20 世紀中葉是全球“大加速”時期，主要表現(xiàn)為人類活動突變式增強，地球演化速率加大，地球環(huán)境變化顯著，并在地質(zhì)記錄中留下清晰的具有全球同步特性的物理、化學和生物印記。核活動是這一時期關(guān)鍵標志之一，全球大氣核武器試驗釋放的放射性钚同位素（239Pu，240Pu），因其釋放時間與“大加速”時期高度吻合，及其全球范圍的沉降和長半衰特性等，被認為是標定這一時期最為理想的地層標志物。但目前大氣沉降的钚進入沉積物的過程及其在沉積物中的行為和保存機制仍不清晰，從而影響沉積記錄和標志年的準確性，限制其作為地層標志物的廣泛應用。中國科學院地球環(huán)境研究所侯小琳研究員團隊，以物源組成簡單、沉積環(huán)境清晰的四海龍灣及湖光巖瑪珥湖為研究對象，基于建立的高精度年代學框架，使用研究團隊建立的環(huán)境超低濃度钚同位素的高精度分析技術(shù)，通過分析沉積物中年分辨率的239,240Pu水平及其變化，確定239,240Pu作為“大加速”地層標志物的關(guān)鍵標記年，并重建其在湖水中的清除轉(zhuǎn)移以及沉積后的再遷移過程。研究發(fā)現(xiàn)1952年10月31日首次大當量大氣核武器試驗和1961-1962年的全球大氣核武器試驗最大時期釋放的239,240Pu在兩個瑪珥湖沉積物中均被清晰記錄，前者表現(xiàn)為239,240Pu在1953年首次快速增加，后者表現(xiàn)為1963年的濃度峰值。與此同時，因低價態(tài)钚同位素具有更強的親顆粒性以及四海龍灣較高的沙塵通量，使得239,240Pu在還原性四海龍灣瑪珥湖中的清除速率更快、峰更窄。而在氧化性的湖光巖中，受風浪擾動作用，已沉降的239,240Pu會部分解析進入湖水后重新沉降，造成深層已沉降239,240Pu的向上轉(zhuǎn)移。
本研究首次系統(tǒng)性論證了钚同位素作為人類活動加劇所致“大加速”的地層標志物的可靠性，為我國四海龍灣瑪珥湖參與人類世金釘子國際比對工作提供了堅實、可靠和極具競爭力的年分辨率年代學標尺。該工作為精準標記人類活動對地球系統(tǒng)的影響提供重要理論依據(jù)，為未來全球變化研究提供重要時間標尺。研究發(fā)現(xiàn)的不同沉積環(huán)境對钚累積及保存的影響，為理解全球范圍內(nèi)沉積記錄中钚的分布和保存提供新視角。
上述成果發(fā)表在Environmental Science & Technology期刊上，文章第一作者為趙雪副研究員，通訊作者為侯小琳研究員。研究得到了國家自然科學基金委（41991252，22306184，22341603），以及中國科學院（132B61ZYLH20230013, XDB40020104, ZDBSSSW-DQC003）多項項目的支持。
Zhao Xue, Hou Xiaolin, Zhou Weijian, et al., 2025. Plutonium marker for the Great Acceleration by intensified human activities. Environ. Sci. Technol. https://doi.org/10.1021/acs.est.4c11841
圖1 四海龍灣(SHLW)及湖光巖瑪珥湖（HGY）沉積物中239,240Pu的時間變化及沉降和保存過程
