人類(lèi)用文字記錄歷史，地球則將自己的歷史寫(xiě)進(jìn)大自然——樹(shù)木的年輪、黃土的沉積、巖石的圈層……其中，冰芯是地球歷史最重要、最客觀(guān)的書(shū)寫(xiě)者之一。早在人類(lèi)出現之前，它們就將地球環(huán)境變遷的信息，封存于剔透的內心。鑒往，才能知來(lái)。今天，人們在研究全球氣候變化這個(gè)大課題時(shí)，迫切需要知道過(guò)去曾發(fā)生過(guò)什么，冰芯研究就成為主要手段之一。在南北極的冰芯研究之外，越來(lái)越多的科學(xué)家將目光聚焦在世界第三極青藏高原的冰芯。

無(wú)字的環(huán)境密碼

    在冰川研究領(lǐng)域中，有一個(gè)非常重要的分支叫冰芯研究。長(cháng)期以來(lái)，冰川學(xué)家們一直用冰川物質(zhì)平衡、冰川雪線(xiàn)和冰川末端變化等數據來(lái)揭示全球氣候環(huán)境的演化。隨著(zhù)冰芯研究的發(fā)展，科學(xué)家們可以走向更廣的時(shí)間和空間，進(jìn)行穿越數十萬(wàn)年時(shí)光的環(huán)境變化實(shí)證研究。

    冰芯，顧名思義，就是取自冰川內部的芯。所有在大氣中循環(huán)的物質(zhì)都會(huì )隨大氣環(huán)流而抵達冰川上空，并沉降在冰雪表面，最終形成冰芯記錄。冰芯分析的每一個(gè)參數都至少載有一個(gè)地球系統變化過(guò)程的信息。具體地說(shuō)，冰芯中氫、氧同位素比率是度量氣溫高低的指標；冰芯凈積累速率是降水量大小的指標；冰芯氣泡中的氣體成分和含量可以揭示大氣成分的演化歷史；宇宙成因的同位素可以提供宇宙射線(xiàn)強度變化、太陽(yáng)活動(dòng)和地磁場(chǎng)強度變化的證據；冰芯中微粒含量和各種化學(xué)物質(zhì)成分的變化，可以提供不同時(shí)期的大氣氣溶膠、沙漠演化、植被演替、生物活動(dòng)、大氣環(huán)流強度、火山活動(dòng)等信息；冰芯也記錄了人類(lèi)活動(dòng)對氣候環(huán)境影響和各種信息，等等。

    與歷史記錄、樹(shù)木年輪、湖泊沉積、珊瑚沉積、黃土、深海巖芯、孢粉、古土壤和沉積巖等可提取過(guò)去氣候環(huán)境變化信息的介質(zhì)相比，冰芯不僅保真性強（低溫環(huán)境）、包含的信息量大，而且分辨率高、時(shí)間尺度長(cháng)，堪稱(chēng)“無(wú)字的環(huán)境密碼檔案庫”。冰芯研究通過(guò)從冰川（包括冰蓋和冰帽及其他類(lèi)型的冰川）中鉆取冰樣，破解冰芯環(huán)境密碼，檢測過(guò)去氣候與環(huán)境變化、監測現代氣候與環(huán)境變化、預測未來(lái)氣候與環(huán)境變化。

    不僅如此，通過(guò)冰芯的研究，科學(xué)家們可以對不同時(shí)期的生物地球化學(xué)循環(huán)、火山活動(dòng)、宇宙事件、超新星爆炸、生物活動(dòng)與植被演化等展開(kāi)更為精確具體的研究。這些重大成果不但極大地豐富了氣候與環(huán)境變化的研究?jì)热?，更革新了人?lèi)關(guān)于地球系統演化及其重要機制的一些觀(guān)點(diǎn)。

南北極的冰芯研究

    人們對南北極的冰芯研究開(kāi)展得比較早。目前冰芯長(cháng)度最長(cháng)的是南極vostok冰芯，長(cháng)3623米，時(shí)間可回推至42萬(wàn)年前；時(shí)間尺度最長(cháng)的是Dome C冰芯，長(cháng)3190米，時(shí)間可回推至80萬(wàn)年前。今天，包括中國在內的各國科學(xué)家，仍然在南北極進(jìn)行著(zhù)相關(guān)工作。

    其實(shí)早在19世紀中葉，人類(lèi)就已經(jīng)開(kāi)始利用機械鉆在瑞士冰川上提取冰芯，但其目的僅僅只是為了測量冰川的厚度。20世紀50年代初期，愛(ài)潑斯坦和當塞嘉德等研究了自然界各種水體中穩定氧同位素比率的變化，發(fā)現氧同位素比率大小的主要因素受控于降水時(shí)氣溫、水汽來(lái)源和降水云系的發(fā)展歷史，并在20世紀50年代中期首次將氧同位素比率引入到冰川學(xué)研究的領(lǐng)域，冰芯的氣候環(huán)境研究也正式提上日程。

    可以說(shuō)，正是同位素地球化學(xué)研究和鉆探技術(shù)這兩者發(fā)展的結合，為冰川學(xué)中產(chǎn)生冰芯研究這門(mén)富有生命力的學(xué)科奠定了基礎。在極地地區，冰芯研究的思想最初由H.Bader于1954年提出，C.C.Langway等人又進(jìn)一步發(fā)展和實(shí)踐了這一思想。第一根穿透整個(gè)冰蓋的冰芯計劃是1966年在格陵蘭Camp Century實(shí)施的。其后相繼完成的有1968年實(shí)施的南極Byrd Station冰芯計劃，1979年實(shí)施的南極Dome C冰芯計劃以及80年代初在南極實(shí)施的Vostok冰芯計劃和在格陵蘭實(shí)施的Dye 3冰芯計劃等。90年代初，歐洲共同體八國完成的GRIP計劃和美國完成的GISP II計劃將末次間冰期以來(lái)的氣候變化進(jìn)行了高分辨率的研究，標志著(zhù)冰芯研究進(jìn)入新階段。其中，歐洲共同體8國聯(lián)合實(shí)施的GRIP冰芯鉆探順利穿透冰蓋，到達基巖表面，獲取了長(cháng)達2980米的冰芯。20世紀末，Vostok冰芯使得南極冰芯記錄的氣候變化延伸到42萬(wàn)年以前。21世紀初，EPICA計劃又使得南極冰芯記錄延伸到80萬(wàn)年以前。

    目前，冰芯研究已經(jīng)成為一個(gè)多學(xué)科交叉性前沿研究領(lǐng)域。隨著(zhù)更多高、精、尖分析儀器運用到冰芯研究領(lǐng)域，例如氣體穩定同位素質(zhì)譜儀、等離子體質(zhì)譜儀、離子色譜儀、氣相色譜儀、毛細管電泳儀、電導儀、縱列加速器、旋轉式結構分析儀、掃描電子顯微鏡以及各種獨特的野外測量?jì)x器的應用，科學(xué)家們可以不斷開(kāi)拓新的研究領(lǐng)域。許多地球系統中的復雜過(guò)程很可能通過(guò)冰芯研究而被徹底認識。

青藏高原冰芯研究日益成為熱點(diǎn)

    氣候環(huán)境變化不僅具有全球性，也具有區域性，只有對不同緯度、不同區域過(guò)去的氣候環(huán)境變化進(jìn)行詳細研究，才能更為精確地揭示過(guò)去全球變化的總貌?？茖W(xué)家們已經(jīng)通過(guò)對南北極冰芯的研究，闡明了南北極過(guò)去幾十萬(wàn)年以來(lái)氣候環(huán)境變化的特征。但是，假如沒(méi)有中緯度地區的冰芯研究數據作為橋梁和過(guò)渡，便很難將兩極地區的冰芯研究在全球尺度上聯(lián)系統合起來(lái)。這使得青藏高原的冰芯研究工作顯得尤為重要，也正因為如此，被稱(chēng)為“地球第三極”青藏高原的冰芯研究，成為國際冰芯研究的角逐場(chǎng)。

    中國對青藏高原冰芯的研究可以追溯到20世紀80年代。1984年，中國科學(xué)家和美國科學(xué)家合作，于天山烏魯木齊河源1號冰川上鉆出了中國第一根冰芯，但強烈的冰川融化破壞了冰芯中的環(huán)境信息?？茖W(xué)家們不得不轉向敦德冰帽，鉆取并研究了敦德冰芯。1992年，在西昆侖山鉆取了309米長(cháng)的古里雅冰芯。時(shí)至今日，古里雅冰芯依然是世界冰芯研究界鉆取的中低緯度上最深的、時(shí)間尺度最長(cháng)的山地冰芯。

    應用冰體流動(dòng)模型和36C1兩種測年方法，均表明該冰芯底部冰體形成于70萬(wàn)年以前，與青藏高原進(jìn)入冰凍圈的時(shí)代一致。通過(guò)對該冰芯的數據研究，恢復了該冰芯末次間冰期以來(lái)的氣候環(huán)境記錄，從中鑒別出了米蘭柯維奇循環(huán)。另外，從該冰芯中的氧同位素比率記錄與極地冰芯中的氧同位素比率記錄及太陽(yáng)輻射率的對比，發(fā)現了高原地區氣候變化在萬(wàn)年時(shí)間尺度上對太陽(yáng)輻射率變化的響應要比極地地區強烈得多，找到了青藏高原地區是全球氣候變化的敏感地區的有力實(shí)證。古里雅冰芯記錄還表明，不論在冰期，還是在間冰期，高原地區氣候都存在強烈的震蕩，并且存在不同時(shí)間尺度的氣候突變。將古里雅冰芯與1984年鉆取的敦德冰芯中的微粒含量比對研究表明，目前在青藏高原面上，正經(jīng)歷著(zhù)強烈的氣候變暖過(guò)程。將古里雅冰芯和格陵蘭冰芯進(jìn)行比對顯示，二者微粒含量長(cháng)期變化過(guò)程呈現高度相關(guān)的特征，這又證明了環(huán)境變化具有空間耦合的特征。

    1997年，科學(xué)家們又在希夏邦馬峰鉆取了達索普冰芯，創(chuàng )造了世界冰芯研究界采樣點(diǎn)海拔最高（7200米）的世界紀錄?？梢哉f(shuō)，通過(guò)幾次冰芯鉆取及其研究，使中國青藏高原冰芯研究在國際冰芯研究領(lǐng)域成功地樹(shù)立起了第三極。

    目前，在“第三極環(huán)境（TPE）”國際計劃的大框架下，在中國科學(xué)院戰略性先導科技專(zhuān)項（B類(lèi)）“青藏高原多圈層相互作用及其資源環(huán)境效應”的支持下，新的冰芯研究計劃正在實(shí)施。新的冰芯計劃在印度季風(fēng)主導區藏東南左丘普冰川、在印度季風(fēng)和西風(fēng)影響都比較弱的青藏高原中部藏色崗日冰川、在西風(fēng)主導區帕米爾高原擴擴色勒冰川各鉆取一根冰芯，以研究印度季風(fēng)和西風(fēng)相互作用下青藏高原過(guò)去環(huán)境變化的區域特征與異同，并與青藏高原現代環(huán)境變化研究和模擬研究相結合，為預測青藏高原未來(lái)不同情景的環(huán)境變化服務(wù)。