鄧加元 李院生 馬紅梅 史貴濤 馬天鳴 魯思宇,5

(1 上海海洋大學海洋科學學院,上海 201306; 2 中國極地研究中心,上海 200136; 3 華東師范大學地理科學學院,上海 200241; 4 中國科學技術大學地球和空間科學學院,安徽 合肥 230026; 5 吉林大學建設工程學院,吉林 長春 130012)

提要 中國第35 次南極考察隊內陸考察期間在東南極中山站-Dome A 斷面沿線采集了4 個雪坑,利用火山標志層確定了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較高,Cl-/Na+比值從沿海到內陸逐漸增加,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 遠距離輸入有關。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、下降風和沉積后作用等造成 濃度變化復雜,顯示出較大的空間異質性。離海岸距離800 km 處雪坑的濃度較高,推測是受該地區(qū)地貌、太陽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 濃度隨時間變化呈現出不同的季節(jié)性特征,而離海岸距離520 km 和內陸地區(qū)雪坑無明顯季節(jié)變化趨勢,認為是物質源區(qū)、下降風、沉積后過程和積累率等共同作用的結果。基于海冰形成的高鹽度“霜花”和風吹雪,可能是沿海地區(qū)雪坑海鹽離子濃度隨時間增加的原因。

0 引言

極地冰蓋持續(xù)不斷地接受著大氣各種物質[可溶性雜質、不可溶性雜質(微粒)等]的沉降,是全球重要的物質沉積區(qū)[1]。因而,南極地區(qū)的降雪能夠反映大氣環(huán)流的時空變化特征,并用于大氣傳輸機制研究。但是,降雪在沉積后會發(fā)生粒雪化作用與密實化作用,轉變?yōu)榱Ｑ┗蛘弑?。這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生較大的不確定性。通過獲取不同時間尺度和分辨率雪坑(深度＞100 cm)的雪冰,恢復記錄在雪冰中的化學元素信息,對于揭示降雪的現代沉積過程和機制具有重要意義[2-7]。作為氣候環(huán)境變化的良好載體,雪冰中記錄的化學元素信息還能反映物質源區(qū)和傳輸路徑,通過對雪冰化學成分的影響因素和時空變化特征的分析,可以反演大氣傳輸特征,進而判斷出物質源區(qū)以及其傳輸機制?；谶@些化學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,為恢復長時間尺度的大氣化學組成信息以及解讀冰芯記錄提供基礎[2,8-10]。

中山站-Dome A 斷面橫跨東南極沿海和內陸地區(qū),是國際橫穿南極科學考察(International Transantarctic Scientific Expedition,ITASE)計劃核心斷面之一。該斷面不僅具有多種雪冰沉積環(huán)境,且斷面終點Dome A 地區(qū)還是東南極冰蓋海拔最高點[11-12]。目前,圍繞東南極中山站-Dome A 斷面,已開展對雪冰環(huán)境要素持續(xù)系統的科學觀(監(jiān))測,并在雪冰化學組成的分布規(guī)律和影響因素的認識上取得了較大進展。Li 等[13]從物質源區(qū)、傳輸機制等方面對中山站-Dome A 斷面表層雪和雪坑的海鹽離子時空分布模式進行了初步研究,發(fā)現海鹽離子與積累率呈正相關,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總體呈遞減特征,區(qū)域性變化趨勢則較為復雜。江星星等[15]對斷面表層雪Pb、As 和Cu 等微量元素進行了初步分析,結果表明斷面的Pb、As 和Cu 空間差異顯著,人類活動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)現表層雪中含量隨著離海岸距離的增加呈上升趨勢,且受積累率影響,沿海地區(qū)與內陸地區(qū)的雪坑剖面中濃度不同。此外,橫穿南極科學考察的其他斷面也已經進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]對西毛德皇后地沿海冰架到內陸0～350 km 斷面表層雪的空間分布進行了研究。Dixon 等[19]對西南極ITASE 斷面的一系列表層雪和雪坑/淺雪芯的雪冰進行了化學分析,發(fā)現斷面的光潔雪面/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性調查。Caiazzo 等[21]分析了東南極Talos Dome附近的雪坑和淺雪芯雪冰化學,利用、和MSA 的季節(jié)性變化得到了較精確的年層劃分,并認為風力導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)流復雜多變,影響雪坑/冰芯主要陰、陽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一步理解影響斷面化學離子信號的各種沉積規(guī)律及大氣環(huán)流的影響機制。本研究以中國第35 次南極科學考察中山站-Dome A斷面沿線采集的4 個雪坑為研究對象,分析了雪坑雪冰的化學組成,結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上,揭示斷面雪坑化學空間分布特征,同時對降雪的季節(jié)性模式和沉積后過程對某些化學指標的影響進行了探究,并討論了海冰、太陽輻射冰殼等因素對雪冰化學成分的影響。其中,重點研究了Dome A地區(qū)的雪坑記錄,特別是沉積后作用的影響,并對該雪坑進行詳細年層劃分,進而為解讀Dome A 地區(qū)深冰芯的古氣候環(huán)境信息提供科學依據。

1 采樣和實驗分析

1.1 采樣信息和方法

中山站-Dome A 斷面內陸考察路線長度1256 km,其中最高點Dome A 海拔4093 m,是南極內陸海拔最高的冰穹[22-23]。2018/2019年中國第35 次南極科學考察時沿該考察路線(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 個雪坑,詳細采樣信息見表1。采樣面選擇在雪坑的背風壁方向雪面,采樣前使用聚乙烯塑料鏟和刮板仔細修整。采樣瓶為100 mL HDPE 材質潔凈采樣瓶,采樣和樣品保存步驟如下: 拿起采樣瓶,將瓶口對準采樣面,用力將瓶身推進雪壁,待雪樣裝滿后,封口,并置于清潔PE 密實袋中,最后放置于-20℃環(huán)境中保存和運輸。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 中國第35 次南極科學考察在中山站-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 化學離子分析方法

樣品主要陰、陽離子含量分析在中國極地研究中心潔凈實驗室進行。實驗分析時,提前將凍結的樣品放置在中國極地研究中心潔凈實驗室 (1000 級)內常溫自然融化(約22 ,24℃小時),之后將4 mL 融化后的水樣倒入樣品瓶中等待測試,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 保護柱以及KOH 淋洗液,陽離子(Na+、K+、Mg2+、Ca2+)分析采用Ion Pac GS12 陽離子色譜柱CG12 保護柱以及MSA 淋洗液[24]。樣品的離子含量采用國家標準樣品校正,標準序列(陰離子標準序列均為20、40、100、200 ng·g-1,陽離子標準序列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)通過國家標準樣品用超純水(Milli-Q,18.2 MΩ·cm)梯度稀釋。分析過程中設置空白組和平行組,離子檢測限為ng·g-1級,平行樣品測試誤差＜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特征時間變化的基礎,常用方法包括離子的季節(jié)變化定年法、標志層法等[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離子表現出不同程度的季節(jié)性高低變化,如海鹽離子(Cl-和Na+)濃度在冬季高、夏季低。標志層法主要是指依靠大型火山事件和人類特殊活動(核試驗)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的雪積累率、風速、采樣深度等有很大的關系,通常雪積累率高的沿海地區(qū),其年層劃分主要是根據穩(wěn)定同位素和離子的季節(jié)性變化信號[25]。張明軍等[8]成功通過δ18O、和Cl-含量剖面對伊麗莎白公主地兩個雪坑進行了年層劃分; 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(δ18O、Na+、、Cl-等離子)的季節(jié)性或者年際變化來確定雪坑的時間序列難度較大。相對而言,大型火山事件,可以作為雪坑定年的標志年層,附以雪積累率數據校驗,能夠得出較為準確的時間序列[28-31]。因此,考慮到SP1～SP3 雪坑2 m 采樣深度相對較淺,特別是SP2 與SP3 地區(qū)積累率較低和下降風盛行等因素造成無法準確劃分年層,甚至存在年層缺失現象,本研究僅討論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志層法進行定年,以期為進一步認識東南極內陸典型區(qū)域Dome A 的雪冰變化過程,了解Dome A 地區(qū)物質積累變化以及冰芯研究提供信息。

2 結果和討論

2.1 SP4 雪坑定年結果

2.1.1 SP4 雪坑火山事件信號

通過火山事件標志層法對Dome A 地區(qū)的SP4 雪坑進行定年,首先要確定SP4 雪坑中的火山事件信號。雪冰中的主要源于海鹽輸入(該部分通常標記為ss)、海洋生物、火山事件和人類活動釋放,其中后三種來源的統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釋放的濃度在雪冰中濃度相對較低,通常是作為的背景濃度?；鹕绞录纬傻牧蛩釟馊苣z經平流層擴散至全球各個地區(qū),這些氣溶膠在平流層向極地地區(qū)擴散的懸浮時間可達數年(表現為連續(xù)幾個樣品均為高值)?；鹕绞录е碌母邼舛刃盘柗宕砹嘶鹕绞录涗沎28-29]。在這項工作中,閾值(背景值加上兩個標準差)使用Cole-Dai 等的方法進行計算,即從數據中除去那些明顯可能是火山時間年份的nss值,再計算剩余nss濃度的平均值和標準偏差(二者分別代表非火山活動期間的硫濃度本底值和變化范圍)[28,31,33]。計算結果如圖 2 表示,實直線 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準: 第一,連續(xù)3 個樣品的nss濃度為高值; 第二,nss濃度最低值達到閾值以上。根據以上兩個標準,我們在SP4 雪坑nss記錄中發(fā)現兩個火山事件信號,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算

通過密度鏟法對SP4 雪坑雪密度測量顯示,其頂部新雪密度為311 kg·m-3,底部密度約440 kg·m-3。根據實測密度,得到密度隨深度的變化擬合趨勢線:y= 0.0152x3- 0.0934x2+ 0.1596x+ 0.3093。通過擬合方程式,計算出雪坑不同深度下雪冰的密度,進而轉換成樣品水當量長度(密度乘以各個樣品長度),最后可獲得水當量深度[27-34]。

表2 給出了不同研究者對于Dome A 地區(qū)雪冰積累率的計算結果[26-28,35-37]。在長時間尺度上,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)。對照全新世火山事件表及現代Dome A 地區(qū)積累率,認為圖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(火山事件導致的nss傳輸到極地有時間差,通常為1～2年)[30,33],頂部時間默認為采集時間,即2018年。在上述兩個時間標記層的基礎上,計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的方法進行定年(水當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)火山事件相對應。根據計算結果,底部沉積時間為 1962年,因而整個雪坑的定年結果為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)花桿中國第35 次南極科學考察時的實測雪積累率。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)域下降風盛行,年均風速大于8.0 m·s-1(風向以SSE 為主),強烈下降風導致雪再搬運和重新堆積[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)較高的積累率應該與該處的地形特征有關。相對于 Dome A 地區(qū),SP1～SP3 雪坑關于表面地形特征、積累速率以及斷面雪坑/淺冰芯研究成果均相對較少,該內容仍需繼續(xù)觀測和進一步的驗證。

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1～2 m 深度雪坑/粒雪芯的離子濃度測量結果[19,38-42]。本文的4 個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的海鹽離子濃度(表3)[19,38],但與Li 等[13]中國第29 次南極考察隊內陸考察研究結果基本一致,不同斷面或地區(qū)大氣環(huán)流模式和物質源區(qū)的區(qū)別,可能是導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化物來源,濃度變化較小。內陸地區(qū)的Ca2+平均濃度相對略高,這是因為Ca2+主要來源于中低緯陸地,大氣環(huán)流模式結果顯示南極沿海地區(qū)接收附近海洋物質,而Dome A 地區(qū)主要接收中低緯大氣環(huán)流的遠源傳輸,并通過極地平流層沉降到內陸,造成內陸地區(qū)的 Ca2+濃度較高[1,10]。康建成等[43]發(fā)現南極內陸地區(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)流輸運到南極內陸。

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

海鹽離子(Na+、Cl-)主要源于海洋,易受近海海洋氣團影響,因而,表3 中SP1 雪坑Na+和Cl-濃度較高,內陸區(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)和機制,其中Na+被認為完全來源于海洋[9]。海水中的Cl-/Na+濃度比值約為1.81,當某區(qū)域的比值接近1.81 時,表明海洋氣團控制該區(qū)域的海洋沉降,雪冰中的物質主要來源于海洋。隨著海拔增加,Cl-/Na+大于1.81,說明Cl-來源有非海鹽的物質輸入[10,13]。SP1～SP4 雪坑的Cl-/Na+比值,隨采樣點從沿海向內陸變化而逐漸增大。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+虧損的現象。在沿海區(qū)域,溫度低于-8℃時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]。在內陸區(qū)域,Cl-富集主要與揮發(fā)性HCl 的沉積有關。揮發(fā)性HCl 可由H2SO4和/或HNO3與NaCl 的大氣化學反應釋放,其中夏季大部分脫氯作用(即產生的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,揮發(fā)和再沉降現象和少量非海鹽來源如火山活動、人類活動釋放的Cl-,通過高空(平流層或對流層頂部)傳輸沉降在內陸雪層中也會造成Cl-富集[13,19]。此外,風吹雪作用,特別是在下降風作用的地區(qū),可能是導致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較高(例如最大約1000 ng·g-1),但是目前有關冰晶化學分析的信息還很有限,對于SP4 雪坑表層陰、陽離子濃度較高的原因需要進一步收集分析。

2.2.2 主要離子的時間變化特征

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,氣旋活動加劇,導致海鹽離子隨海洋氣團頻頻侵入南極冰蓋內部,使冰蓋雪冰內的海鹽離子形成較清晰的季節(jié)性循環(huán),即冬季出現較高值,夏季出現較低值。其中Na+可認為是完全來自海洋,更易表現出季節(jié)性變化現象,因此雪冰中季節(jié)性變化的Na+濃度也被認為是南極冬春季大氣擾動的沉積時間指標[25]。內陸低積累率區(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-濃度隨時間推移呈現出不同程度的上升趨勢,Na+濃度上升幅度微弱,其中內陸SP4 雪坑Na+甚至略微減少。一方面,可能與沿海地區(qū)海冰面積擴大有關。海鹽氣溶膠增加特別是在冬季增加，不僅與氣旋風暴增強導致開闊海洋上空的海鹽氣溶膠增強并更快地向內陸運輸有關,還與海冰面積擴大過程中的直接輸入有關,包括霜花(frost flower),鹽水(brine),以及風吹雪升華的貢獻[54-55]。南極海冰面積通常在9月份(冬季)達到最大值,在2月份(夏季)達到最小值,從1979年起整體上呈緩慢增長的趨勢,并在2014年達到近幾十年以來最高點(1270 萬平方公里)。此后受熱帶和極地地區(qū)多重氣象因素聯合作用,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,因此至少在沿海地區(qū),在解釋雪坑的海鹽記錄時,需要考慮新生海冰上的霜花和風吹雪升華機制。但Levine 等[58]以海鹽離子作為過去海冰面積指標進行的模擬研究表明,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致區(qū)分,Frey 等[59]在威德爾海觀測到了風吹雪產生的海鹽氣溶膠,發(fā)現風吹雪通常會導致暴風氣旋期間海鹽氣溶膠的增加,是導致南極冬季Cl-和Na+濃度出現最大值的原因。并通過的分餾對該地區(qū)海鹽離子來源的進行了簡單區(qū)分,結果表明該地區(qū)海鹽離子以海冰上的霜花、風吹雪來源為主。另一方面,Cl-的上升趨勢可能與HCl 很易揮發(fā)和再沉降有關[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陸的傳輸過程中發(fā)生動力分餾或與大氣中的強酸發(fā)生化學反應,內陸地區(qū)過低的積累率會使季節(jié)信號發(fā)生平滑[47-48]。另外,如果積累率保持不變,大氣環(huán)流的強度的改變,也會導致離子濃度發(fā)生變化。

圖3 Cl-和Na+ 離子濃度隨深度變化的剖面對比,空點代表離子濃度,實線代表平滑曲線,虛線代表趨勢線(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,SP1和SP3 的Mg2+剖面與海鹽離子Cl-和Na+的變化趨勢較為一致,呈現出季節(jié)性變化,反映了開闊海洋產生的海洋飛沫對 Mg2+濃度的貢獻[10]。SP1～SP3 雪坑的K+、Mg2+和Ca2+濃度隨時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],其上升趨勢可能同海鹽離子Cl-和Na+一致,是新生海冰上的霜花和風吹雪升華機制所致[54-55]。

圖4 K+、Mg2+和Ca2+隨深度變化的剖面對比,空點代表離子濃度,實線代表平滑曲線,虛線代表趨勢線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 結論

通過分析在中山站-Dome A 斷面雪坑雪冰化學離子含量,得出了以下結論:

(1)在空間變化方面,總體上,SP1～SP4 雪坑K+、Mg2+和Ca2+平均濃度相對其他離子較低,平均值范圍約1～6 ng·g-1,其中內陸地區(qū)的Ca2+受源區(qū)和大氣環(huán)流機制等作用影響,濃度較K+、Mg2+略高。沿海地區(qū)的Cl-和Na+受近海海洋氣團影響,濃度較高。從沿海到內陸,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距離輸入可能造成內陸地區(qū)雪坑濃度較高,2000 m 以上的雪坑nss在中的比重達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、下降風和沉積后作用等導致濃度變化復雜,顯示出較大的空間異質性,SP3 雪坑濃度較高,可能與該地區(qū)地貌、太陽輻射冰殼和沉積后作用等有關。

(2)在時間變化方面,由于離子源區(qū)、下降風、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濃度隨時間呈現出相應的季節(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+濃度隨時間推移表現出不同程度的上升趨勢,可能是新生海冰上的霜花和風吹雪升華機制所致。K+、Ca2+濃度隨時間變化較小,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火山信號確定了SP4 雪坑的時間序列(1962—2018年,年平均積累率為0.0269 m w.e·a-1)。

綜上,通過對中山站-Dome A 斷面雪坑雪冰化學的時空變化特征及其區(qū)域差異等分析研究,補充、驗證和增加了整個斷面和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。