相关地质记录表明南极冰盖在末次冰消期（约1.8-1.1万年前）曾存在几次快速的退缩过程，可能与冰下融水排放导致的冰盖失稳有关。然而，由于缺乏直接的地质证据，冰下融水排放与南极冰盖快速退缩之间的联系尚不清楚。
为此，中国科学院南京地质古生物研究所（以下简称南京古生物所）、英国布里斯托尔大学、英国圣安德鲁斯大学、南京大学的学者开展合作，利用南大洋德雷克海峡的深海珊瑚样品，获得了末次冰消期以来高分辨率南大洋中层海水铀同位素演化记录，进而揭示了冰下融水的释放和冰盖退缩、海平面上升之间的直接联系，为预测未来南极冰盖可能的变化提供了重要参考。相关研究成果11月13日发表于《自然-通讯》。
冰盖底部有许多湖泊
南极地表覆盖着大范围的常年不融化的冰雪，又称南极冰盖。2020年11月，科技部国家遥感中心发布《全球生态环境遥感监测2020年度报告》，报告首次将“南极冰盖变化”纳入专题系列。
论文第一作者、南京古生物所副研究员李涛介绍，南极冰盖底部的水文过程对冰盖的稳定性存在显著的影响，因而受到了广泛的关注。
据了解，随着压力的增加和温度的升高，冰盖深部的固态冰会逐渐转化为液态融水，在冰盖底部形成许多大小不一的冰下湖泊。现有统计数据表明，全球已探明的冰下湖泊有773个，其中南极洲675个，格陵兰岛64个。
当南极冰盖不稳定时，冰下湖泊储存的冰川融水在冰盖底部的流动性加强，存在大量排放的可能性，冰川融水的排放过程也会反过来影响冰盖的稳定性，导致冰架崩塌速度的加快。
“由于现有观测手段无法直接记录冰盖底部融水的释放过程，目前我们对冰下融水的释放和冰盖退缩之间的联系还缺乏可靠认识。”李涛告诉《中国科学报》。
前人研究发现，冰盖底部岩石颗粒表面释放的铀同位素（234u）会在冰下融水中不断累积，导致冰下融水通常具有较高的铀同位素值（234u/238u）。最近的研究显示东南极洲底部化学沉积物的铀同位素值可以高达4000‰，如此巨量的过剩234u的释放会显著改变周围海水的铀同位素组成。
通过轨迹的分析计算，李涛等人猜测富234u的底部融水可能来自南极半岛或者阿蒙森海附近，并推测冰盖附近的海水铀同位素组成是记录冰下融水释放的潜在指标。
深海珊瑚是可靠载体
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深海珊瑚 受访者供图
“海水铀同位素的重建需要精确测定样品的绝对年龄和铀同位素组成，大部分地质样品无法满足这一要求。”李涛表示，深海珊瑚被证明是记录海水铀同位素组成的可靠载体，从而可以通过铀-钍定年方法获得绝对年龄和初始铀同位素组成。
此前就有研究利用深海珊瑚样品重建了末次冰消期以来大西洋和太平洋海水铀同位素演化，揭示了物理风化和水团混合过程对海水铀同位素组成的影响。
李涛等人通过分析南大洋德雷克海峡的深海珊瑚样品，获得了末次冰消期以来高分辨率南大洋海水铀同位素演化记录。这里的南大洋是围绕南极洲的海洋，是世界第五个被确定的大洋。
相关数据显示，过去1.54万年到1.4万年之间，部分深海珊瑚样品的铀同位素组成存在明显的升高。通过对比不同区域的深海珊瑚铀同位素记录，李涛等人排除了其他洋盆的海水和南美洲地表水输入的影响，指出南极冰盖冰下融水释放是导致该时期南大洋海水铀同位素上升的主要原因。
李涛告诉记者:“该时期南大洋海水铀同位素的异常与冰筏碎屑通量的极高值、融水脉冲事件1a（meltwater pulse 1a, mwp-1a）和全球海平面的快速上升具有很好的对应关系，指示了冰下融水释放和冰盖退缩、海平面上升之间的直接联系。”
据介绍，融水脉冲事件1a是大约在1.4万年前，当最后一块冰开始融化时，海平面在不到500年的时间里上升了20米甚至更多。
珊瑚样品采集不易
“研究中遇到最大的困难是寻找到合适的深海珊瑚样品。”李涛告诉《中国科学报》，研究团队的目标是寻找末次冰消期以来年龄低于1.8万年的珊瑚样品。
深海珊瑚是一种生活在海水深度200米以下的珊瑚类群，深海珊瑚的采集严重依赖于深潜技术。李涛介绍，深海珊瑚在大西洋已经被研究了几十年，在美国西海岸、夏威夷乃至南大洋的研究中也有很多报道。2018年我国在南海北部至中部的深潜航次首次发现了深海海底的柳珊瑚林，在此之前，深海珊瑚在我国几乎是一个完全未知的领域。
由于研究的深海珊瑚绝大部分都是单体珊瑚，每一个深海珊瑚样品化石的年龄都是未知的，需要单独测量获得，而高精度的铀-钍测年是一件非常耗时耗力的事情。研究人员不可能对数以千计的化石珊瑚样品进行高精度的铀-钍测年，然后再选择年龄低于1.8万年的样品进行研究。
经过不断地摸索，在英国同行的帮助下，李涛和南京大学地球科学与工程学院教授陈天宇开展合作，在南京古生物所实验技术中心的环境元素同位素平台开发了激光-质谱仪联用的铀-钍测年手段，在保证一定的测量精度前提下，将样品处理的效率提高到了每天约100个左右。
“该方法可以用于年龄低于60万年的晚第四纪碳酸盐样品的快速测年，我们将其首次用于深海珊瑚的测年，并建立了成熟的方法体系。”李涛说，“利用该方法我们首先对几千个化石珊瑚样品进行了初步的测年，然后根据测年结果再选择合适年龄范围内的样品进行高精度的铀-钍测年，从而达到研究的目的。”
此外，通过对比末次冰消期海洋平均温度和南大洋上涌流强度等记录，研究人员进一步指出末次冰消期以来，南极绕极深层水温度的上升和上涌强度的加强可能是导致南极冰盖冰下融水释放和冰盖退缩的先决条件。
李涛表示，未来绕极深水温度的进一步增加，可能导致冰盖底部融水释放加快，进而引起南极冰盖的崩解和海平面快速上升。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-023-42974-0
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