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揭开冰川行踪之谜

发布时间:2018-12-24 17:05:01

  加速器质谱技术是基于粒子加速器和粒子探测技术的一种高能质谱测量,大多数加速器质谱技术所用的粒子加速器为串列加速器。它克服了传统质谱测量技术中的一些限制,具有极高的同位素丰度灵敏度(丰度指该同位素在这种元素的所有天然同位素中所占的比例,以百分数表示;丰度灵敏度表示测丰度时相对误差的大小)。普通质谱测量的丰度灵敏度最高为10-8,而加速器质谱测量则达到了10-16(灵敏度竟然提高了数个量级),且样品用量少(仅ng量级)、所需测量时间短,迅速成为一种具有强大优势的新技术手段。

 

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  普通质谱测量示意图。样品电离后,通过电磁场选出特定荷质比来分析原子或分子的质量,但在分析所测核素时会受到有质量数相同的分子本底和同量异位素的干扰(图片来自网络)

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  加速器质谱测量示意图。可在离子源处引出负离子来抑制部分核素的同量异位素的产生,串列加速器可将负离子剥离成正离子,并利用核探测器鉴别出同量异位素,用于测量长寿命放射性核素十分有效(图片来自网络)

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美国普渡大学的加速器质谱研究装置(图片来自网络)

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德国HZDR离子束中心的加速器质谱研究装置(图片来自网络)

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中国原子能院的加速器质谱研究装置(图片来自网络)

  加速器质谱技术出现之后,宇宙成因核素测年法的精度大大提高,这引起了地质学界的广泛关注,冰川行踪的研究有了获得突破的机会。

  当冰川厚厚的冰层覆盖大地时巨大的岩石被困在冰下,冰层阻挡了宇宙射线对岩石的攻击。冰川消退的过程中有时会将一些巨石从地层深处推到地面,一旦巨石暴露出来,来自宇宙的射线就开始与岩石内的原子相互作用,迅速产生宇宙成因核素的稀有同位素,例如3He(氦)、21Ne(氖)或10Be(铍)等。 

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冰川消退过程中一些巨石露出地面受到宇宙射线的轰击(图片来自网络)

  为了确定某块巨石是在何时被露出地面的,地质学家们用锤子、凿子,或者用石锯和小型爆炸装置,设法从巨石上弄下一块柚子大小的岩石样品带回实验室。他们将样品细细研磨后提取出某种特定的核素(例如以已知产生宇宙成因核素速率的石英,其主要成分是SiO2),然后再向样品中的原子中加入一个额外的电子(例如发射铯离子)形成带负电荷的元素或分子离子。这些离子被送入加速器加速后再轰击薄的金属箔或气体,剥离它们的电子并摧毁剩余的分子,然后再进入粒子计数探测器。通过统计不稳定原子与稳定原子的比值,即可揭示宇宙成因核素的数量。根据样品中宇宙成因核素的含量,即可较准确地推算出冰川推出巨石的时间。 

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地质学家们携带设备到采集岩石样品的区域(图片来自网络) 

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  切割岩石表面10×10厘米的小块岩石作为样品,精确记录每个取样点的GPS定位坐标,用以确定其相对于周围地貌结构和冰川沉积物的位置(图片来自网络)

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在格陵兰岛为宇宙成因核素测年采集巨石样品(图片来自网络) 

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  用加速器质谱技术进行宇宙成因核素测年所获数据可准确推算出历史上覆盖某处的冰层厚度,这是冰原理论计算模型的关键基础数据(图片来自网络)

  美国能源部的《Symmetry》期刊在“用粒子加速器追踪冰川(Trackingglaciers with accelerator)”一文中介绍了弗雷德·菲利普斯(FredPhillips)等地质学家用加速器质谱技术对冰川行踪研究的进展。 

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Symmetry刊登的“Tracking glaciers with accelerator”(图片来自网络)

  菲利普斯是美国新墨西哥州矿业与技术学院的冰川运动年代测定专家。由于他在水文、地球化学和地质学之间的相互作用,特别是宇宙成因同位素和地表暴露年龄之间的相互作用方面开创了跨学科的工作,曾多次获得国家和国际的奖项,并于2007年被授予美国科学促进会(AAAS)研究员的荣誉称号。

  菲利普斯在地球科学领域的大部分成就源于此项技术,即利用岩石和其他地貌中宇宙射线反应形成的Cl(氯)放射性同位素的测量比率,来更精准地确定过去百万年的火山爆发、岩石雪崩、海啸、流星撞击、地震、山体滑坡和冰川运动等地质事件的年代。 

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弗雷德·菲利普斯(Fred Phillips)(图片来自网络) 

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  菲利普斯1986年在《Science》上发表的“The Accumulation of CosmogenicChlorine-36 in Rocks: a Method for Surface Exposure Dating”(图片来自网络)

  正因加速器质谱技术所具有的高灵敏度、小样本量、快速样品制备等优势,地质学家们对用原有测年方法获得的某些同位素的基准数据进行了重新测定,纠正了原有各种测年方法存在的误差问题,在地质测年精度方面取得了重要突破。根据加速器质谱技术的数据测算,地球的年龄比此前测算的减少了约70万年(够惊人的!)。新的测年标准为地球诞生、大陆及矿床形成、生物演化以及气候变迁等在内的种种地质过程列出了更为精确的时间表。

  加速器质谱技术的出现有力推动了地球科学领域的研究进展,据不完全统计,20世纪80年代中期以来发表的关于冰川年代和其他地质年代这方面的研究论文已达数千篇。

  近些年,不少地质学家忙于深入研究地球南极西部的冰川行踪。这片冰川正处于缓慢崩塌的状态,而这片冰川的崩塌很可能引起海平面的大幅度上升,还会改变海洋循环和气候模式,引起干旱和严重的风暴,这些对地球来说都将是毁灭性的灾难。只有深刻了解历史上冰川的行踪才能更好地预见未来,才能研究出应对的办法,加速器质谱技术将在这项研究中起至关重要的作用。 

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南极西部的冰川正在加速融化(图片来自网络) 

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在南极用锤子和凿子在巨石上采集样品准备进行宇宙成因核素测定(图片来自网络)



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