地球环境研究所在人类世金钉子候选点位放射性钚同位素年代标尺研究中取得的新进展

20 世纪中叶是全球“大加速”时期，主要表现为人类活动突变式增强，地球演化速率加大，地球环境变化显著，并在地质记录中留下清晰的具有全球同步特性的物理、化学和生物印记。核活动是这一时期关键标志之一，全球大气核武器试验释放的放射性钚同位素（239Pu，240Pu），因其释放时间与“大加速”时期高度吻合，及其全球范围的沉降和长半衰特性等，被认为是标定这一时期最为理想的地层标志物。但目前大气沉降的钚进入沉积物的过程及其在沉积物中的行为和保存机制仍不清晰，从而影响沉积记录和标志年的准确性，限制其作为地层标志物的广泛应用。

中国科学院地球环境研究所侯小琳研究员团队，以物源组成简单、沉积环境清晰的四海龙湾及湖光岩玛珥湖为研究对象，基于建立的高精度年代学框架，使用研究团队建立的环境超低浓度钚同位素的高精度分析技术，通过分析沉积物中年分辨率的239,240Pu水平及其变化，确定239,240Pu作为“大加速”地层标志物的关键标记年，并重建其在湖水中的清除转移以及沉积后的再迁移过程。研究发现1952年10月31日首次大当量大气核武器试验和1961-1962年的全球大气核武器试验最大时期释放的239,240Pu在两个玛珥湖沉积物中均被清晰记录，前者表现为239,240Pu在1953年首次快速增加，后者表现为1963年的浓度峰值。与此同时，因低价态钚同位素具有更强的亲颗粒性以及四海龙湾较高的沙尘通量，使得239,240Pu在还原性四海龙湾玛珥湖中的清除速率更快、峰更窄。而在氧化性的湖光岩中，受风浪扰动作用，已沉降的239,240Pu会部分解析进入湖水后重新沉降，造成深层已沉降239,240Pu的向上转移。

本研究首次系统性论证了钚同位素作为人类活动加剧所致“大加速”的地层标志物的可靠性，为我国四海龙湾玛珥湖参与人类世金钉子国际比对工作提供了坚实、可靠和极具竞争力的年分辨率年代学标尺。该工作为精准标记人类活动对地球系统的影响提供重要理论依据，为未来全球变化研究提供重要时间标尺。研究发现的不同沉积环境对钚累积及保存的影响，为理解全球范围内沉积记录中钚的分布和保存提供新视角。

上述成果发表在Environmental Science & Technology期刊上，文章第一作者为赵雪副研究员，通讯作者为侯小琳研究员。研究得到了国家自然科学基金委（41991252，22306184，22341603），以及中国科学院（132B61ZYLH20230013, XDB40020104, ZDBSSSW-DQC003）多项项目的支持。

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

图 1 四海龙湾 (SHLW) 及湖光岩玛珥湖（ HGY ）沉积 物中 239,240 Pu 的时间变 化及沉降和保存过程