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冰芯不溶微粒中痕量元素记录了粉尘源区的气候变化和过去的大气循环。为了更详细地反演末次间冰期及其以来的气候环境特征,由丹麦、美国、意大利和中国等14个国家联合开展了格陵兰北部NEEM冰芯计划,我国参与并承担了其中不溶微粒中痕量元素的测试研究工作。
已有的针对冰芯不溶微粒中痕量元素的样品前处理方法不仅空白值较高、样品易受污染、且受到本实验室现有条件的限制,不能直接应用于格陵兰NEEM雪冰中。因此,本研究在现有实验条件下,建立了一种适用于格陵兰NEEM冰芯不溶微粒中痕量元素Sr、Ba、Pb、Al、Ca、Ti、Mn和Fe的前处理方法和测试方法,为揭示格陵兰北部NEEM冰芯不溶微粒中痕量元素包含的气候和环境信息提供可靠的数据。
冰芯不溶微粒中痕量元素浓度可以通过可溶性痕量元素浓度和痕量元素总浓度计算获得。对于可溶性痕量元素浓度,取融化后的水样4.9mL,添加超纯HNO3和内标后上机测试获得;对于痕量元素总浓度,将剩余水样经过电热板蒸发浓缩至1mL左右,添加一定量的超纯HNO3和HF,190℃下消解12h,赶酸定容称重后上机测试获得。
通过对雪冰可溶性痕量元素浓度测试不确定度的评定可知,本研究中测试方法的不确定度较参考水样SLRS-5给出的不确定度低,说明可以准确地测试雪冰样品中痕量元素浓度。
通过土壤标准参考物质(GBW07423,GSS-9)对痕量元素总浓度的样品前处理和测试方法的准确度进行评价。实验可知,Ti的测试值和参考值的比值在0.9~1.2之间,但并不影响该元素包含的气候和环境信息的解释。其余痕量元素测试值与参考值的比值在0.8~1.0之间。可见,本研究建立的方法准确度较高。
利用建立的方法对格陵兰北部NEEM雪坑样品进行了前处理,并测试了可溶性痕量元素浓度、痕量元素总浓度,初步计算获得了不溶微粒中Al和Fe的浓度。结果表明,同种痕量元素的Max/Min值较大,这可能与季节和年际变化有关;另外,痕量元素浓度随深度呈规律性变化且与地壳粉尘的代用指标Fe和Al的变化一致,说明痕量元素随地壳粉尘一起被传输到被研究地区。
对可溶性痕量元素的EFc(Fe)值分析表明,元素Ba、Al、Mn的来源以地壳岩石和粉尘为主;Sr在一些时间内存在非粉尘源的贡献;而对于Pb来讲,粉尘之外其它来源的贡献比较重要。NEEM雪坑中可溶性痕量元素浓度与其它地区可溶性痕量元素浓度比较可知,NEEM雪坑可溶性痕量元素浓度均高于南极地区痕量元素浓度,Ba和Fe分别为南极浓度的11.3和27.1倍,Pb和Al分别为南极浓度的6.3和8.7倍。Pb是格陵兰中部Pb浓度的1.5倍;Al是格陵兰中部的0.2倍。可溶性痕量元素浓度远低于中亚冰川中痕量元素浓度。其中Al浓度比珠穆朗玛峰地区低84倍外,其它元素比珠穆朗玛峰地区低几倍;所测元素较玉珠峰和帕米尔地区的元素浓度低几十倍;Fe和Al的浓度比枪勇、天山和慕士塔格地区中的浓度低几千倍,Sr、Ba、Pb浓度则低几十到几百倍。
雪冰不溶微粒中Al浓度在0.049~25.4ng/g之间,均值为2.82ng/g;Fe浓度在0.053~11.4ng/g之间,均值为1.61ng/g。不溶微粒中Al浓度占Al总浓度的65%,Fe占总浓度的54%。
需要特别指出,过程空白值是影响NEEM雪坑不溶微粒中痕量元素浓度可靠数据的一个主要因素,因此,在今后的工作中降低过程空白值是亟待解决的一个关键问题。