西昆仑山冰芯记录指示的塔克拉玛干沙漠南缘对流层中上部近百年大气尘埃变化趋势

钻自西昆仑山崇测冰帽海拔6530 m的18.7 m冰芯提供了近百年间的尘埃沉积记录.冰芯记录覆盖的90 a间尘埃表现出持续下降的总趋势,大体可以分为3个阶段,即1930年之前,1930-1960年和1960年之后,尘埃浓度的降低是量级上的.几个突出的尘埃阶段出现在1900年代早期、1910年代、1920年代后期和1940年代早期,它们分别以约2.5×10⁶、2.7×10⁶、2.5×10⁶和1.5×10⁶粒·mL^-1的高浓度为特征,而1970年代则表现出相对较低的浓度(5×10⁵粒·mL^-1).就年份来看,突出的高尘埃浓度出现于1906,1915,1919和1943年.根据微粒的粒径资料分析,局地输入的尘埃分量约占总值的17%,剔除后可以得到中、大尺度范围的大气尘埃沉积通量.根据后60 a资料建立的通量平均值为913μg·cm^-2·a^-1,大气尘埃随时间的每10 a下降速率为-124μg·cm^-2,它可反映塔克拉玛干沙漠南缘对流层中上部的大气尘埃通量半个多世纪以来的变化趋势.     

中美古里雅冰帽冰芯合作研究取得进展

1991年是中美古里雅冰帽冰芯合作研究的第二年。这项合作研究是由中国科学院兰州冰川冻土研究所和美国俄亥俄州立大学伯德极地中心共同执行的,期限为5年。其中1990—1992年为野外工作时间,1993—1994年为室内分析总结时间。这项合作研究的目标是在中国西昆仑山古里雅冰帽钻取冰芯以研究青藏高原的气候和环境变化。 1990—1991年主要进行了冰芯位置选点和浅孔冰芯提取方面的工作。围绕这一主要工作,还进行了雪坑、冰温、积累、冰川应变和冰川变化方面的工作。经过1990—1991年的工作,我们在以下几方面取得进展。     

西南极乔治王岛冰芯研究——冰雪层定年、微粒记录及离子迁移

在分析南极乔治王岛冰帽大冰穹顶部降水和成冰条件的基础上,利用冰芯上部层物理特征参数确定的5个年层及其附近气象站相应的降水记录,结合多年降水资料将大冰穹45m冰芯划分为15个年层.应用此年层剖面,证实了微粒含量的两个异常峰值分别对应于1987年Deception岛和1980年的SealNunataks两次火山喷发.乔治王岛冰帽属于温性冰帽,大、小冰穹冰芯阴阳离子受沉积后融水渗浸淋溶作用的影响.对冰芯阴阳离子的淋溶次序分析显示,大冰穹为SO₄^2->Mg²⁺>Ca²⁺>K⁺>Cl^->Na⁺>NO₃^->Br^-,而小冰穹为Mg²⁺>Ca²⁺>SO₄^2->K⁺>Cl^->Br^->Na⁺.     

NEEM计划2537.36m透底深冰芯的钻取与成果概述

NEEM(格陵兰北部Eemian冰芯钻取)计划是目前最重要的国际冰芯研究计划,来自14个国家超过300名的科学家参与,目标是获得130～115ka BP甚至更古老的Eemian间冰期的透底冰芯和气候信息;此冰芯长达2 537.36m,最后2m冰芯含有数十万年的基岩和其他物质.介绍了NEEM计划深冰芯的钻取背景和NEEM计划概况,以及NEEM计划获取的成果,并详述我国科学家在2010年度深冰芯钻取过程中取得的认识.     

A PRIMARY RECOGNITION ON THE CLIMATIC SIGNIFICANCE OF ICE CORE ISOTOPE RECORD IN NAIMONA'NYI OF WEST TIBETAN PLATEAU

纳木那尼冰川是喜马拉雅山西部地区规模较大的冰川之一,也是开展冰芯气候意义研究有重要潜在价值的冰川.但由于纳木那尼冰川位于西风环流和印度季风影响范围的交界带,不同的环流系统所输送的水汽带来不同的降水稳定同位素信号.因此确定纳木那尼冰芯同位素记录的气候意义是开展该地区冰芯气候记录研究的前提条件.2008年在该冰川积累区所钻取的8.78m浅冰芯为这一研究工作提供了可能.本文对该冰芯的稳定同位素记录以及普兰气象站的气象数据进行了分析与讨论.研究结果表明,同位素的年际变化与当地普兰县气象站气温的年际变化具有较好的对应关系.这可能与当地降水受到夏季季风的影响较小有关.测量结果表明早期的深冰芯钻取点位于冰川的消融区,而冰川的积累区仍位于冰川更高的区域,而且积累区冰川厚度更大,更有可能保存更长时间尺度的冰芯记录.这也为以后开展新的纳木那尼深孔冰芯及气候意义研究提供了借鉴.     

青藏高原冰川内部富含水冰层的发现及其环境意义

基于青藏高原昆仑山玉珠峰冰川Core 1冰芯钻取过程中所获得的相关资料,揭示出在该冰芯钻取点处的冰川内部34.34~34.64 m深度段存在一个富含水冰层,其未冻水(液态水)具有承压性质,水头高度至少可达到8.54 m. 该富含水冰层的存在不仅对冰川温度场带来了极大的影响,而且使该层中δ¹⁸O记录趋于均一化. 通过分析,揭示出该富含水冰层中可溶杂质离子浓度明显高于其上部冰层中的可溶杂质离子浓度,这是富含水冰层在形成初期其上部粒雪层融水下渗所引起的可溶杂质离子淋溶的结果. 同时,研究表明玉珠峰冰川粒雪中可溶杂质离子的优先淋溶顺序为NO₃^-> Mg²⁺> Na⁺> Cl^-> K⁺> SO₄^2-> Ca²⁺> NH₄⁺. 提出可利用最易淋溶离子的浓度与最不易淋溶离子的浓度之比值,来判断冰雪层中可溶杂质离子浓度峰值是否与淋溶有关. 结合青藏高原其他地点冰芯钻取过程中发现的富含水冰层状况,认为青藏高原冰川内部富含水冰层不是在整个冰川区域内呈层状分布,而是在冰川内部呈透镜状分布. 冰川内部富含水冰层的存在,表明其形成初期气候相对较暖. 最后,阐明了青藏高原冰川中富含水冰层的形成机理与演化过程,并预测了其潜在的灾害效应.     

东天山庙儿沟平顶冰川钻孔温度分布特征

2005年8月在庙儿沟平顶冰川顶部海拔4 518 m处钻取了两根透底冰芯,对其中60 m的Core1冰芯钻孔利用热敏电阻温度计进行了温度测量,初步揭示了该处冰川的温度分布特征.结果显示,最低冰层温度-8.27℃出现在50 m深度处,这个深度在同类冰川中处于较低的位置;冰床底部的温度为-8.16℃,远低于压力融点.庙儿沟平顶冰川冰温的上述分布特征是在各种因素的影响下形成的,具有其独特性.这种温度分布特征,对冰芯记录过程较为有利,为恢复该地区气候与环境记录的准确性提供了保证.     

4 000 m DISC深冰芯钻机概述

深冰芯钻探(Deep Ice Sheet Coring, DISC)钻机是美国冰芯钻探服务中心(ICDS)开发研制的一款机电钻机, 设计取芯直径122 mm, 钻取深度4 000 m.该系统由两部分组成,包括机械钻进系统和地面支撑系统. 其中, 机械钻进系统由钻机、 电缆、 钻塔和绞车四部分组成, 钻机是该系统的钻探部分, 由6个不同部件(刀盘、 芯管、 筛管、 电机/水泵、 钻机控制板和顶端)组成; 地面支撑系统包括电源、 控制系统、 冰芯处理系统、 钻井液处理系统、 筛管清洗系统、 辅助设备以及安全设备设施. 2006年夏季ICDS在格陵兰Summit营地对该套钻机系统进行了成功试验, 2011年12月31日在西南极冰原(WAIS Divide)成功获取3 405 m深度的冰芯.实践证明, 该套钻机能够满足目前钻探项目的科学需求. 但是, 在西南极冰原主冰孔不同深度钻取同深度副冰孔冰芯的过程中, 钻刀无法在主冰孔壁上侧向钻取新的冰芯孔, 未能如期获取复制的冰芯样品.     

基于RS与GIS的冰川变化研究--青藏高原北侧新青峰与马兰冰帽变化的再评估

应用遥感(RS)与地理信息系统(GIS)技术, 分析了位于青藏高原东北部, 可可西里地区、昆仑山脉中段的新青峰和马兰冰帽近30 a来的冰川变化.1971-2000年间新青峰冰帽总面积呈减小变化, 马兰冰帽面积有所增加;结合以往研究结果, 发现新青峰冰帽面积变化在1979年前后为突变点, 1979年前冰帽总体面积扩大, 之后面积迅速减小, 期间经历了1989-1994年相对稳定的时期. 进一步分析新青峰冰帽东南侧新青峰冰川和西北侧西新青峰冰川长度变化过程, 发现新青峰冰帽面积变化在很大程度上取决于这两条冰川的变化. 研究时段内两条冰川末端进退变化有较大差异, 西新青峰冰川在1971-1976和1994年之后为退缩期, 1976-1994年间为前进, 而新青峰冰川则有所不同, 该冰川1971年以来一直处于退缩之中, 但不同时段退缩速率不同, 且1994年后有加速退缩的趋势. 根据马兰冰帽冰芯δ18 O记录所反映的夏季气温变化, 近50 a来研究区在1976年之前为相对高温期, 之后为相对低温期, 两冰川不同的长度变化趋势可能与两冰川对气候变化具有不同的动力响应特征有关.根据两条冰川冰面地形特征分析认为, 受地形条件制约, 两条冰川可能具有不同的冰川表面物质平衡梯度, 这也可能是两冰川具有不同的动力响应特征的影响要素之一.     

东南极LGB69冰芯1712-2001年气温变化记录的初步研究

南极冰芯记录着过去气温、降水等气候环境参数以及影响其变化的太阳活动、火山作用等各种因子变化,是研究古气候、古环境变化及其影响机制的良好载体.东南极LGB69冰芯高分辨率的地球化学分析表明:①该冰芯的水当量年平均积累率高达259 mm/a,利用δ18O和Na+季节性变化和火山喷发标志层,通过数年层的方法确定其沉积时间为290 a(1712-2001年)±2 a;②该冰芯δ18O与邻近的戴维斯站气温距平5年滑动平均值(1968-2001年)之间具有良好的正相关关系,是有效的气温代用指标,1712-2001年该地区气温是一个波动变暖的过程,划分为4个阶段,小冰期结束于1914年,20世纪5年滑动平均气温距平年平均值较小冰期末次冷阶段升高0.30C;③Morlet小波分析表明,1712-2001年该冰芯δ18O(气温)和积累率(降水量)均存在约11年、约22年和约60年的共同周期,多重时间周期的嵌套表明其对气候变化非常敏感.上述研究结果为进一步重建南极气候冷暖、降水序列变化,以及研究太阳活动、火山作用等因子对气候变化影响的内在规律奠定了基础.     

非冻结合成模型冰物理模拟冰作用力的试验技术

基于渤海海冰的物理和力学特性、海冰物理模型试验的相似理论以及国际上已有模型冰的经验, 研制了一种用于模拟我国渤海海冰的非冻结可破碎功能材料, 被命名为DUT-1模型冰.该模型冰采用聚丙烯粉、塑料微珠、水泥等材料加入一定量的水由特制的搅拌机搅拌均匀倒入模具后成型制成.通过实验室常温波流水槽中进行的冰排对直桩、锥体及斜面墙结构作用的物模实验的现象观察、结果综合分析、相关理论及经验公式计算结果比较, 验证了DUT-1模型冰试验技术的可靠性.在此基础上, 进行了冰排对半圆型防波堤结构的作用、冰排与锥体结构动力相互作用的物理模型试验研究, 展现了DUT-1模型冰的应用前景.     

南极海冰和陆架冰的时空变化动态

利用美国冰中心和雪冰中心提供的海冰资料和我国南极考察现场的海冰观测资料, 对南极海冰的长期变化进行了研究.结果表明: 20世纪70年代后期是多冰期; 80年代是少冰期; 90年代南极海冰属于上升趋势, 后期偏多; 区域性变化差别大, 东南极海冰偏多, 西南极海冰即南极半岛两侧特别是威德尔海(Weddell Sea)区和别林斯高晋海(Bellingshausen Sea)的冰明显偏少.东南极和西南极海冰的变化趋势总是反相的.90年代后期普里兹湾的海冰明显偏多, 南极大陆陆架冰外缘线总体没有明显的收缩, 有崩解也有再生的自然变化现象.西南极威德尔海的龙尼冰架(Ronne Ice Shelf)和罗斯海冰架(Ross Ice Shelf)东部崩解和收缩趋势明显, 东南极的冰架也有崩解和收缩, 但没有西南极明显.陆架冰崩解向海洋输送的冰山对全球海平面升高有一定的影响.目前, 南极冰盖断裂崩解形成的冰山, 向海洋输入的水量可使全球海平面上升约14 mm.南极海冰没有随着全球气候温暖化而明显减少, 而是按照东南极和西南极反相的变化规律进行周期性的变化、调整和制约.     

The Big Ice

Book reviewed in this article:
Fulton, Robert J. & Andrews, John T. (eds.) 1987: La calotte glaciaire laurentidienne-The Laurentide Ice Sheet. Géographie Physique et Quaternaire     

Ice behaviour under load

Ice is a component of frozen grounds that determines their rheological properties. Deformation and failure of ice under load are regarded by the authors as a single process due to the kinetics of defect development in the crystalline structure of ice.

Results of experimental investigations into the regularities of ice strain and failure under the conditions of short-time creep are given in this paper. The experiments were to test ice for creep under a uniaxial compressive stress, using the emission—acoustic method of recording the microcrack formation.

It is shown experimentally that the ultimate strength of ice signifying a maximum stress after which ice deforms plastically, without passing into the stage of accelerated flow, is consistent with the stress under which the process of microcrack formation begins. It has been found that this limit is independent of temperature.

As a result of the study, an analytical relationship has been determined between defect number, stress and time, and an equation of ice strain has been deduced on the basis of statistical methods. This equation estimates temporal creep strain development, depending on stress, structural characteristics of ice and its temperature.     

冰雷达探测研究南极冰盖的进展与展望

南极冰盖是地球上最大的陆缘冰体,其物质收支和稳定性对全球气候变化和海平面升高有重要的影响。冰雷达,或称无线电回波探测,是冰川学家调查南极冰盖冰下特征的主要方法。在过去的50年里,冰雷达被广泛用于测量冰盖厚度、内部构造和冰下地貌,这些参数是计算冰盖体积和物质平衡、重建过去冰雪积累和消融率以及冰盖动力和沉积过程的基础。现在,冰雷达测量覆盖了南极绝大部分区域,极大地提升了人们对南极冰盖和全球系统间相互作用的理解。首先,简要介绍了冰雷达及其技术发展,然后着重评述了冰雷达在探测研究南极冰盖厚度和冰下地形、内部反射层、冰下湖和冰下水系、冰床粗糙度以及冰晶组构上的进展。最后,对未来冰雷达探测研究南极冰盖的前景进行了展望,并给出我国的现状。


     

冰层空气反循环连续取芯钻具：结构设计与冰芯卡断数值模拟

冰心包含大量的古气候资料和古生物学信息,这些信息对于从远古到现代的气候变化和生物进化都很重要。如何高效快速地获取无污染的冰心是极地科学家的一个重要课题。冰层空气反循环钻具采用双壁钻杆形成反循环通道,内管提供了从钻头底部到表面的冰屑和冰心的连续通道。钻具通过卡断机构卡断冰心,通过反循环通道不断运移冰心,从而实现连续钻具连续取心。本文采用ABAQUS软件对冰心卡断过程进行分析,运用XFEM断裂准则以及Explicit显式方法求解,选出适宜的卡断器尺寸和中心通道尺寸,从而得到更好的反循环钻进效果。     

古里雅冰帽8米浅冰芯的化学成分组成特征及其来源

对古里雅冰帽８ｍ浅冰芯的８０个雪冰样品化学分析结果表明，化学成分主要来自陆源物质，陆源冰芯样品叶弱碱性，明显不同于一般的大气降水及南北极冰雪样品。     

人造冰和冰芯冰蠕变和方位组构发展对比

本描述了单轴压缩蠕变实验结果。试样包括ｃ轴取向为随机分布和非随机分布的冰、人造冰和取自南极洛多姆冰帽的冰芯冰，各向同性冰芯冰和人造的最小应变率存在差别，未获得合理的解释。方位组构与应力状态相容时，各赂异性冰的最小应变率高于各向同性冰的最小应变率，随着第三应谱阶段的发展，冰芯冰和人造冰的第三应变率趋近相同的恒定值，实验后冰芯冰和人造冰ｃ轴方位组构类型相同，晶粒尺寸也接近。