原子阱解锁定年新工具：钙-41测定冰碛暴露年龄

近日，中国科学技术大学蒋蔚教授、卢征天教授团队与黄方教授团队合作，在ScienceBulletin发表了题为“⁴¹Ca exposure dating of glacial moraines”的研究成果。该研究采用原子阱痕量分析方法，首次成功测定了青藏高原冰碛样品中的⁴¹Ca同位素丰度，实现了样品的暴露定年，为研究青藏高原冰川演变提供了全新工具。

图1：⁴¹Ca是一种宇宙成因放射性定年同位素，它可以为冰川地貌等地质环境解读年龄密码，揭开其形成与演化的时间之谜。来源：孙伟伟。

宇宙射线穿越大气层，不断轰击地球表面，会在地表的岩石中产生特殊的核素——“宇宙成因核素”。这些核素就像大自然里的“时钟”，记录了岩石暴露在地表的时间信息。利用这个特性可以研究冰川进退的演化历史。当冰川消退后，原本被冰川覆盖的岩石暴露出来，并开始以特定的速率积累宇宙成因核素。通过测量岩石中这些核素的浓度，科学家就能推断出冰川消失的时间。

钙-41（⁴¹Ca）是一种半衰期为10万年的宇宙成因核素。然而，由于其在自然界中的同位素丰度极低（10⁻¹⁵甚至更低），超过了传统分析技术的探测极限，限制了它的实际应用。

最近，来自中国科学技术大学的研究人员开发了一种基于激光的超灵敏同位素分析手段——“原子阱痕量分析法”（Atom Trap Trace Analysis,简称ATTA）。这项技术能将单个⁴¹Ca原子“捉住”并逐一计数，实现了⁴¹Ca同位素丰度低至10⁻¹⁷的精确测量，解决了⁴¹Ca的探测难题。

图2：位于中国科大的⁴¹Ca原子阱痕量分析装置。来源：孙伟伟。

基于这一技术，研究团队开展了⁴¹Ca暴露定年应用。从青藏高原东部的两处冰川遗迹中采集了花岗岩冰碛样品（即古代冰川退缩后留下的岩石堆积），开展⁴¹Ca分析。测量结果显示，两处冰碛的⁴¹Ca浓度存在显著差异，这表明该区域曾经历过至少两次不同时期的冰川作用。

为了进一步破译这些“⁴¹Ca时钟”读数，研究团队结合过去几万年地球磁场强度和太阳活动的历史变化，重建了⁴¹Ca在岩石中的积累过程。最终，他们确定出冰川遗迹分别形成于约1.3万年前和3.3万年前。此外，团队还将⁴¹Ca与¹⁰Be和²⁶Al联用，更精确地评估了地表侵蚀速率，约束了冰碛的复杂暴露历史。

这是国际上首次用⁴¹Ca暴露定年方法研究冰川地貌，为研究青藏高原冰川演变提供了全新工具。

图3：基于⁴¹Ca的暴露定年方法及其与¹⁰Be、²⁶Al构成的多核素体系，在复杂地表过程研究中的高分辨率优势。

中国科学技术大学蒋蔚教授、黄方教授为该论文的共同通讯作者，中国科学技术大学孙伟伟博士、深空探测实验室明国栋博士为该论文的共同第一作者。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院、安徽省、合肥市的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2026.03.052

（物理学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心、科研部）