k a a d 左右而不是小冰期，13 世纪的暖 期则是我国西部地区的首次发现，敦德冰芯小冰期以来的气候变化同 上海冬温记录比较，发现中国西部的变暖、变冷过程早于东部( 姚檀 栋等，1 9 9 0 ) 。 所有这些雪冰中的化学记录均显示了2 0 世纪以来的增温趋势， 特别是8 0 年代以来的气候变暖是所有冰芯记录的共性，这表明青藏 高原地区对全球升温的敏感性，也说明了青藏高原地区在全球变化中 的重要地位。而珠穆朗玛峰地区是青藏高原的最高地带，又是冰川i 发 育较好的地区，因此对本地区的雪冰化学研究也是必不可少的。 珠穆朗玛峰东绒布冰川冰芯雪冰化学记录研究 1 4 本文研究的目的和意义 冰芯研究以其分辨率高、记录时间长、信息量大和保真度高等特 点，而成为过去全球变化研究的重要方法之，它可以揭示过去气候 环境变化的许多重要信息。这些信息不但包括自然变化，也包括人类 活动对于气候环境变化的影响。与历史记录、树木年轮、湖泊沉积、 珊瑚沉积、黄土、深海湖岩芯、古土壤及孢粉等这些研究古气候环境 变化的方法相比，为众多的气球科学家所青睐。 冰芯研究虽然己走过了近5 0a 的历程。然而为了探索不同纬度 及不同地区气候环境变化的特征及其藕合机制。以及揭示过去重大气 候环境事件发生的事实、特征及原因。各国日前依然争先出台大的冰 芯钻取计划。西方发达国家不仅将日光瞄准极地冰盖。而且也将日光 投向中低纬度山地冰川。尤其是青藏高原和中国西部高海拔山地冰川 成为中低纬度冰芯研究聚焦的中心。青藏高原分布着世界上中低纬度 面积最大的山地冰川i ，并且与人类活动区相毗邻，这就使得青藏高原 冰芯研究在全球变化研究中具有重要的地位。青藏高原本身的存在对 整个北半球的大气环流具有极为重要的影响，而且青藏高原冰川消融 深刻影响着青藏高原融水径流及水体环境。因此无论对青藏高原水资 源环境、生态环境监测、青藏高原气候变化、还是对全球气候变化预 测而言，青藏高原现代环境研究都具有重要的意义。喜马拉雅山以其 独特的地理位置、地形地势条件和大气环流形式，使得山脉南北坡呈 现迥然不同的环境特征，同时也为高山区现代冰川环境的形成和气候 环境变化信息在雪冰种的保存提供了得天独厚的条件。发育在喜马拉 雅山脉中段的东绒布冰川，由于独特的地形和海拔高度，具有积累率 高的特点，有利于气候和环境信息的保存，也为高分辨率的冰芯研究 提供了基础。已有研究表明高海拔地区的研究对气候环境的变化反应 更加敏感。因此，该地区的雪冰化学和冰芯记录研究能够高分辨率的 提取各种青藏高原气候变化的信息。目前由于我们对控制冰芯雪冰化 学的过程知道的还很有限，用冰芯基本离子浓度解释过去的大气化学 组成的变化还存在着很多不确定性。因此在珠穆朗玛峰地区进行冰川 9 第一章绪论 冰芯的雪冰化学研究的工作就很有必要性。本文在基于2 0 0 2 年9 月份 侯书贵、康世昌等在东绒布冰川海拔6 5 1 8 米的惹普拉垭口钻取的4 0 3 米的冰芯的基础上。开展了东绒布冰川i 气候环境和冰川变化，以及冰 川冰芯化学记录的研究。 本研究的主要内容有： ( 1 ) 珠穆朗玛峰地区东绒布冰川i 冰芯主要离子特征。 ( 2 ) 绒布冰j i f 冰芯的气候记录研究，了解绒布冰川i 冰芯各种化 学离子的来源特征和反映的气候信息。 ( 3 ) 绒布冰川冰芯化学研究。了解和认识冰芯雪冰化学变化特 征，寻找它们与周围区域的内在联系。 研究的目的和意义： 研究表明，高海拔地区的冰川i 对气候环境的变化反应更加敏感。 东绒布冰川i 发育在珠穆朗玛峰的高海拔中段地区，处于对流层的中上 部，受边界层的影响较小，因此对环境的变化反应更为敏感，更有利 于气候和环境信息的保存，也有利于研究全球的大气环境质量和区域 的本底值。因此东绒布冰川i 冰芯的雪冰化学和冰芯记录研究能够高分 辨率的反应青藏高原甚至是半球尺度的气候变化信息。东绒布冰川除 了受到印度季风的影响外，还受到中亚地区干旱和半干旱气候的影 响，冰芯的雪冰化学研究记录了季风的众多信息和干旱半干旱气候的 有效响应，因此东绒布冰川i 的雪冰化学研究有利于了解印度季风和青 藏高原内部的大气环境。同时有利于评价人类活动对大气化学成分和 气候环境的影响。利用冰芯记录恢复过去古气候和古环境变化和与冰 芯记录研究相关的过程研究是冰心研究的基础。东绒布冰川的雪冰化 学环境特征为我们研究青藏高原及其周围地区的气候、气象、环境以 及大气成分提供了一个有效手段。同时，通过研究东绒布冰芯雪冰中 的各化学元素，我们可以更有效的研究和掌握青藏高原季风特征，以 及青藏高原的冰圈、水圈和大气圈之间的界面过程。 1 0 珠穆朗玛峰东绒布冰川冰芯雪冰化学记录研究 第二章珠穆朗玛峰地区冰川自然地理概况 2 1 珠穆朗玛峰地区的自然地理特征 珠穆朗玛峰( 2 7 。5 9 n ，8 6 。5 5 e ，8 8 4 4 4 3 m ) 位于青藏高原 南部、喜马拉雅山脉的中段的中尼边界，是世界上第一高峰。珠穆朗 玛峰地区东起亚东，西至吉隆，南达国界，北及藏南分水岭，约介于 2 7 。18 一2 9 。0 0 n ，8 5 。0 6 一8 9 。2 0 e 之间。它是喜马拉雅 山现代冰川分布最为集中的地区之一。 2 1 1 地质与地貌 始新世以前，喜马拉雅山脉地区处于长期下沉的浅海环境，在极 其强烈的喜马拉雅运动的作用下，喜马拉雅山脉才从沧海中升起。人 们几乎一致认为青藏高原隆升是印度板块和欧亚板块碰撞挤压隆升 的结果。但是关于隆升的过程基本上有两种观点，一种认为高原的隆 起是印度板块与欧亚板块于4 5 m ab p 碰撞以来持续挤压隆升的结 果，即随时间单调上升。另一种观点认为，印度板块与欧亚板块碰撞 以后，青藏高原并没有随之隆起，而是经历了漫长的夷平过程，青藏 高原的快速隆升是近几百万年的事情，是一个多阶段、非均匀、不等 速的过程。后一种观点正被越来越多的地球科学家所接受( 汤懋苍等， 2 0 0 2 ；潘裕生等，1 9 9 8 ) 。尽管对青藏高原的隆起过程存在多种不同 的观点，但绝大多数研究者认为，青藏高原隆起对