东南极昆仑站周边沿“中国墙”的冰厚和冰下地形分布（英文）

冰厚和冰下地形是南极冰盖的基本特征参数,是南极冰盖底部环境和物质平衡研究的基础。2007/08年,中国第24次南极科学考察期间,运用深部探测冰雷达系统,在东南极位于Dome A区域的我国南极昆仑站周边,开展了沿"中国墙"的冰厚和冰下地形探测。结果显示:沿"中国墙"的冰厚主要分布在1600m-2800m之间,冰厚最大达到3444m,最小为1255m;冰下地形平均高程为1722m,但是最低仅有604 m;相较于分冰岭北侧,分冰岭南侧冰厚较大,冰下地形较低,并且发育了4个明显的冰下深谷。不过,没有发现Gamburtsev冰下山脉区域典型的冰底再冻结现象以及冰下湖和水体的存在。Bedmap 2中沿"中国墙"的冰厚和冰下地形数据与冰雷达测量结果存在一致性,但是分辨率和在冰下地形起伏剧烈区域的准确性上非常有限。通过冰雷达探测得到的沿"中国墙"的冰厚和冰下地形分布,进一步揭示了这一"不可接近区域"的冰盖特征,对于Dome A区域冰盖动力学研究和未来针对Gamburtsev冰下山脉的地质钻探以及深冰芯钻探选址具有重要参考价值。     

古里雅冰芯中末次间冰期以来气候变化记录研究

通过对古里雅309m冰芯上部268m的研究,重建了末次间冰期以来的气候环境变化.根据对古里雅冰芯 δ~(18)O的研究,可以清楚地划分出阶段1(冰后期)、2(末次冰期冰盛期)、3(末次冰期间冰阶)、4(末次冰期早冰阶)和5(末次间冰期).阶段5又可分出a,b,c,d,e 5个亚阶段.古里雅冰芯δ~(18)O记录明确地显示了青藏高原温度变化和太阳辐射的密切关系.研究表明,太阳辐射是驱动青藏高原气候变化的主要因子.古里雅冰芯记录与北极格陵兰冰芯和南极Vostok冰芯的对比研究表明,这些相距遥远、不同地区冰芯所记录的大的冷暖事件变化是一致的.但不同地区气候变化幅度是不一致的.青藏高原地区变化幅度大于北极地区和南极地区.     

东南极冰盖伊丽莎白公主地中国泰山站站址所在区域的冰厚、内部等时层、表面和冰下地形（英文）

中国第21次(2004/2005,CHINARE 21)和第29次(2012/2013,CHINARE 29)南极科学考察在东南极冰盖伊丽莎白公主地中国泰山考察站站址所在区域,通过探地冰雷达和GPS进行了两次地球物理探测。使用中心频率分别为60MHz和150MHz的冰雷达探测,首次(2004/2005)获得该地区的冰厚与冰内部等时层结构。GPS观测显示以泰山站站址为中心约2km×2km范围内的冰盖表面地形起伏很小,海拔为2607-2636m。冰盖雷达断面显示该区域的平均冰厚为1900m,最大冰厚为1949m,最小冰厚为1856m。在泰山站站址下方冰厚为1870m。冰盖表面高程与冰厚数据联合分析发现该地区的冰下地形相对起伏剧烈,海拔为662-770m,反映出冰下地形为山地地貌。该2km×2km测量网格下方的冰量为7.6km3。60MHz冰雷达数据给出一条长17.6km,穿越泰山站的冰盖断面内部等时层结构图。从中识别分析出一些内部等时层,结果表明该处的冰盖内部等时层受到了冰流的扰动,内部等时层的几何形态暗示了泰山站所处的冰盖下方很可能经历了一个复杂的沉积过程。     

黔南洞穴石笋古气候变化记录及终止点Ⅱ的确定

通过对黔南地区三个大型石笋进行TIMS-U系测年和碳、氧稳定同位素分析, 获得了163~113.8 ka高分辨率的古气候记录. 石笋氧同位素的记录曲线揭示, 在万、千年尺度上, 研究区冰期的降温和间冰期回暖的波动特征, 可与冰芯、湖泊、黄土、深海岩芯记录相比较, 其记录的气候波动与全球具有一致性, 显示与北极地区存在着古气候的遥相关. 研究表明, 石笋记录所反映出的古季风环流变化的直接动力可能来自全球冰量变化, 即主要受北半球日照辐射强度、北大西洋冰漂碎屑带的扩张以及低纬度太平洋海表面温度变化等因素的影响. 根据d18O值进行了温度计算, 获得了研究区冰期(相当于深海同位素6阶段的中后期, 平均为8.1℃, 最低为－1.43~0.65℃)与间冰期(相当于深海同位素5E段, 平均为18.24℃)之间的年均温差达10℃左右(与冰芯记录的温度变化幅度大约为10℃, 大体相一致), 显示东亚夏季风与冬季风环流强度具有显著的差异. 通过对3个石笋的精确测年, 确定倒数第2次冰期的终止点Ⅱ的年龄为129.28±1.1 ka, 这一界线的年龄代表了末次间冰期开始的年代, 即是中更新世与晚更新世的分界年龄, 与冰芯和深海SPECMAP氧同位素曲线上末次间冰期的起始年龄相一致.     

一个冰盖近表层热传输模式及其对南极Dome A的温度模拟

根据南极大陆冰盖近表层的物理模型设计了一个垂直一维的冰盖近表层能量传输模式, 采取合理简化的物理过程参数化方案并构造一套完整的数值求解方法, 实现了对冰盖表面及近表层内能量传输过程的数值模拟. 利用最新获取的东南极高原Dome A自动站的气象观测资料, 通过计算冰盖表面能量通量作为模式上边界条件驱动模式求解冰盖表面及近表层内温度的季节变化过程, 将模式模拟结果与4个观测深度(0.1, 1, 3和10 m)的雪冰层温度进行了对比检验, 取得了与观测较为一致的季节变化过程, 并能够揭示出比观测更为细致的冰盖近表层内温度垂直分布结构及其季节变化特征. 通过模式结果分析得到的冰盖表面能量平衡特征表明: 1) 冰盖表面能量平衡全年主要表现为负的净辐射与正的感热通量之间的平衡, 季节差异显著; 2) 冰气相互作用机制主要是大气以感热形式输送给冰盖, 并在春季显著增强. 因Dome A特殊的地理位置, 研究结果对南极高原内陆中心地区具有较好的代表意义.     

乌梁素海冰封期湖泊冰盖组构特征对污染物分布的影响

为探究富营养化浅水湖泊季节性冰盖污染物分布规律,于2013-2014年冰封期,钻取乌梁素海湖泊冰盖冰芯试样,观测冰厚并对冰芯晶体结构、气泡含量、污染物浓度(总氮、总磷和COD_(Cr))进行分析.结果表明:冰盖可分为4层,中间2层冰晶体粒径较大且气泡含量较少,为冰盖热力生长区.冰盖以柱状晶体居多,粒径随深度增加而增加,气泡含量随冰盖密度增加而减少.冰盖结构特征与污染物分布具有相关关系,冰芯密度及气泡分布与总氮、总磷和COD_(Cr)相关关系分别为0.8965、0.8718、0.8184,并建立多元回归模型揭示冰封期湖泊水质特征,为季节性湖泊冰盖研究及冰封期湖泊水资源规划和管理提供理论依据.     

南极DomeA地区109．91m冰芯气泡封闭深度及稳定同位素记录的初步结果

2004／2005年中国第21次南极考察队在南极冰盖最高区域——DomeA（或称Dome Argus）地区,钻取了一支109．91m的冰芯．冰芯CH4浓度测试结果以及粒雪化模型模拟结果一致表明,该冰芯在约102．0m处气泡被完全封闭,并根据粒雪化模型计算气泡被完全封闭处冰的年龄约为4．2ka。根据冰芯碎屑样品的氢（JD）、氧（δ^18O）稳定同位素分析资料,结合东南极冰盖其他内陆冰芯稳定同位素资料,表明东南极内陆地区晚全新世以来气候状况较为稳定（气温波动幅度约为±0．6℃）,且变化趋势具有一致性．DomeA冰芯中过量氘的值较高（平均值为17．1‰）,是南极雪冰中过量氘的高值中心,这可能与过饱和环境下降雪过程中稳定同位素动力分馏效应有关,另外DomeA冰芯过量氘（d—excess或d=δD-8δ^18O）自晚全新世以来的升高趋势主要反映了水汽源区位置向赤道方向的总体迁移．研究结果为开展DomeA地区深冰芯研究奠定了基础．     

基于远震接收函数的南极大陆冰盖厚度研究

冰盖厚度是研究南极冰盖质量、建立冰盖动力学模型的基本参数,对于冰川均衡调整、冰盖物质平衡及全球气候变化研究具有重要意义.基于地震学的远震接收函数和H-Kappa格网搜索方法可以用于地震台站下方冰盖厚度的可靠探测,不仅能与冰雷达获得的冰盖厚度进行独立对比,还可以与冰雷达方法相互补充,进一步填补南极大陆冰盖厚度探测空白区.本文利用布设于南极大陆冰盖上方的流动地震台阵记录到的远震波形数据,基于接收函数方法对台阵下方的冰盖厚度进行了研究.结果显示:基于远震接收函数方法的冰盖厚度与Bedmap2冰厚格网模型相比,二者差别大多在200 m以内;少数台站差值达到600 m左右,这一差别可能与Bedmap2测线分布空区、冰雷达测深不确定性以及冰盖内部复杂波速结构等因素有关.本文研究结果表明:利用南极大陆冰盖上方的流动地震台阵,基于远震接收函数方法可以获得比较可靠的南极冰盖厚度,为独立验证冰雷达的探测结果并弥补冰雷达探测空白区提供了有效方法.同时,部分台站接收函数波形的复杂性可能暗示了南极大陆数千米厚的冰盖内部结构不是均一的,仍然存在比较复杂的内部结构变化.因此,有必要进一步利用包括接收函数波形拟合、地震面波反演等方法对南极大陆冰盖厚度及其内部精细结构进行更为深入的研究.     

东南极DT401冰芯中NO3-离子沉积记录及影响因素

1999年中国南极科学考察队在中山站-DomeA考察沿线DT401点钻取到一支长102.65m的浅冰芯,为我们研究东南极内陆地区NO3-离子沉积特征及影响机制提供了契机.对冰芯中δ18O（年平均气温替代指标）、积累率、火山沉积记录及地球以外各种影响因素（太阳活动、超新星爆发和流星雨等）与冰芯中NO3-离子沉积关系的研究结果显示,积累率对冰芯NO3-离子沉积通量的影响较之沉积浓度更为显著.与积累率相比,气温（δ18O）与NO3-沉积记录的相关性较差.火山喷发物质的沉降可以显著的影响雪层中NO3-离子的沉积,表现为nss-SO42-离子的峰值对应NO3-的谷值.太阳活动对该地区NO3-离子的影响在冰芯中也有所记录,NO3-离子的浓度波动表现出3个显著的周期（16.6,24.0和102.0年）,均较好的对应了太阳活动的相关周期.历史上过去1150年间与太阳活动有关的6次气候事件（Dalton极小期、Maunder极小期、Sporer极小期、Wolf极小期、Oort极小期和Medieval极大期）均与同时期DT401冰芯中NO3-离子的波动趋势相吻合,前五次事件表现为NO3-离子的低值期,最后一次事件表现为高值.     

南极冰盖内部结构特性研究——基于三维各向异性电磁波时域有限差分方法

冰雷达技术已成为目前探测南极冰盖内部结构的主要技术手段.近年发展起来的多极化雷达技术可根据不同方向雷达反射功率的变化推断冰盖内部冰晶组构特征和变化规律,进而推断冰盖内部应力应变历史,这对于理解冰流机制和动力过程以及解释冰盖过去、现在和未来的变化规律具有非常重要的作用.本文从Maxwell方程出发,推导出适于介电常数各向异性的三维电磁波时域有限差分方程,进而建立模型模拟各向异性介质的响应输出及其时空分布特征.模拟结果表明： (1) 电磁波在各向异性介质中传播时,波前面为椭圆形,长轴位于介电常数小的主轴方向; (2) 横向各向异性介质反射波振幅在水平面内具有180°的变化周期.通过对现场常用三种天线装置类型模拟对比分析发现,不同天线类型各向异性层底界面反射波存在“时差”现象,并且时差大小和正负与上下层介电常数差异以及同层各向异性差异有关.在模拟计算的基础上,作者讨论了由于介电常数各向异性导致的“时间延迟”和水平面内振幅“周期性变化”的原因.模拟结果和结论对于南极冰盖冰雷达数据处理和解释工作具有指导意义.     

南海西部越南岸外晚第四纪黏土矿物记录: 物源分析与东亚季风演化

南海西部越南岸外MD05-2901孔晚第四纪450 ka以来黏土矿物和氧同位素的高分辨率分析表明, 伊利石、绿泥石和高岭石含量表现出明显的冰期-间冰期旋回变化, 而蒙脱石含量呈现频率更高的周期性变化. 物源分析表明, MD05-2901孔黏土矿物中的蒙脱石主要由巽他陆架及其主要源区印度尼西亚岛弧提供, 伊利石和绿泥石主要由湄公河和红河提供, 而高岭石则主要由珠江提供. 高岭石/(伊利石+绿泥石)比值的变化显示强烈的100 ka偏心率周期, 指示了冰盖驱动的冬季风演化; 而蒙脱石含量的高频变化除了具有冰盖驱动的41 ka斜率周期以外, 还具有23和19 ka岁差周期、以及13 ka半岁差周期, 指示了热带驱动的夏季风演化. 东亚冬季风的演化基本上与冰期-间冰期旋回一致, 冰期时强盛, 间冰期时明显减弱; 而夏季风的演化则与北半球低纬夏季日射量吻合较好, 日射量高时强盛, 低时减弱. 研究认为, 高纬冰盖和低纬热带分别驱动了晚第四纪东亚冬季风和夏季风的演化, 反映了东亚季风演化的双重和独立的驱动机制.     

利用ICESat数据解算南极冰盖冰雪质量变化

南极冰盖冰雪质量变化反映了全球气候变化,并且直接影响着全球海平面变化.ICESat测高卫星的主要任务之一就是要确定南北两极冰盖的质量变化情况并评估其对全球海平面变化的影响.本文利用2003年10月至2008年12月的ICESat测高数据,针对南极DEM分辨率有限的特殊性,通过求解坡度改正值,解决重复轨道地面脚点不重合的问题,计算了南极大陆(86°S以北区域,后文所述南极冰盖均不包括86°S以南区域)在这5年里的冰雪质量变化情况,得到东南极冰盖的质量变化为-18±20Gt/a,西南极-26±6Gt/a,南极冰盖的冰雪质量变化为-44±21Gt/a,对全球海平面上升的影响约为0.12mm·a~(-1).解算结果表明,南极冰盖质量亏损主要集中在西南极阿蒙森海岸附近冰川以及东南极波因塞特角区域.     

水库冰气泡含量和密度对探地雷达测厚的影响分析(英文)

在水库现场试验了RIS K2型探地雷达探测水库冰厚度的能力,试验时所用天线频率为600MHz;同步钻孔测量雷达探测处的冰厚度;以及在一个点上取样测试分析冰晶体、冰内气泡和冰密度。试验时冰面积雪厚度0.03-0.05m,冰层上部有0.24m粒状冰,其下均为柱状冰;冰内气泡含量呈表层高底层低分布;冰密度随气泡含量变化;冰厚度在平面内不均一。通过探测厚度和实测厚度的对比分析以及气泡含量对介电系数影响的理论分析,建立了积雪、粒状冰和柱状冰三层介质模型,获取雷达波在冰内的理论传递时间。结果发现:能够利用等效介电常数或等效传播速度评价雷达波传递时间,结冰期冰层1/3深度处的对应介电常数或传递速度可以作为等效值;另外因冰内大气泡造成的理论传递时间大于雷达探测时间,其差值随理论传递时间或冰厚的增加呈非线性增加。     

白令海晚第四纪的Cycladophora davisiana:一个地层学工具和冰期亚北极太平洋中层水的替代物

通过白令海B2-4和B2-9柱状样中放射虫Cycladophora davisiana的高分辨率研究发现, 它们分别与格陵兰冰芯GISP2和SPECMAP氧同位素记录有很好的对应关系, 从而识别出B4-2柱中C. davisiana记录的千年尺度气候事件, YD和B/A事件, Heinrich 1和D/O1事件, 以及B2-9柱中分别与氧同位素事件2.0, 3.1, 3.3, 4.0, 5.1和5.3对应的C. davisiana事件b, c₁, c₂, d, e₁和 e₂. 经过C. davisiana含量曲线与格陵兰冰芯GISP2和SPECMAP氧同位素记录的调谐, 建立了这两个柱状样的深度-年龄框架, 为下一步的古气候与古海洋学研究提供了地层学基础. 这两个柱中C. davisiana在冰期高的含量说明, 它们可以作为冰期亚北极太平洋中层水的替代物, 并进一步证实冰期亚北极太平洋中层水产生于白令海.     

利用黏弹性有限元模型研究挪威北海北部地区末次冰期以来的冰后回弹和应力演化

挪威北海北部在末次冰期存在较大范围的冰盖,其冰盖的加载和卸载会对地表变形和内部应力调整产生重要影响.本文基于Maxwell黏弹性本构关系,根据初应力法自主开发了一套Maxwell黏弹性体有限元程序,它可以考虑重力和构造加载、地球介质弹性的纵向和横向不均匀性以及黏性的分层性,可以计算冰川载荷变化引起的地球表面变形及内部应力状态的变化.利用它研究了挪威北海北部1.1 Ma以来的冰川载荷变化、特别是两万多年以来冰盖的消退引起的地表冰后回弹.结果表明,自2万年以来,冰后回弹效应在冰盖载荷变化的不同阶段呈现明显的时空变化,现今地表垂直变化速率为几个毫米/年,与观测结果一致.下地壳和上地幔的黏弹性松弛效应明显,上地壳的应力状态在现今海岸线两侧存在差异性,水平和垂直正应力变化可达几十兆帕,剪应力变化有一个先增加后迅速减小至零的过程,与古地震、现今地震时空分布及应力测量结果也比较符合,研究结果有助于加深对冰后回弹的动力学过程的认识.     

倒数第三次冰消期亚洲季风气候可能的类Younger Dryas事件

对湖北省神农架两个高海拔洞穴(天鹅洞: 海拔1600 m; 永兴洞: 海拔1400 m)石笋实测了7个U-Th年龄、560个氧同位素以及年纹层厚度变化序列. 天鹅洞石笋十年际分辨率δ ¹⁸O曲线十分类似于江苏南京和贵州荔波石笋记录的波令暖期和新仙女木事件基本特征, 表明本区石笋δ ¹⁸O反映了区域性亚洲季风经向环流及其降水变化特征. 相距天鹅洞约70 km的永兴洞石笋高分辨率(平均30 a左右) δ ¹⁸O时间序列揭示了倒数第三次冰消期亚洲季风突变过程. 基于3个U-Th年龄和连续5000 a左右生长纹层计数结果, 在245±5 kaBP左右冰消期识别出一个千年级冷事件. 这一事件持续时间为1371±59 a, 并在74±4 a内快速向间冰期(MIS7e)突变, δ ¹⁸O的变幅达2.30‰, 相当于冰期/间冰期振幅的1/2强. 这些事件特征类似于亚洲季风区石笋δ ¹⁸O记录的新仙女木事件, 说明新仙女木事件不是末次冰消期的一次偶然事件, 很可能是第四纪冰盖、大尺度海洋/大气环流耦合作用的产物.     

南海北部近6 Ma以来的氧同位素地层与事件

通过对南海北部大洋钻探ODP1148站位1000余个浮游和底栖有孔虫样品进行稳定同位素分析,首次在南海将氧同位素地层学应用到距今约3Ma前,并揭示了南海北部近6Ma以来的古海洋学变化.底栖有孔虫δ18O表明南海深层水在约3.1Ma之前受温暖的太平洋中层水影响较强,在约3.1～2.5Ma之间显著降温,指示了北半球冰盖的形成.而浮游有孔虫δ18O反映的早、中上新世表层水的几次降温可能与南极冰盖波动有关,只有在约2.2～0.9Ma之间不可逆转的阶梯状降温才可能是对北半球冰盖形成与增长的响应.     

南海北部末次间冰期早期的突然降温事件

南海北部陆坡ODP1144站96.49-137.6 mcd 1)井段的高分辨率浮游有孔虫定量分析与δ18O测定表明末次间冰期(MIS 5.5即5 e)内发生过一次表层海水突然降温的事 件, 冬季水温下降幅度可达7.5℃, 表层水δ18O值也下降1.2‰. 此次降温事件在西欧和北大西洋均已发现, 相互可以对比, 但南海记录的降温事件更加强烈. 此次事件推测由中低纬地区而非极地冰盖引起; 由于黑潮标志种Pulleniatina obliquiloculata对此次降温事件反映最为强烈, 有可能与西太平洋低纬度地区的古海洋学变化有关. 此次事件可认为属“新仙女木期”式的降温, 表明末次间冰期气候的变异性.     

青藏高原北部马兰冰芯记录的近千年来气候环境变化

根据青藏高原北部可可西里马兰冰芯记录, 重建了该地区1129A.D.以来的气候环境变化. 马兰冰芯中δ¹⁸O记录表明, 近千年来该地区暖季气温呈上升趋势, 20世纪升温在其自然变化范围之内, “中世纪暖期”和“小冰期”在该冰芯记录中均有表现. 在该冰芯记录时段内, 最暖的世纪是17世纪, 最暖的年代是1610 s. 马兰冰芯中污化层厚度比率是沙尘天气发生频率的良好指标, 据此建立了该地区近870 a来沙尘天气发生频率的变化过程, 并发现该冰芯记录的沙尘天气发生频率变化与气温变化之间在10¹~10² a时间尺度上存在显著的负相关关系. 通过对青藏高原北部相关冰芯、树轮等记录的综合分析, 揭示出温湿气候时期沙尘天气发生频率较低, 而冷干气候时期沙尘天气发生频率较高. 近200 a来沙尘天气发生频率呈现明显减少趋势.     

从超微化石看南沙海区近2 Ma海水上层结构的变化

位于南沙深海区的ODP1143站2.32Ma以来沉积物中钙质超微化石极为丰富,平均每克沉积物中含16×106枚,最高可达53×106枚,最低也有0.5×106枚,超微化石堆积速率变化在1×106枚到278×106枚/cm2ka之间.其中以生活在下透光带的Florisphaera profunda为主,平均占70%.超微化石绝对丰度和堆积速率及F.profunda百分含量在垂向上呈现出两种不同时间尺度的变化.一种是随冰期-间冰期旋回而波动,另一种是历时数十万年的较长演化阶段.从2Ma来的6个阶段中可以看出南沙海区营养跃层深度的相应变化.文中还初步讨论了引起这种变化的可能机制.