介电剖面法对于冰芯电学性质影响因素分析

徐思佳 李院生 安春雷 史贵涛3, 姜苏 马天鸣4, 鲁思宇5, 王丹赫3,

研究论文

介电剖面法对于冰芯电学性质影响因素分析

徐思佳1,2李院生2安春雷2史贵涛3,2姜苏2马天鸣4,2鲁思宇5,2王丹赫3,2

(1上海海洋大学海洋科学学院, 上海 201306;2中国极地研究中心, 上海 200136;3华东师范大学地理科学学院, 上海 200241;4同济大学海洋与地球科学学院, 上海 200092;5吉林大学建设工程学院, 吉林 长春 130026)

冰芯记录的古气候信息常用化学和物理指标进行提取和分析。其中, 冰芯电学性质是基础物理分析指标之一, 具有重要研究意义。为了定量测定冰芯在交流电下的响应, 介电剖面法(Dielectric Profiling, DEP)被提出并应用到现场冰芯电学性质分析中。然而, DEP测量冰芯的技术参数和方法需要针对现场条件进行探索, 冰芯组分变化对测试信号的影响也未完全明晰。因而, 基于控制变量方法, 制作不同离子种类以及浓度梯度的人工模拟冰芯, 建立了基于我国自主研建的DEP测量设备针对极地冰芯电学性质测试的方法, 探究了DEP信号(电导率信号和介电常数信号)与化学离子种类、离子浓度、冰芯结晶速率、冰芯气体含量以及冰芯尘埃含量之间的关系。结果表明, DEP信号与冰芯中的H+、Cl−以及NH4+浓度呈现明显的线性关系。另外, 冰芯的结晶速率的减缓、冰芯气体含量的上升、冰芯尘埃(草木灰)含量的上升会造成冰芯中DEP信号的下降。

冰芯 电学性质 介电剖面法 化学因素

0 引言

冰冻圈是地球表层系统的重要组成部分, 不仅对于气候变化的响应十分敏感, 而且显著影响全球气候系统, 因而受到国际科学界的广泛关注[1]。作为冰冻圈的主体构成部分, 南北两极已成为科学考察热点区域, 多项极地考察钻探项目在过去50年以来被提出和实施, 并获取了大量冰芯样品[2]。通过科学分析这些冰芯样品, 地球历史时期的气候变化规律被发现, 而且所得到的气候信息记录为预测未来地球气候变化提供了借鉴[3]。冰芯的电学性质作为分析冰芯样品所包含的信息记录中基础的物理指标之一, 其分析结果可应用于定年、火山事件、积累率、生物质燃烧、离子浓度恢复等多领域研究[4], 还能够帮助深入理解雷达冰原调查数据, 了解极地冰盖的内部结构特征[5], 具有重要的研究意义。

作为冰芯电学性质的主要测量方法之一, DEP是一种基于通有低压高频交流电的电极测量固体冰的电容和电导的测量方法。它具有现场测量速度快、对冰芯无破坏等优点, 所得结果还可以为冰芯的初步测量以及后续的化学分析提供技术支持。该方法由Moore和Paren[6]于1987年在格陵兰岛冰芯计划(GRIP)项目中首次提出, 相较于使用平行电极板测量固体冰的电导电容的方法[7], DEP测试结果准确性以及精确性都得到了很大的提升; 在DEP基础上, Moore[8]于1993年提出的高分辨率DEP(High-Resolution Dielectric Profiling, HRDEP), 通过缩小低位电极来提高DEP图像的分辨率(5～6 mm), 进一步提高了测量效率。

尽管DEP自提出已有30多年, 但DEP的测试和研究工作目前主要仍在国外开展。相对而言, 我国对于冰芯电学性质的测量技术以及电学性质研究比较缺乏, 现场测量技术条件也尚不成熟。因此, 通过人工模拟冰芯, 本文探索了我国自主研建的DEP测量设备在现场开展测量冰芯电学性质的技术参数, 并研究了冰芯结晶速率, 冰芯气体含量以及冰芯尘埃含量这三个因素对DEP信号的影响, 进而填补现有理论的不足。

1 DEP相关工作

在火山事件、古积累率恢复和定年方面, DEP在极地现场已经开展了大量工作。Oerter等[9]通过分析毛德皇后地采集的冰芯和雪芯的DEP信号, 判断出过去1 000年以来发生的大型火山事件, 并通过火山层的位置计算得到钻探地点的古积累率; Parrenin等[10]经由Dome C和Vostok站多根冰芯DEP信号以及其他信号比较, 得出从现在到14.5万年前时间段内的111个火山事件; 在西南极冰盖计划中, DEP被用来分析和解释冰芯的内部物质组成, 分析积累率历史变化趋势, 进而对冰芯进行定年[11]。基于长期的发展和应用, DEP信号(电导率信号和介电常数信号)对于冰芯中物质响应的解读逐步取得了一些进展。DEP刚被提出时, Moore等[12]已经发现DEP信号受H+和Cl−影响, 之后Wolff等[13]发现DEP信号也受NH4+的影响。在微观机制上, H+会形成离子缺陷, Cl−会形成Bjerrum-L缺陷, NH4+会形成Bjerrum-D缺陷[14], 晶体缺陷是冰芯传导DEP信号的载体, 并总结出DEP信号和冰芯中化学离子之间的经验公式:

=[H+]+[NH4+]+[Cl−]+(1)

式中, 系数、、表示了H+、NH4+、Cl−浓度对DEP信号的影响程度,表示冰芯中的H+、NH4+、Cl−浓度为0时的DEP信号。、、、不是固定的, 受DEP测量设备的固有属性、DEP测量设备人为设置的参数、测量环境(温度、湿度)等一系列因素的影响。

2 实验方法与冰芯制作

2.1 冰芯制备环境与实验环境

本文实验所使用的人工模拟冰芯的制作过程主要分为三步: 溶液配制、溶液预冻储存以及溶液冻结, 三个步骤分别在不同环境中进行。溶液配制在中国极地研究中心雪冰化学洁净实验室中进行(图1a), 温度为20℃。溶液预冻储存在冰箱冷藏室中密封进行(图1b), 温度为4℃, 确保在溶液冻结过程中缩短冻结时间。溶液冻结在中国极地研究中心低温样品储藏室进行, 温度为−20℃(图1c)。

图1 人工模拟冰芯制备环境

Fig.1. Artificial ice cores production environment

本文实验在中国极地研究中心低温实验室中进行, 温度为−15℃, 如图2所示。图2中右下角的仪器是本文实验所使用的DEP测量设备, 由我国自主研建。

图2 本文实验环境

Fig.2. Experimental environment of this paper

2.2 DEP测量设备

此DEP测量设备通过对以电容测试原理为基础的介电剖面法原理进行研究, 将原理应用于极地冰芯电导率及电容率的测试, 探寻适应于冰芯自身特性的测试方法, 如图3所示。

该设备的主体测试设备主要由电极以及传动系统组成, 如图4所示。电极包括低位电极、高位电极和保护电极, 由表面经过阳极氧化处理过的半圆形铝管加工而成。高位电极通过底座固定在工作台上, 保护电极通过电极固定支架固定在导轨的滑块上, 高位电极和底座以及保护电极和固定支架之间装有聚四氟乙烯垫片, 实现绝缘。低位电极用耐低温绝缘胶水固定在保护电极的开槽内。高位电极与低位电极的中心各自引出一根特制的同轴电缆连接到电感电容电阻(LCR)测试仪上。

图3 a)DEP实物图; b)DEP主体结构设计图

Fig.3. a)The DEP equipment; b)The DEP main structure design drawing

图4 a)高位电极; b)低位电极与保护电极; c)电极固定结构; d)高位电极支撑块; e)聚四氟乙烯垫片

Fig.4. a)HI electrode; b)LO electrode and guard electrode; c)Fixed electrode structure; d)Support block of HI electrode; e)Teflon gasket

传动系统的主要功能是实现保护电极和低位电极沿着高位电极的方向滑动。它主要由电机、减速器、电机控制电路、编码器、滑轨、拖链组成。电机最大扭矩为2N·m, 配备减速比为1:10的减速器。电机的控制由驱动器配合控制器完成, 驱动器具备编码器反馈功能, 控制器控制电机的运转。滑轨的实时位置由编码器进行测量, 可以测得滑块的实时位置, 并在上位机上显示。拖链防止在滑块运动过程中导线缠绕, 一端固定在工作台上, 另外一端固定在滑块上跟随滑块运动[15]。

使用此DEP测量设备测量冰芯时, 将完整冰芯放置于高位电极上, 通低压交流电, 低位电极开始移动并测量两电极间冰芯部分的电导及电容。低位电极的移动速度约为2.7mm·s−1, 通常测量一根长1 m的冰芯需要7 min。

此DEP测量设备的输出原始信号为电导信号以及电容信号, 而其他已发表的实验结果均以电导率来表示。为了便于比较, 将原始电导以及电容信号转化为电导率以及介电常数。电导率与电导的换算关系式如下:

式中, σ为电导率(S·m−1),为电导(S),为长度(m),为截面积(m2)。实验中冰芯直径约为0.1 m,估算为0.01×0.1m2。根据、和后续实验测量得到的, 实验所用人工冰芯的电导率数量级为10−6S·m−1, 与目前国际上已发表的DEP数据的数量级(10−6~10−5)相符[9]。

电容和介电常数之间的换算关系式则为:

其中,为介电常数(F·m−1),为电容(F),为长度(m),为截面积(m2)。根据式(3)和后续实验测量得到的, 本文实验结果中空气的介电常数的数量级为10−12F·m−1, 冰的介电常数的数量级为10−11F·m−1。下文均以经换算后的电导率(S·m−1)以及介电常数(F·m−1)来表示DEP测试结果。

2.3 人工模拟冰芯制作

根据实验目的, 本文实验一共制作3组人工模拟冰芯。第1组用来确定在本文实验环境下适合此DEP测量设备的相关参数; 第2组用来研究H+、NH4+和Cl−与DEP信号之间的定量关系, 在将来使用此设备测量极地冰芯时提供参照和对比; 第3组用来研究冰芯结晶速率, 冰芯气体含量以及冰芯尘埃含量与DEP信号之间的定性关系, 从宏观的角度观察这三个因素与DEP信号之间的定性关系, 有助于从微观的角度研究非化学因素与晶体缺陷密度之间的关系。

本文将内径95 mm、外径97 mm硅胶管一端封口, 套上内径100 mm的亚克力管, 作为制作人工模拟冰芯的模具。亚克力管起塑形的作用, 保证冰芯的形状规则; 内垫硅胶管有助于模具一端封口以及冰芯的取出。图5为人工模拟冰芯制作流程图与示意图, 配制溶液的数量, 离子种类以及浓度依据具体实验目的确定, 每150 mL液体对应25 mm的冰芯长度。

2.3.1 第一组冰芯制作

在过去的研究中, HCl是研究冰芯结构化学的首选掺杂剂[16], 因为HCl产生的水合氢离子是离子缺陷的来源, 半径小的Cl−易进入晶格产生大量的Bjerrum-L缺陷。因此本组实验选择HCl溶液来制作人工模拟冰芯。本组实验配制74 ng·mL−1的HCl溶液1 500 mL, 根据图5制作冰芯。

2.3.2 第二组冰芯制作

本组实验的H+由HNO3溶液提供, 原因是HNO3所电解出的副产物硝酸根由于共价半径过大无法进入晶格而产生缺陷[17], 从而影响人工模拟冰芯的DEP信号的变化因素就只有H+浓度。另外, Cl−与NH4+分别由水中氯以及水中氨提供。本组实验配制浓度为5 ng·mL−1、50 ng·mL−1、125 ng·mL−1、250 ng·mL−1、500 ng·mL−1的HNO3溶液各600 mL, 根据图5制作冰芯, 按超纯水、5 ng·mL−1、50 ng·mL−1、125 ng·mL−1、250 ng·mL−1、500 ng·mL−1的HNO3溶液的顺序依次往模具内加入。同理制作NH4+浓度梯度的人工模拟冰芯以及Cl−浓度梯度的人工模拟冰芯。

2.3.3 第三组冰芯制作

本组实验研究冰芯结晶速率、冰芯气体以及冰芯尘埃这三个因素对于化学离子形成缺陷的影响, 掺杂剂选择HCl溶液。

结晶速率

本组实验配制74 ng·mL−1的HCl溶液2 400 mL, 其中1 500 mL HCl溶液预冻, 900 mL HCl溶液常温(20℃)密封放置。根据图5按超纯水、预冻HCl溶液、常温HCl溶液的顺序依次往模具内加入, 常温HCl溶液每次量改为300 mL, 预冻HCl溶液结晶时间为1 h, 常温HCl溶液结晶时间为3 h。

冰芯气体

本组实验配制溶液步骤如下: 取1 000 mL超纯水, 置于4℃环境下通过降温增加其气体溶解度, 并使用增氧器持续通入空气48 h, 由于存在蒸发的过程, 得到气体含量较多的超纯水约950 mL, 使用气体含量较多的超纯水配制浓度50 ng·mL−1的HCl溶液900 mL并密封预冻。使用未通入过空气的超纯水配制50 ng·mL−1的HCl溶液900 mL并密封预冻。根据图5按超纯水、气体含量较少的HCl溶液、气体含量较多的HCl溶液的顺序依次往模具内加入, 每次150 mL。

图5 a)人工模拟冰芯制作流程图; b)人工模拟冰芯示意图

Fig.5. a)The making processes of artificial ice cores; b)The components of artificial ice cores in three groups

冰芯尘埃

本组实验尘埃浓度的选择标准参照在欧洲南极冰层取芯计划(EPICA)项目中的Dome C的平均雪冰尘埃通量(1 mg·m−2·a−1)与积累率(100 kg·m−2·a−1)[18], 可以得出没有特殊事件(火山爆发、森林火灾)时Dome C中尘埃的浓度约为10−8g·g−1。当有特殊事件时通过平流层进入极地的尘埃浓度提升几十倍, 并考虑到人工尘埃的颗粒直径相比自然尘埃颗粒直径较大, 有部分无法进入晶格, 适当提高加入模型冰芯中的尘埃浓度(10−6g·g−1)。

本组实验配制溶液步骤如下: 取若干树枝树叶晒干, 去除其中的水分后进行充分燃烧碳化得到草木灰。将草木灰放入研钵中进行充分研磨, 尽量降低其颗粒直径, 使其可以进入晶格影响冰芯电学性质。配制无尘埃74 ng·mL−1的HCl溶液1 200 mL, 尘埃含量为10−6g·g−1与10−8g·g−1的74 ng·mL−1的HCl溶液各分别各900 mL, 密封预冻。根据图5按超纯水、无尘埃、10−8g·g−1尘埃浓度、10−6g·g−1尘埃浓度HCl溶液的顺序依次往模具内加入。

3 结果和讨论

3.1 DEP信号与设备参数的关系

设备的可选频率为100 kHz、250 kHz、500 kHz、1 000 kHz。本文首先选用100 kHz对第一组人工模拟冰芯进行测量, 结果见图6a。

从图6a可以看出DEP信号分为三个阶段: 第一阶段(0~300 mm)为空气部分, 电导率平均值为0.2 μS·m−1, 介电常数平均值为5.5 fF·m−1, 显著低于其他阶段的信号。造成这一趋势的原因是低位电极尚未移动进入冰芯段, 两电极之间仅存在低温干燥空气, 而空气可以认为是一个良好的绝缘体, 一般需要10 kV的高压才能被击穿, 让空气的电导进入不稳定的状态, DEP作为高频低压(本文实验电压2 V)的测量方法无法击穿空气。第二阶段(300~750 mm)为超纯水冰芯部分, 电导率平均值为3 μS·m−1, 介电常数平均值为13 fF·m−1。相比第一阶段, 本段电导率和介电常数明显呈现上升趋势。造成这种上升趋势的原因有以下两点: ①冰含有固定密度的本征缺陷, 由于超纯水的电离程度较小, 本征缺陷以Bjerrum缺陷为主; ②冰在形成过程中会产生一部分的外部缺陷[19-20]。此外, 相对于空气段信号的平稳, 纯水段信号存在一个较缓的坡度。造成这种坡度的原因是由于在第三阶段加入的HCl溶液通过渗透作用进入到超纯水冰中, 使冰晶体形成了少量的外部缺陷。第三阶段(750~1 000 mm)为74 ng·mL−1HCl溶液冰芯段, 电导率平均值为4.5 μS·m−1, 介电常数平均值为17fF·m−1, 由于HCl电离而产生了大量的外部缺陷, 相对于超纯水形成的冰芯段存在一个明显的上升趋势。

基于100 kHz条件下的DEP测试结果, 我们比较了在250 kHz、500 kHz、1 000 kHz三个不同频率下的DEP信号的变化, 对比结果见表1、表2与图6。对比结果表示, 电导率信号总体随着频率的增加而变大, 介电常数信号总体随着频率的增加而减小。其中, 在500 kHz和1 000 kHz下, 从500 mm开始电导率信号开始出现异常减小; 在250、500和1 000 kHz下, 950~1 000 mm段的信号都出现异常升高。相较而言, 唯有在100 kHz下电导率信号符合经验公式。不同于电导率, 介电常数信号没有出现随着频率的增加而不符合经验公式的情况, 四个频率下的介电常数信号的变化趋势都是类似的。因此, 在本文实验条件下, 此DEP测量设备以100 kHz的频率为最佳。

图6 第一组冰芯在a)100 kHz、b)250 kHz、c)500 kHz、d)1 000 kHz下的DEP信号

Fig.6. DEP signals of the first ice core under the frequencies of a)100 kHz, b)250 kHz, c)500 kHz and d)1 000 kHz

表1 第一组冰芯在100 kHz、250 kHz、500 kHz、1 000 kHz下的电导率信号(单位：μS·m−1)变化范围

表2 第一组冰芯在100 kHz、250 kHz、500 kHz、1 000 kHz下的介电常数信号(单位：fF·m−1)变化范围

3.2 DEP信号和化学离子之间的定量关系

图7为第二组冰芯中5~500 ng·mL−1的Cl−冰芯在100 kHz下的DEP信号, 每100 mm为一个浓度梯度(5 ng·mL−1, 50 ng·mL−1, 125 ng·mL−1, 250 ng·mL−1, 500 ng·mL−1)。每个浓度下的电导率以及介电常数如表3所示, 随着浓度上升, 电导率以及介电常数也对应增加。尽管冰芯的制作过程中是待上次加入的液体完全结晶后加入下一批液体, 但由于冰芯制作过程中存在液体渗透作用, 因而DEP信号呈连续缓慢上升。

图7 5~500 ng·mL−1 Cl−溶液制作而成冰芯的DEP信号

Fig.7. DEP signal of artificial ice core which was produced by Cl−solution varying from 5 ng·mL−1to 500 ng·mL−1

表3 Cl−浓度与电导率以及介电常数信号的对应关系

根据经验公式=[H+]+[NH4+]+[Cl−]+可知电导率信号与[Cl−]成线性关系, 如图8a所示。式中单位为μS·m−1, [Cl−]单位为ng·mL−1。

图8 Cl−浓度与电导率(a)以及介电常数(b)信号的拟合直线

Fig.8. Straight line of Cl−concentration with conductivity signal (a) and permittivity signal (b)

DEP测试得到的介电常数信号与[Cl−]的关系如图8b所示, 对两者做一元线性回归, 其拟合优度2为0.88,<0.05, 因此也可以认为两者成线性关系。式中,单位为fF·m−1, [Cl−]单位为ng·mL−1。

DEP测试所得电导率信号和介电常数信号分别与NH4+以及H+浓度的关系如图9所示。拟合得到的关系式中,单位为μS·m−1,单位为fF·m−1, H+和NH4+的浓度单位为ng·mL−1。综合以上公式, 进一步分析计算得到电导率信号和离子浓度之间的关系式:

=0.24[H+]+0.0047[Cl–]+0.0039[NH4+]+3.6 (4)

介电常数信号和离子浓度之间的关系式为:

=0.53[H+]+0.0078[Cl−]+0.0089[NH4+]+14.9 (5)

通过本文实验得到的关系式可以看出, 在100 kHz的频率下, H+形成的离子缺陷相对于Cl−以及NH4+形成的Bjerrum缺陷而言可以更加有效地影响DEP信号。此外, Cl−形成的Bjerrum-L缺陷相对于NH4+形成的Bjerrum-D缺陷可以更加有效地影响电导率信号, 而Bjerrum-D缺陷相对于Bjerrum- L缺陷可以更加有效地影响介电常数信号。

图9 NH4+、H+浓度与电导率(a、c)以及介电常数(b、d)信号的拟合直线

Fig.9. Straight line of NH4+concentration and H+concentration with conductivity signals (a, c) and permittivity signals (b, d)

3.3 DEP信号与其他因素之间的定性关系

3.3.1 结晶速率

图10是用于研究结晶速率的人工模拟冰芯的部分DEP信号图。信号图分为两个部分, 分别是0~100 mm结晶速率快的冰芯部分以及100~200 mm结晶速率慢的冰芯部分。从图7可以看出, 100 mm处的DEP信号存在一个下降趋势, 说明结晶速率快的冰芯部分的缺陷密度比结晶速率慢的冰芯部分的缺陷密度大。由此可见, 冰芯中的HCl形成的缺陷密度不仅仅取决于HCl的浓度, 也取决于冰芯的结晶速率, 在同一浓度下的HCl溶液结晶速率越快形成的外部缺陷越多。

这是因为H+、NH4+、Cl−在溶液结晶的时候只有进入冰晶格才能产生晶体缺陷[21], 而上述离子进入的冰晶格的效率是由结晶速率所控制的。结晶速率越块, 在结晶过程中从晶格中析出上述离子的时间越短, 上述离子进入冰晶格的效率越高。这一现象在过去的研究中已经被注意到, 并可以用分割系数k进行描述, 即结晶速率越快时分割系数越大。在极地区域快速结晶的大气降雪经密实化形成的冰的分割系数为0.3~0.8, 冰盖底部水体缓慢结晶形成的冰分割系数为10−3[22]。两者的差异可以很好地解释极地冰芯样品经过融化再结晶后Fitzgerald和Paren[7]无法再重现的电学信号的原因, 也解释了Grimm等[23]发现冻土中的冰几乎不导电的原因。

图10 DEP信号与结晶速率之间的关系

Fig.10. The relationship between DEP signal and crystalli­zation rate

3.3.2 冰芯气体

图11是用于研究气体含量的人工模拟冰芯的部分DEP信号图。信号图分为两个部分, 分别是0~50mm的气体量较少的冰芯部分以及50~ 180mm的气体含量较多的冰芯部分。从图中可以看出, 从50mm开始DEP信号呈现下降趋势, 说明随着冰芯中气体含量的上升, 冰芯中的缺陷密度变小。

图11 DEP信号与冰芯气体之间的关系

Fig.11. The relationship between DEP signal and gas content

这是由于溶解于液体中的气体在结晶的过程中被挤压并固定在晶界中, 因此50~180 mm的冰芯部分的晶界中存在大量气泡。而气体的DEP信号通过第一组实验已证实小于冰晶体的DEP信号, 所以当晶界中出现大量气泡时, 虽然晶格中的缺陷密度不变, 但是对于冰晶体整体而言缺陷密度下降, 造成DEP信号下降。

图12是研究气体含量的人工模拟冰芯的切片图, 左边是冰芯气体含量较多部分的切片图, 右边是冰芯气体含量较少部分的切片图。通过观察可以发现, 左边的切片图中的气泡数量明显大于右边的切片图中的气泡数量, 说明冰芯制作过程中的不同步骤的确造成了冰芯中气体含量的差异。

3.3.3 冰芯尘埃

图13是用于研究大气尘埃的人工模拟冰芯的部分DEP信号图。信号图分为三个部分, 分别是0~100 mm为未加入尘埃的冰芯部分, 100~250 mm为加入浓度10−8g·g−1尘埃的冰芯部分, 250~400 mm为加入10−6g·g−1尘埃的冰芯部分, 接近400 mm的下降趋势为空气对于DEP信号的影响。从图中可以看出, 从50 mm开始DEP信号出现下降趋势, 说明随着冰芯中尘埃浓度的上升, 冰芯中的缺陷密度变小。在250 mm处随着冰芯中的尘埃浓度增加了100倍, 本来已经平稳的DEP信号又一次出现下降趋势, 说明冰芯中的缺陷密度进一步变小。

图12 研究气体含量的人工模拟冰芯切片图

Fig.12. Artificial ice core slice for studying gas content

图13 DEP信号与冰芯尘埃之间的关系

Fig.13. The relationship between DEP signal and dust content

这是由于本组实验所使用的尘埃只有草木灰这一种成分, 草木灰的主要成分为碳酸钾, 呈碱性, 会中和HCl所电离出的H+, 减少外部缺陷的形成, 从而造成DEP信号的下降。此外, 虽然尘埃浓度在冰芯250 mm处增加了两个数量级, DEP在冰芯250 mm处的减小趋势相对于冰芯50 mm处的减小趋势非常不明显, 说明在50 mm后的冰芯部分, 尘埃已经中和了大部分可以形成离子缺陷的H+, 其中的主要缺陷是Cl−形成的Bjerrum-L缺陷。

4 结论

本文使用我国自主研建的DEP测设备, 在−15℃条件下测量了由不同浓度和离子种类的溶液制作的人工模拟冰芯。基于DEP信号的初步分析结果, 我们获得了以下主要结论。

(1)此DEP测量设备在当前测试环境中的适合频率为100 kHz, 频率相对过高会引起电导率信号的异常, 但不会引起介电常数信号的异常。电导率信号总体随着频率的增加而变大, 介电常数信号总体随着频率的增加而减小。

(2)确认DEP信号与冰芯中H+、NH4+、Cl−浓度之间呈线性关系。H+形成的离子缺陷相对于NH4+和Cl−形成的Bjerrum缺陷可以更加有效地影响DEP信号。Cl−形成的Bjerrum-L缺陷相对于NH4+形成的Bjerrum-D缺陷可以更加有效地影响电导率信号, Bjerrum-D缺陷相对于Bjerrum-L缺陷可以更加有效地影响介电常数信号。

(3)冰芯结晶速率的减缓、气冰芯中气体含量和尘埃含量(草木灰)的上升会引起DEP信号的下降。

在进一步的实验中, 可以尝试更多不同种类的掺杂剂、气体和尘埃与DEP信号之间的关系, 为现场冰芯DEP信号分析和解读提供技术支持。

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ANALYSIS OF INFLUENCING FACTORS OF THE ELECTRICAL PROPERTIES OF ICE CORES USING DIELECTRIC PROFILING

Xu Sijia1,2, Li Yuansheng2, An Chunlei2, Shi Guitao3,2, Jiang Su2,Ma Tianming4,2, Lu Siyu5,2, Wang Danhe3,2

(1School of Marine Science, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China;2Polar Research Institute of China, Shanghai 200136, China;3School of Geographical Science, East China Normal University, Shanghai 200241, China;4School of Ocean and Earth Science, Tongji University, Shanghai 200092, China;5School College of Construction Engineering, Jilin University, Jilin 130026, China)

The paleoclimate information recorded in ice cores is often extracted and analyzed based on chemical and physical indicators. The electrical properties of ice cores are among the fundamental physical indices. To quantitatively determine the responses of ice cores under alternating current power, dielectric profiling (DEP) was developed and applied to ice core analysis. However, the technical parameters of DEP equipment need to be explored further for field measurement. In addition, the electrical responses to changes in ice core composition are not yet fully understood. Therefore, we first produced artificial ice cores using different ion types and concentration gradients. Based on the DEP measurement method for artificial ice cores developed by China, a method for measuring Antarctic ice cores is developed. Next, the relationships among the DEP signal (conductivity signal and permittivity signal), chemical factors, ice core crystallization rate, ice core gas content, and ice core dust content were investigated using these ice cores. The DEP signal showed a significant linear relationship with hydrogen ions, chloride ions, and ammonium ions in the ice cores. In addition, decrease of the crystallization rate, increase of the ice core gas content, and increase of the dust content (plant ash) may cause decline of the DEP signal in Antarctic ice cores.

ice core, electrical property, dielectric profiling, chemical factor

2019年12月收到来稿, 2020年3月收到修改搞

国家重点研发计划课题(2016YFC1400302)和上海市自然科学基金项目(17ZR1433200)资助

徐思佳, 男, 1995年生。硕士研究生, 主要从事南极雪冰物理化学分析研究。E-mail: xusijia@pric.org.cn

李院生, E-mail: liyuansheng@pric.org.cn

10. 13679/j.jdyj.20190072