邓  凯海外回国加速器-华人国内视频影音游戏稳定加速

同济大学海洋与地球科学学院

开篇语：To Be, or not to Be: that is the question.——《哈姆雷特》，莎士比亚

铍（Be）是一种碱土金属元素，常见的三种同位素分别为7Be（半衰期：~53天），9Be（稳定核素）和10Be（半衰期：~1.39百万年）。其中，9Be是自然界中的主要同位素，丰度趋近于100%。在日常生活中，Be元素可能默默无闻；但是在工业界，特别是航空及冶金行业中Be却是不可或缺的。在地球表面的岩石及沉积物中，Be元素主要赋存于硅酸盐矿物，这主要通过Be2+与Si4+的替换或Be2++Ca2+与Al3++Na+的替换来实现。在宝玉石店中常常见到的祖母绿和海蓝宝石等绿柱石类矿物（Beryl）就是铍（Beryllium）–铝硅酸盐（图1）。

在初步认识Be元素这个日常生活中的“小透明”之后，我们将目光转移至本文的“主角”—— 同位素10Be。10Be是一种宇宙成因的放射性核素，当高能宇宙射线进入大气层或者地表时，大气中或地表矿物（如石英）中的氧和氮原子会发生散裂反应，从而分别形成大气的（meteoric）或原位的（in situ）10Be（图2）。其中，大气10Be在形成后会立即吸附于大气中的气溶胶，并通过降水清扫及气溶胶沉降的方式抵达地表，然后吸附于地表的土壤颗粒(Willenbring and von Blanckenburg, 2010b)。在土壤及沉积物中，石英的原位10Be含量以及吸附于颗粒表面的大气10Be含量都随着在地表滞留时间的增长而逐渐积累，这也是10Be被用于指示地表过程发生时间及速率的基本原理。

图2  大气10Be和原位10Be的形成示意图，修改自von Blanckenburg et al. (2012)

平常大家关注的一些问题，如表土流失和泥沙通量等都可以用10Be这种地球化学工具来研究。针对不同的科学问题，我们可以去采集不同类型的地质/环境样品，常见样品类型包括水体、土壤、河流/钻孔沉积物以及岩石等。特别地，在采集固体样品进行10Be分析时，考虑到石英原位10Be产率（4–5 atoms/g/yr）远低于大气沉降的10Be产率（0.1–2 × 106 atoms/cm2/yr），我们通常需要~1 kg样品用于原位10Be测试，而仅需要~1 g样品用于大气10Be测试。

野外采集的样品会被带入实验室中进行一些化学处理，如加入已知量的9Be稀释剂（spike）并纯化Be元素等。由于10Be在自然界中含量稀少，其测试需要十分精密的质谱仪。我们通常采用加速器质谱仪（AMS）测定含稀释剂的10Be/9Be比值，并进一步推算出样品中的10Be含量。

早在20世纪80年代，大气10Be就曾被用于流域沉积物中揭示地表演化过程。但由于当时对10Be的产生及迁移过程没有具体认识，不确定的因素包括：大气10Be产率的空间差异、10Be的干/湿沉降过程以及10Be在地表的滞留和配分行为等，因此剥蚀速率的计算结果还存在极大的不确定性(Willenbring and von Blanckenburg, 2010b)。随后，大气10Be便逐渐被应用于其它研究方向上，如：重建钻孔沉积速率（10Be放射性衰变）、示踪洋流路径（10Be在海洋中滞留时间短）(杨永亮等, 2007)、从冰芯/沉积物/黄土中提取太阳活动和地磁场强度变化（10Be产率受控于宇宙射线强度）(Zhou et al., 2014)、测量土壤滞留时间以及成壤速率（10Be含量随时间积累）等（图3）。

图3  大气10Be在陆地及海洋过程中的一些应用。图件来源：a）古磁场重建(Zhou et al., 2014)；b）洋流路径示踪(Yang et al., 2003)；c）土壤滞留时间确定(Bacon et al., 2012)；d）地表沟蚀过程示踪(Reusser and Bierman, 2010)。具体内容请参考对应文献。

与此同时，大气10Be的姊妹核素——原位10Be被当作陆地表生过程的指标逐渐发展起来。1991年，Lal (1991)十分详细地介绍了石英中原位10Be的产率模型，并可以精确地获得任何经纬度及高度的产率数据。因此，石英自身的稳定性以及产率问题的解决让原位10Be逐渐成为了研究地表过程的定量指标。之后，原位10Be被广泛应用于计算流域尺度的剥蚀速率、沉积物的埋藏年龄以及岩石的暴露时间等。

然而，大气10Be示踪风化–侵蚀的应用并未因为原位10Be的快速发展而停滞不前。事实上，在早期利用大气10Be指示剥蚀速率的尝试之后，大气10Be在产生、沉降、吸附及迁移过程等方面均有了进一步的探索及理论完善。大气10Be的全球平均产率变化历史可以通过冰芯、树轮以及深海钻孔的10Be记录进行重建；大气10Be沉降通量的空间分布可以采用各类全球通用环流模型（GCM）进行模拟。大气10Be沉降于地表后，在土壤、沉积物及水体中的吸附和迁移过程也已有系列实验进行研究。此外，为了让大气10Be能够更好地被应用于流域分析中，前人对10Be吸附过程中的粒径效应（如水动力分选）已有较为系统的研究，并提出10Be/9Be 可以很好地校正不同粒径大小导致的含量变化。以上对于大气10Be的理论探索让其有潜力被重新用于风化–侵蚀邻域。

2012年时，基于以上对大气10Be的新认识，von Blanckenburg et al. (2012)利用10Be/9Be系统（图4）发展了一系列稳态条件下的质量平衡方程，并进一步推导出利用大气10Be/9Be定量化风化–侵蚀过程的公式。相较于产于石英中且沉积物分析量巨大的原位10Be，大气10Be的优势在于所需分析样品量极少（<1 g）且应用时不受岩性影响，即只需要存在可吸附的表面及次生矿物就能进行10Be的提取和测试。因此，它不仅可以应用于世界上大多数地质背景（含基性岩和碳酸盐岩等），也适用于样品宝贵且量少的钻孔沉积物海外回国加速器-华人国内视频影音游戏稳定加速，进而指示古剥蚀历史。近5年来，大气10Be/9Be指标已被应用于具有截然不同地质背景的流域中，如亚马逊流域(Wittmann et al., 2015)、波托马克流域(Portenga et al., 2017)以及山溪性小河浊水溪(Deng et al., 2020b)等。

图4  大气10Be/9Be指标的概念框架（H. Wittmann提供）

为了利用大气10Be量化地表过程的年龄和速率，确定大气10Be沉降通量是核心前提。那么，如何知道每年有多少10Be从天而降呢？

近几十年来，大量的模拟及观测工作显著提升了我们对于大气10Be沉降过程的理解。其中，结合10Be产率方程和气溶胶动力学的通用环流模型（GCM）是近年来快速发展的新手段。GCM可以利用10Be产生及在大气中的迁移理论模拟出10Be沉降通量在全球的时空分布规律（图5），从而能够满足大尺度的大气10Be表生研究(Heikkilä et al., 2013)。除此之外，针对地表携带10Be的材料，若知道10Be积累时间及总量，也可以用于计算区域的10Be沉降通量（总量/时间=通量）。这主要包括：1）定期搜集雨水/雪水，并监测年降水/雪量且测试10Be含量（年际尺度）(Graly et al., 2011)；2）选取已知年龄且表面侵蚀不明显的土壤剖面，测试土壤10Be含量并计算剖面10Be储量（千年尺度）；3）采集河流沉积物及河水样品，分析颗粒态和溶解态10Be含量，并结合由其他手段约束的千年尺度流域剥蚀通量，则可在稳态假设下计算河流输出的10Be年均通量（千年尺度）。

图5  通用环流模型（GCM）模拟的全球10Be沉降通量分布图以及已发表的大气10Be沉降通量实测站位，包括降水、土壤剖面和河流沉积物。全球平均大气10Be沉降通量大约为106 at/cm2/yr.

值得注意的是，随着数据的不断累积，学者们逐渐意识到不同方法给出的沉降通量有时存在明显差异，这既包括模型与实测数据的差异，也包括不同材料给出数据的差异(Graly et al., 2011; Willenbring and von Blanckenburg, 2010b)。然而，多数研究常采用单一方法的结果而未评价其可靠性和适用性，从而导致大气10Be相关的定量计算存在一定的不确定性。

为了更精确地约束大气10Be应用框架中的核心参数，需要在不同时间和空间尺度上集成现有的通量数据；并且，考虑到不同方法综合了不同的时空尺度以及不同的10Be产率，所有数据需要校正到同一个产率水平下才能更为精细地揭示出各方法的异同。最近，Deng et al. (2020a)搜集了全球已发表的各类10Be沉降通量数据（图5）并进行了统一的10Be产率标准化，然后通过对比模拟和实测通量数据来探讨不同方法的可靠性，进而完善大气10Be在不同时空尺度上的沉降理论。

由于GCM模拟数据具有全球尺度的覆盖范围，因此我们将各类材料给出的实测通量数据与GCM模拟数据进行进一步地对比（图6）。结果发现：降水10Be沉降通量常常远高于其他方法的估算值，而超过一半（60-70%）的土壤剖面及河流输运数据和GCM模拟值在两倍以内吻合。当仔细评价每种方法存在的潜在不确定性之后，我们认为，真实的千年尺度10Be沉降通量在多数情况下应介于土壤剖面实测值和GCM模拟值之间(Deng et al., 2020a)。这一新认识对于今后应用大气10Be示踪陆地表生过程具有重要指导意义。

图6  对比不同方法给出的大气10Be沉降通量

考虑到大气10Be在地表的广泛存在，该指标将会在地貌学、地球化学和地质年代学等领域具有广阔的应用前景。此处针对10Be沉降通量最新进展的总结，以及今后10Be沉降通量数据的继续积累有望帮助其成为更精确的年代/速率测定工具。

除了陆地表生过程的应用之外，大气10Be在海洋中也有大展身手的机会。如前所述，大气10Be常被应用于海洋沉积物中以定年和重建古地磁等。而近期的研究发现，海洋中的大气10Be/9Be也具有成为大陆风化通量指标的潜力（图7）(von Blanckenburg et al., 2015; Willenbring and von Blanckenburg, 2010a)，进而有望从更大的空间尺度上探讨表生风化过程对全球变化的响应及影响这一重大科学问题(陈骏等, 2001)。目前，Be在边缘海及大洋中的元素循环仍然存在不少未解之谜，这也是笔者今后想要努力“下海”探索的方向。

图7  10Be和9Be入海过程的概念图解，修改自von Blanckenburg et al. (2015)。

本文的认识主要源自作者博士期间的工作，在此感谢同济大学杨守业教授、德国地球科学研究中心Hella Wittmann研究员和Friedhelm von Blanckenburg教授的淳淳教诲和悉心指导。相关问题交流可通过邮箱与作者联系（[email protected]）。欲知更多详情，请进一步阅读相关原始文献。

主要参考文献：

[1] Bacon, A.R., Richter, D.d., Bierman, P.R., Rood, D.H., 2012. Coupling meteoric 10Be with pedogenic losses of 9Be to improve soil residence time estimates on an ancient North American interfluve. Geology 40, 847-850.

[2] Deng, K., Wittmann, H., von Blanckenburg, F., 2020a. The depositional flux of meteoric cosmogenic 10Be from modeling and observation. Earth Planet. Sci. Lett. 550, 116530.

[3] Deng, K., Yang, S., von Blanckenburg, F., Wittmann, H., 2020b. Denudation Rate Changes Along a Fast-Eroding Mountainous River With Slate Headwaters in Taiwan From 10Be (Meteoric)/9Be Ratios. Journal of Geophysical Research: Earth Surface 125, e2019JF005251.

[4] Graly, J.A., Reusser, L.J., Bierman, P.R., 2011. Short and long-term delivery rates of meteoric 10Be to terrestrial soils. Earth Planet. Sci. Lett. 302, 329-336.

[5] Heikkilä, U., Beer, J., Abreu, J.A., Steinhilber, F., 2013. On the Atmospheric Transport and Deposition of the Cosmogenic Radionuclides (10Be): A Review. Space Sci. Rev. 176, 321-332.

[6] Lal, D., 1991. Cosmic ray labeling of erosion surfaces: in situ nuclide production rates and erosion models. Earth Planet. Sci. Lett. 104, 424-439.

[7] Portenga, E.W., Bishop, P., Rood, D.H., Bierman, P.R., 2017. Combining bulk sediment OSL and meteoric 10Be fingerprinting techniques to identify gully initiation sites and erosion depths. Journal of Geophysical Research: Earth Surface 122, 513-527.

[8] Reusser, L.J., Bierman, P.R., 2010. Using meteoric 10Be to track fluvial sand through the Waipaoa River basin, New Zealand. Geology 38, 47-50.

[9] von Blanckenburg, F., Bouchez, J., Ibarra, D.E., Maher, K., 2015. Stable runoff and weathering fluxes into the oceans over Quaternary climate cycles. Nat. Geosci. 8, 538-542.

[10] von Blanckenburg, F., Bouchez, J., Wittmann, H., 2012. Earth surface erosion and weathering from the 10Be (meteoric)/ 9Be ratio. Earth Planet. Sci. Lett. 351, 295-305.

[11] Willenbring, J.K., von Blanckenburg, F., 2010a. Long-term stability of global erosion rates and weathering during late-Cenozoic cooling. Nature 465, 211-214.

[12] Willenbring, J.K., von Blanckenburg, F., 2010b. Meteoric cosmogenic Beryllium-10 adsorbed to river sediment and soil: Applications for Earth-surface dynamics. Earth Sci. Rev. 98, 105-122.

[13] Wittmann, H., von Blanckenburg, F., Dannhaus, N., Bouchez, J., Gaillardet, J., Guyot, J.L., Maurice, L., Roig, H., Filizola, N., Christl, M., 2015. A test of the cosmogenic 10Be (meteoric)/9Be proxy for simultaneously determining basin-wide erosion rates, denudation rates, and the degree of weathering in the Amazon basin. Journal of Geophysical Research: Earth Surface 120, 2498-2528.

[14] Yang, Y.-L., Kusakabe, M., Southon, J.R., 2003. 10Be profiles in the East China Sea and the Okinawa Trough. Deep Sea Res. Part II 50, 339-351.

[15] Zhou, W., Warren Beck, J., Kong, X., An, Z., Qiang, X., Wu, Z., Xian, F., Ao, H., 2014. Timing of the Brunhes-Matuyama magnetic polarity reversal in Chinese loess using 10Be. Geology 42, 467-470.

[16] 杨永亮, 刘振夏, 沈承德, 石学法, 李铁刚, 徐清, 潘静, 程振波, 熊应乾, H.Matsuzaki, 2007. 南黄海、东海陆架及冲绳海槽北部沉积物的10Be和9Be记录. 第四纪研究, 529-538.

[17] 陈骏, 杨杰东海外回国加速器-华人国内视频影音游戏稳定加速, 李春雷, 2001. 大陆风化与全球气候变化. 地球科学进展, 108-114.