新知|揭开古代冰川下落之谜
壮丽的冰川风光(图片来自网络)
大多数人都不明白，在漫长的历史变迁中，地球表面有很大一片区域曾数次被巨大的冰川覆盖。随着地球气候和地质环境的变化，冰川也在变化和运动。科学家们意识到冰川的运动包含着对人类研究地球发展史具有重要意义的信息。冰川的去向被关注了200年，但有些谜题多年来都没有得到圆满的解释。近年来，在一些技术的帮助下，冰川的下落之谜终于被解开了。这个谜团是怎么解开的？
地质学家说，正是粒子加速器帮助他们了解了冰川下落的真相。
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冰川下落之谜
地球表面被大规模冰川覆盖的地质时期称为冰期。在地球的地质历史上，有过许多重大的冰川期。最近的一次大冰期叫第四纪冰期，大约从200万年前开始到现在。
地球冰期的年龄划分(图为年龄与温度的关系)(图片来自网络)
在第四纪冰期开始时，巨大的冰川覆盖了地球北部的大部分地区。由于气候变化，冰川在冷暖交替(称为间冰期)中经历了多次大规模的进退。冰川的运动快至每天30米，慢至每年半米左右。冰川的运动不仅引起地球地貌的变化，而且引起海平面、水系和水文条件的变化，气候的变化，生物的灭绝和变化，对整个地球的环境变化有很大的影响。
由于冰川的去向蕴含着丰富的地质信息，地质学家对冰川的时间和路径变化非常感兴趣。追踪冰河时期冰川的运动信息，对于研究地球的历史，了解近几十万年来地球的气候变化和人类生存环境的演变，具有重要的研究价值。
在过去的200年里，地质学家对冰河时期冰川运动的研究并不顺利。为了了解冰河期变化的周期，了解全球气候波动的地理分布，确定时间表，他们想尽各种技术手段研究冰川的去向。
冰川下落的一些谜题一直困扰着地质学家。比如，很长一段时间，地质学家曾经有这样一个知识:大约18000年前，巨大的冰川覆盖了爱尔兰的三分之二。与此相关的理论模型是通过分析当时测得的地质年代数据得出的，但直到20世纪初，各种技术手段得出的地质年代结果差异较大，使得地质学家对此一直存疑。
近年来，地质学家已经能够使用最新的技术，他们的新结果非常令人惊讶:18000年前的爱尔兰冰川面积比最初的计算和分析要大得多，不仅覆盖了整个爱尔兰，而且延伸到了离岸很远的地方。这是什么神奇的技术？
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地质年代测定法
地质事件年代测定在地球发展史的研究中极其重要，科学家们一直在探索准确测定地质事件年代的技术手段。
20世纪50年代中期，美国布鲁克海文国家实验室的雷蒙德？雷蒙德·戴维斯(因研究来自太阳的电子中微子而获得2002年诺贝尔物理学奖)和研究宇宙环境背景辐射的奥利弗？奥利弗·谢弗(Oliver Schaeffer)提出了一个观点，即“宇宙成因核素”可以用于精确的地质年代测定。
雷蒙德。雷蒙德·戴维斯(图片来自网络)
所谓“宇宙成因核素”，是指来自外太空的宇宙射线粒子轰击暴露在地球表面(包括大气和地球表面)的物质，产生新的核素(具有一定数量质子和一定数量中子的原子)，包括这类核素的一些同位素(即质子数相同但中子数不同的原子)。
宇宙射线直接轰击暴露于地表的岩石所产生的核素称为“原位生成核素”，包括10 Be(铍)、26 Al(铝)、36 Cl(氯)、3 He(氦)等。通过测量岩石中宇宙成因核素的浓度，利用剥蚀和放射性衰变产生和损失核素的函数，可以计算出岩石相应的暴露时间，从而确定其年龄。这种方法被称为“宇宙成因核素测年法”。
根据这个原理，应该可以测出冰川的去向。冰川移动后，地面或地物暴露出来，在宇宙射线的照射下，这些地面或地物中会产生一些同位素(产生率与纬度、高度、成分性质有关)。其中有些是稳定同位素，浓度会随着时间逐渐增加。根据它们的产生率和累积浓度，可以计算出时间，确定它们的年龄。此外，还会产生一些放射性同位素，其浓度会随着时间的推移而积累，并根据半衰期而衰变。基于上述条件，可以通过测量这些地面或地面物体中宇宙成因核素的浓度来确定暴露年龄，并从一系列测量数据中更准确地计算出冰川运动的去向。
20世纪50年代，Davis和Schaefer研究了一些原地生成的核素。不幸的是，他们测量地表岩石暴露年龄的新思路在当时并没有引起足够的重视。另一个原因是，用这种思路进行的研究需要更灵敏的粒子探测技术，这在当时是无法实现的，地质学家只能等待相关技术的发展。谁能想到，几十年的等待。
Davis和Schaefer在Ann NY Acad Sci 1955发表了“自然界中的氯-36”(图片来自互联网)。
20世纪70年代，Srinivasan、YujiYokoyama等人在这种宇宙成因核素测年方法的研究中取得了进展。斯里尼瓦桑发现了宇宙成因同位素Xe(氙)(包括124 Xe、128 Xe、131 Xe)，并估算了它们的生成速率。横山等人确定了宇宙成因同位素22 Na(钠)和24 Na的形成，并给出了各种钠同位素形成速率的计算方法。
Srinivasan和Yokoyama上世纪70年代发表在《地球和行星科学快报》上的文章(图片来自网络)。
三
新技术手段的诞生
随着地质学、考古学等研究的发展，对长寿命宇宙成因核素测量的需求越来越迫切。当时，用于宇宙成因核素测量的质谱和衰变计数方法的灵敏度还不够高，相关领域的科学家一直期待更新的技术手段。
在1977，理查达。加州大学伯克利分校的穆勒提出了一种提高宇宙成因核素测年灵敏度的新方法——利用回旋加速器探测长寿命宇宙成因核素(如14 C(碳)、10 Be(铍)等)。).几乎与穆勒的建议同时，美国罗切斯特大学的研究团队提出了用串列加速器(由两个或三个静电加速器组成)测量14 C的方案(自然界中的14 C是一种长寿命宇宙成因核素，精确测量14 C对考古学、地质学、海洋学和生物医学都有重要意义)。
理查德·穆勒(图片来自互联网)
密尔在1977发表的《用回旋加速器进行放射性同位素示踪》(图片来自互联网)。
其实用粒子加速器用同位素确定地质年龄的方法，在1939年就尝试过。路易斯。阿尔瓦雷斯(因发明氢气泡室及其分析技术和发现* *振动态而获得1968诺贝尔物理学奖)和罗伯特·科诺格利用劳伦斯·伯克利国家实验室的60英寸回旋加速器确定了自然界中3He(氦)的存在。但由于当时粒子加速器的束流质量有限，粒子探测技术不成熟，这一领域的研究在此后的40年间无法进一步开展。
阿尔瓦雷斯和科诺在《物理评论》1939发表的《3海因氦》(图片来自网络)。
近40年后，基于粒子加速器技术和粒子探测技术的不断突破，在1977年Mueller等人提出再次用粒子加速器测量长寿命宇宙成因核素的建议后，研究团队取得了快速进展。加拿大麦克马斯特大学和美国罗切斯特大学在1977年同一期《科学》杂志上发表了用串列加速器在自然中测量14 C的结果。
这种新的核分析技术——加速器质谱(AMS)诞生于20世纪70年代末，发展迅速。
加拿大麦克马斯特大学研究团队于1977年在《科学》杂志上发表的《碳-14:自然浓度下的直接探测》(图片来自互联网)。
美国罗切斯特大学研究团队在1977发表的《利用静电加速器的辐射键合:负离子提供关键》(图片来自网络)。
四
揭开冰川下落的秘密
加速器质谱是一种基于粒子加速器和粒子探测技术的高能质谱测量。大多数加速器质谱技术使用串联加速器。克服了传统质谱的一些局限性，具有极高的同位素丰度灵敏度(丰度是指该同位素在该元素所有天然同位素中所占的比例，以百分比表示；丰度灵敏度表示测量丰度时的相对误差)。普通质谱的最大丰度灵敏度为10 -8，而加速器质谱的最大丰度灵敏度为10 -16(灵敏度提高了几个数量级)，样品消耗量小(只有ng数量级)，测量时间短，迅速成为一种具有很强优势的新技术手段。
通用质谱测量示意图。样品电离后，通过电磁场选择特定的荷质比来分析原子或分子的质量，但在分析被测核素时，会受到质量数相同、异位量相同的分子背景的干扰(图片来自网络)。
加速器质谱测量示意图。可以从离子源中提取负离子，以抑制某些核素的同量异位素的产生。串列加速器可以将负离子剥离成正离子，利用核探测器识别同量异位素，对于测量长寿命放射性核素非常有效(图片来自网络)。
美国普渡大学加速器质谱研究装置(图片来自网络)
德国HZDR离子束中心加速器质谱研究装置(图片来自网络)
中国原子能科学研究院加速器质谱研究装置(图片来自网络)
加速器质谱技术出现后，宇宙成因核素测年方法的精度大大提高，引起了地质学界的广泛关注，冰川去向的研究有了突破性的契机。
当冰川厚厚的冰层覆盖地球时，巨大的岩石被困在冰下，冰层阻止了宇宙射线对岩石的攻击。在冰川退缩的过程中，一些巨石有时会从地层深处被推到地面。一旦巨石暴露，来自宇宙的射线开始与岩石中的原子相互作用，迅速产生宇宙成因核素的稀有同位素，如3 He(氦)、21 Ne(氖)或10 Be(铍)。
冰川退缩过程中，一些巨石露出地面，受到宇宙射线的轰击(图片来自网络)。
为了确定一块巨石何时露出地面，地质学家试图从巨石上获取柚子大小的岩石样本，并用锤子、凿子或石锯和小型爆炸装置将其带回实验室。他们对样品进行精细研磨，提取出一种特定的核素(例如，应时，其主要成分是SiO 2，以已知的生成宇宙成因核素的速率)，然后给样品中的原子增加一个额外的电子(例如，发射铯离子)，形成带负电荷的元素或分子离子。这些离子被送到加速器加速，然后轰击薄薄的金属箔或气体，剥离它们的电子并破坏剩余的分子，然后进入粒子计数探测器。通过计算不稳定原子与稳定原子的比率，可以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，可以准确计算出冰川推出巨石的时间。
地质学家将设备带到采集岩石样本的区域(图片来自互联网)。
切割一小块表面积为10×10 cm的岩石作为样品，精确记录每个采样点的GPS定位坐标，确定其相对于周围地貌结构和冰川堆积物的位置(图片来自网络)。
为格陵兰岛宇宙成因核素测年收集巨石样本(图片来自网络)
利用加速器质谱测定宇宙成因核素的年代，可以准确计算出历史上覆盖某地的冰层厚度，这是冰盖理论计算模型的关键基础数据(图片来自网络)
美国能源部《对称性》杂志在《用加速器追踪冰川》一文中介绍了弗雷德？FredPhillips等地质学家和加速器质谱法研究冰川去向的进展。
《用加速器追踪冰川》发表在《对称》(图片来自互联网)
菲利普斯是美国新墨西哥州采矿与技术研究所的冰川运动年代测定专家。由于他在水文学、地球化学和地质学的相互作用，特别是宇宙成因同位素和地表暴露年龄的相互作用方面的跨学科工作，他获得了许多国家和国际奖项，并于2007年被授予美国科学促进协会(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果都来源于这项技术，即利用宇宙射线反应在岩石和其他地貌中形成的Cl(氯)放射性同位素的测量比值，更精确地确定过去百万年中火山喷发、岩崩、海啸、流星撞击、地震、滑坡和冰川运动等地质事件的年代。
弗雷德·菲利普斯(图片来自互联网)
《科学》杂志Phillips 1986发表的《化妆品氯-36在岩石中的积累:一种表面暴露测年的方法》(图片来自网络)。
由于加速器质谱具有灵敏度高、样品量小、制样速度快等优点，地质学家对原测年方法获得的部分同位素参考数据进行了重新测量，纠正了原测年方法存在的误差问题，在地质测年精度上取得了重要突破。根据加速器质谱技术的数据，地球的年龄减少了70万年左右(够神奇！)。新的年代测定标准列出了更准确的各种地质过程的时间表，如地球的诞生，大陆和矿藏的形成，生物进化和气候变化。
加速器质谱技术的出现有力地推动了地球科学领域的研究进展。据不完全统计，自20世纪80年代中期以来，已有数千篇关于冰期和其他地质年代的研究论文发表。
宇宙成因核素测年获得的希腊南部伯罗奔尼撒半岛冰川轨迹图(图片来自网络)
近年来，许多地质学家一直忙于研究地球南极西部冰川的下落。这个冰川处于缓慢崩塌的状态，而这个冰川的崩塌很可能会引起海平面的急剧上升，改变海洋环流和气候模式，并引发干旱和剧烈的风暴，这将是对地球的毁灭性灾难。只有深入了解历史上冰川的去向，才能更好地预测未来，研究对策。加速器质谱技术将在这项研究中发挥至关重要的作用。
南极洲西部的冰川正在加速融化(图片来自互联网)。
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纵观历史，加速器质谱技术的发展大致经历了以下几个阶段:
从70年代末到80年代末，大多数加速器质谱装置都是在核物理实验中的粒子加速器基础上改装的，所有拥有大型粒子加速器的核物理实验室都配备了从事加速器质谱研究的束流管。可测量的核素种类也大大扩展(从14 C(碳)到10 Be(铍)、26 Al(铝)、32 Si(硅)、36 Cl(氯)、39 Ar(氩)、41 Ca(钙)、59 Ni(钙)。当时粒子加速器的能量已经很高了，但用于加速器质谱测量时精度和稳定性有限，只能提供部分束流时间用于加速器质谱测量。
90年代初至20世纪初，由于考古、地质、环境等学科的发展，非专用设备已经不能满足用户的需求。加速器质谱分析的专用装置(大多基于串列加速器)逐渐商业化，其中一些专用于测量宇宙成因核素，如10 Be、14 C、26 Al和36 Cl，而另一些则是。
10年来，加速器质谱装置向小型化、小型化、标准化方向发展，测量精度、灵敏度和效率大幅提高，可测量的宇宙成因核素不断增加。同时实现了低功耗、低成本、维护方便，为更广泛的应用打下了坚实的基础。
加速器质谱技术是随着粒子加速器技术的发展而兴起的。它在地球科学中的应用涉及地质学、考古学、水文学、海洋、冰川、气候、地磁等学科。在环境科学方面，可用于城市污染监测(研究空气中PM2.5的来源)、核污染监测、全球环境气候变化等。此外，加速器质谱技术在辐射防护、核安全、核废料、放射生态学、生物医学、毒理学和药理学、材料科学、植物学、营养学等领域取得了重要的研究成果。
这是粒子加速器技术对世界科技发展做出的又一重要贡献！