2.2.2　宇生核素10Be土壤侵蚀示踪技术

2.2.2　宇生核素 10Be土壤侵蚀示踪技术

2.2.2.1　宇生核素的概念

岩石或土壤由不同的元素组成，岩性和风化条件决定了它们组成元素的差异，这些元素包括原生的化学元素，也有次生的化学元素。次生化学元素的形成机制有多种，其中一部分是由宇宙射线粒子与大气或者岩石中的物质发生反应而生成的稳定的或放射性的化学元素便称为宇宙成因核素，简称宇生核素，如3He、10Be、14C、26Al、21Ne和41Ca等。

宇宙射线粒子与大气物质发生反应生成的核素被称为大气成因宇生核素；另外一种是穿透大气层的次级粒子与地表岩石中的氧、铁和硅等元素发生的反应生成的核素为原地宇生核素。到目前为止，已探知的宇生核素同位素总共有40多种，通过加速器质谱可以测量到的已达9种，相对于其他核素，10Be的半衰期为1.5Ma，在所有宇宙成因放射性核素中具有最长的半衰期，再加上它具有比较稳定的地球化学行为[81]，因此成为环境示踪研究中普遍应用的示踪计。

2.2.2.2　产生机制

大气生成的宇宙的成因的核素10Be，主要由宇宙射线粒子中的次生快中子与大气中的O和N原子发射核散裂反应而产生的，少量的10Be是负μ介子捕获反应生成的。约有70%的10Be产生于同温层，30%的10Be产生于对流层，同温层产生的10Be随纬度增加而增加，对流层的10Be产生率比较稳定。大气生成的宇宙成因核素10Be，会很快吸附在气溶胶颗粒表面，随雨雪和降尘进入地表、河流、湖泊和海洋。

2.2.2.3　大气成因10Be的研究应用

宇宙射线在大气圈不断与靶原子反应而损失能量，仅有少量的次生粒子能穿透大气层到达地表，使得大气成因的产率远高于原地成因10Be产率，原地生成10Be的产率低于大气生成的10Be 2～3个数量级，故最初的研究主要集中于大气成因核素，应用范围涵盖了岩石圈、水圈和大气圈。

通过对比10Be和90Sr发现，10Be从平流层传输到对流层是随时间和纬度变化的，并且受降水量的影响，根据这特点，10Be被广泛地应用于大气示踪环流模式和降雨分布变化[82，83]。通过冰川和湖泊沉积物中10Be的含量变化，确定沉积速率和物质来源、追溯太阳活动、重建古地磁场漂移事件和探求气候变化的影响因素等[17，84，85]。

10Be浓度分布直接与气团运动及粉尘传输有关，是研究风成沉积作用理想的示踪剂，20世纪80年代由我国学者沈承德率先并系统地开展黄土10Be研究，主要研究成果包括黄土10Be的AMS测定[18]、10Be地球化学行为研究[81，86]、洛川黄土剖面2.5Ma以来的10Be记录[86-88]、10Be记录与黄土地层定年[86，89]、10Be记录与气候变化[86，87]、10Be-磁化率模型和黄土石英“就地成因”10Be与源区侵蚀速率[90]，有关论文引起国际学术界重视。近年来，我国学者对10Be的黄土定年和大气传输方面进行了更加深入的研究。顾兆炎等[91，92]通过对黄土高原的黄土、红黏土的土样中大气成因10Be的测量和化学成分的研究，发现在粉尘沉积物风化过程中10Be与9Be和Al都表现出来相似的化学稳定性，不易发生迁移，并且通过进一步研究发现黄土高原约6Ma以来的红黏土和黄土序列中年龄校正的10Be浓度与沉积物粒度和风化程度具有显著的关系，确定了大气成因的10Be不但是古环境变化的示踪剂，还具有确定地质年龄的能力。沈承德等[93，94]对北京沉降的核素10Be和14C空间分布特征进行了研究，另外还通过10Be/7Be示踪物，调查了平流层-对流层输送及其对青藏高原近地面O3的影响。除此之外，沈承德等[95]还对鹤山丘陵综合试验站草坡地剖面上部土壤大气成因10Be和基岩、风化岩石的就地成因的10Be综合测定，估算得到了研究区1.36 Ma年以来的土壤成土速率和平均侵蚀速率。

近20年以来，宇宙成因核素10Be随着技术的进步和研究的深入在地质、环境等领域得到了广泛应用，解决了许多其他技术不能克服的问题。但是，该技术在应用上还存在一些问题，例如区域的10Be沉积速率的变化、10Be在土壤剖面中的迁移变化假设条件的应用，除此之外测试成本高也是限制该技术广泛应用的一个缺点。我国使用大气成因10Be的应用主要集中在黄土高原地区，西南喀斯特地区相关研究并不多见，但是随着相关研究技术的日渐成熟，10Be的应用会进一步扩大。