冰期-澳门新葡亰553311b间冰期印度夏季风的动力学

作者:澳门新葡亰网站注册

原文刊登于《科学中国人》2016年12期 王涵

我国大陆环境科学钻探工程研究取得重大突破

(专家简介:金章东,中国科学院地球环境研究所研究员、黄土与第四纪地质国家重点实验室主任,国家杰出青年科学基金获得者,享国务院政府特殊津贴。1971年5月出生,浙江永康人,南京大学地球化学专业博士。曾为中国科学院南京地理与湖泊研究所创新研究员。2007年4月调入中国科学院地球环境研究所工作。已发表论文160余篇,其中SCI收录论文86篇,EI收录论文32篇。入选中国科学院“百人计划”、科技部中青年科技创新领军人才、“万人计划”科技创新领军人才、中国科学十大进展以及十大地质科技进展等。获国家自然科学奖二等奖、中国科学院朱李月华优秀教师奖、科学中国人年度人物等。)

中国科学院安芷生院士研究群体提出:“冰期-间冰期印度夏季风的动力学”

2008年入选中国科学院“百人计划”,2012年获得国家杰出青年科学基金资助,2014年入选科技部中青年科技创新领军人才,2016年入选第二批国家“万人计划”科技创新领军人才……回国十年来,金章东一步一个脚印、几年一个台阶,每天都以饱满的热情和兴致投入科学研究中。

2011年8月5日,美国《Science》杂志以研究论文形式发表了中国科学院地球环境研究所、黄土与第四纪地质国家重点实验室安芷生院士联合中外科学家获得的原创性重大成果——“冰期-间冰期印度夏季风的动力学”。

如今的金章东,是中国科学院地球环境研究所研究员、黄土与第四纪地质国家重点实验室主任。但作为国内率先开展湖泊流域化学风化研究的学者,多年来,他始终放开眼界,驻足前沿,不断挖掘新“证据”,反演第四纪地质时期的风化—气候真相。“只要是我感兴趣的,我就会去做、去尝试。”他说。

该成果基于中国大陆环境科学钻探工程在青藏高原东南缘鹤庆盆地获取的666米湖泊沉积岩心,利用古地磁和碳-14测年手段,高分辨率测试了岩心的植物花粉、沉积学、地球物理和地球化学等参数,重建了更新世印度季风变迁的历史,揭示了早、晚更新世印度夏季风变率较小,可视为南北半球气候相互作用的结果;而更新世中期印度夏季风变率加大,主要受控于北半球冰量变化。通过印度夏季风变化时间序列精细结构的分析,提出冰期-间冰期南北半球间气压梯度对印度季风环流驱动的重要性,揭示了距今260万年以来印度夏季风非轨道尺度的变迁过程和动力学。

为重建印度夏季风历史提供新视角

《Science》杂志同期为该成果发表了专题评论,认为“古湖泊沉积物的分析对印度季风动力学机制的传统观点提出了挑战”。这一研究从南北半球下垫面变化的角度回答了长期以来尚未解决的冰期-间冰期印度季风动力学的难题,也有助于理解全球变暖情景下印度季风变化及其对我国西南地区气候的影响。

“自然界的任何东西,包括岩石、矿物、树木、建筑等,无时无刻不在风化”,金章东解释道,风化是一种化学反应,它是指物质在水、大气、生物等作用下,形态或者物质组成发生改变的过程。“最重要的是,化学风化是地球表层物质循环的关键过程之一。”

据了解,这是中国科学院地球环境研究所、黄土与第四纪地质国家重点实验室研究群体联合美国布朗大学、中国科学院南京地理与湖泊研究所、日本全球变化研究所和西安交通大学全球变化研究院的中外科学家,经过长期潜心研究、多学科集体攻关获得的原创性成果,也是中国大陆环境科学钻探工程研究的阶段性成果。该项研究获得国家科技部、国家自然科学基金委员会和中国科学院的长期支持。

金章东认为,在一个流域内,岩石风化后的残余经搬运而保留在沉积物里,刚好可以通过分析这些沉积物的组成变化来反演当时的化学风化过程。“风化的另一个重要作用是在风化过程中消耗大气CO2。通常情况下,风化程度越高,消耗的CO2越多,大气中的CO2含量就会降低,气候也会变冷。”当硅酸盐岩、灰岩等经风化溶解到水体中,其中的碳酸氢根会被带到湖泊或海洋中沉淀下来,所吸收的CO2也就被固定在湖泊和海洋沉积物中。这也是学术界重视化学风化的一个重要原因。“最近80万年,从冰心里获得的CO2浓度呈现冰期—间冰期周期变化。间冰期里,气候暖和,气温高、风化作用增强,消耗的CO2多,导致大气CO2含量降低,等低到一定程度就会进入冰期;在冰期,风化作用弱,消耗的CO2少,当大气CO2浓度累积到一定程度,气候又会回暖。”

到底是风化作用先行,还是CO2累积先行?听起来似乎是一个“先有鸡还是先有蛋”的悖论,一直未有定论。然而,2011年8月5日,《科学》刊登的一篇研究论文独辟蹊径,作出了一个新注解。该文章通过对云南鹤庆湖泊沉积岩心获得的印度夏季风变迁时间序列的精细结构及与全球记录对比的深入分析,从新视角提出了“冰期—间冰期印度夏季风动力学”理论,揭示了南北半球冰量和气温引起的跨赤道气压梯度的变化,驱动冰期—间冰期印度夏季风和流域化学风化的变迁,并入选2011年中国科学十大进展和十大地质科技进展

该研究始自2002年。那年夏天,中国科学院南京地理与湖泊研究所的研究团队在云南省鹤庆盆地实施了中国大陆环境科学钻探工程的第一钻。彼时,31岁的金章东刚“出道”,还在“跟钻”,“钻井队打钻时,我在一旁做记录,把他们钻到什么程度,钻出来的是什么地层、岩性等,都一一记录下来。”

尽管当时只跟了一个多月的钻,却成就了金章东与该研究随后十多年的渊源。几年后,当他回国以主要研究骨干的身份重新加入安芷生院士研究团队时,他对该研究的认知已经发生了重大变化。

“印度夏季风环流是由亚洲大陆的印度低压和南印度洋的马斯克林高压组成的气压系统,是地球上独特的、联系南北半球海—气过程的耦合系统,在跨赤道的热量和动能传输方面,其它气候系统无法比拟。”印度夏季风环流的重要性,一直备受瞩目。以往,人们研究长时间尺度印度夏季风演化时,主要利用海洋沉积物展开。虽然海洋沉积物组成变化可揭示构造和轨道尺度印度夏季风的变率和机制,但是对冰期—间冰期印度夏季风变迁及其与南北半球气候的关系一直缺乏深入的认识。

鹤庆盆地纳入中国大陆环境科学钻探的视野并非偶然。位于青藏高原东南缘的鹤庆盆地,受印度夏季风影响颇深。最重要的是,其过去是一个封闭古湖泊,发育着巨厚且连续的湖相沉积物。早在1996年,王苏民研究团队就曾钻取过168米的高质量沉积岩心;2002年获得的666米连续的沉积岩心成为重建冰期—间冰期印度夏季风历史的理想素材。

“印度夏季风在冰期—间冰期尺度上的波动,会导致流域化学风化作用的变化。季风强盛时,气温高、降水多,流域风化增强;进入冰期,季风减弱,气温也低,风化作用也随之减弱,吸收的CO2就少。这意味着,流域风化强度的变化与冰期—间冰期季风变化是同步的。因此,我提出可以将反映风化的Rb/Sr值用来反演季风强度的变化。”金章东说。

经历了十来年的积累,课题组首先利用独立于印度夏季风的铁杉含量进行轨道调谐,建立了可靠的年代标尺,然后提出鹤庆湖泊沉积物有机碳含量和Rb/Sr值可反映印度夏季风强度的变化,即高TOC含量指示强季风,而高Rb/Sr值反映弱季风,并将这两个替代性指标集成为印度夏季风强度的综合代用指标。

通过ISM与全球冰量和南半球温度时间序列相位的对比,他们发现间冰期时,印度夏季风最大值与全球冰量最小值和南半球高温同步;但在冰期,印度夏季风提前,全球冰量最大值自1.4~3.5万年开始增强。这种现象也存在于阿拉伯海的季风记录中。同时还发现,更新世的早期和晚期印度夏季风变率较小,可视为南北半球气候相互作用的结果;而中期印度夏季风变率增大,则主要受控于北半球冰量变化。

以此为基础,他们提出了冰期—间冰期印度夏季风变迁通过XEPG发生“北半球热力牵引和南半球气压推动”的动力学机制,重建了更新世印度夏季风变迁的历史。这一发现向“寒冷冰期北半球冰盖扩张,印度夏季风减弱”等传统观点提出了挑战,也将有助于认识全球变暖情景下我国西南地区季风气候和降水变化的趋势。“这个来自中国的记录提供了丰富的信息,并给出了让人着迷的解释。”《科学》同期评论如是说。

抓住灵感,领衔“湖泊流域化学风化”

1999年,金章东从南京大学博士毕业,进入中国科学院南京地理与湖泊研究所自然地理学博士后流动站工作。博士期间,他研究热液流体演化在金属矿床形成过程中的作用,主要是利用岩石、矿物与各类流体发生水—岩反应过程中元素、同位素的不同特征的地球化学行为,分析金属矿床沉积的元素、同位素地球化学组成变化,来反演热液流体演化。“到湖泊所之后,我希望自己能尽快进入新的角色,并找到一个定位。”金章东开始“琢磨”如何将金属矿床热液沉积的研究思路和方法转向湖泊沉积物方向。

他发现,两者的反应介质都是流体,不同的是,一个是高温热液流体,一个为低温地表流体,即降水和地表水。那么,可不可以通过分析沉积物中的化学组成的变化,来示踪流域经历的气候环境状况及化学风化过程呢?如果可以,湖泊沉积物的组成十分复杂,到底哪一个组成才最敏感呢?

左思右想,金章东想到了陈骏教授(现任南京大学校长、中国科学院院士)1999年发表过的一篇论文,该文认为Rb/Sr值可以作为衡量黄土化学风化强度和东亚夏季风环流强度变化的替代性指标。“Rb和Sr均为典型的分散元素,在自然界中主要以类质同象的形式存在于各类造岩矿物中。二者具有相近的地球化学参数,但在表生地球化学过程中的地球化学性质存在显著差异,常发生分馏。在化学风化过程中,Rb表现稳定,Sr则较为活泼,两相结合可以很好地反映化学风化强度。”

事实上,除了黄土,Rb/Sr值也曾用在深海沉积物以及风化壳研究中。至于能否在湖泊沉积物中使用?以前没有人试过!金章东决定充分利用自己扎实的地球化学理论基础和成矿热液演化的研究思路,做第一个吃螃蟹的人。接过博士后合作导师王苏民研究员给的岱海沉积岩心,他开始分析这个78公分的样品。“实验很简单,经过压片扫描,数据一周就出来了。”真正令他头疼的是,得到的数据趋势与黄土沉积物中的Rb/Sr值曲线似乎相反。什么不一样?是不是做错了?接下来的两三个月,他整个人都沉浸在一连串的“为什么”里。直到有一天,坐在阳台上的他灵光一闪,“黄土中Sr含量低,代表黄土经历的风化程度越强,流失的Sr越多。流失的Sr去哪儿了?不就应该进入湖泊中,最后以沉积物的形式沉淀下来了吗?所以湖泊沉积物中的Sr值越高,代表黄土流失的Sr越多,风化越强呀。”想到这一点,他豁然开朗,思路也愈发清晰,“黄土和湖泊沉积物中的Rb/Sr,好像坐在一架跷跷板上,一个高,另一个必然低。现在说起来简单,当时还是费了脑子的,毕竟那时我对湖泊沉积学知之甚少。”

金章东的“灵光一闪”后,国内外众多学者都开始运用Rb/Sr值的相关机制去解释湖泊沉积物研究中的种种现象,引用十分广泛。然而,当时的他并没有意识到Rb/Sr值反演的湖泊流域化学风化在地表过程和物质循环研究中的重要性,特别是在碳收支方面的关键作用,只单纯地将之视为湖泊沉积物中的一个“标本记录”。直到2009年前后,“湖泊流域化学风化”才慢慢演变成为一个学科方向。不过,不管怎样,他在湖泊沉积物Rb/Sr值和化学风化研究上都慢慢想通了、做熟了。这也是当他介入鹤庆沉积物反演印度夏季风研究之后,自然而然选择该指标的主要原因。

“任何一个指标或组成,都有其不确定性和局限性”,在金章东看来,仅关注Rb/Sr值还不够说服力。“这是一个无机地球化学指标,在反映强季风阶段却有其局限性。我们后来又做了一个TOC指标,刚好相反,它的高值变化能很好地反映强季风,冰期季风时反倒成为稳定的低值。两者互为镜像。通过标准化处理,将它们拧在一起,才把冰期—间冰期尺度的印度夏季风变化幅度完全地展现出来。”安芷生院士高度评价其工作为更新世以来印度夏季风代用指标的重建“做出了关键性贡献”。

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金章东在帕米尔高原考察时与研究生合影

到2012年,国家杰出青年科学基金项目“湖泊流域化学风化研究”立项时,金章东在该方向上的思路已日趋成熟。在该项目中,他和团队针对与青藏高原有关的气候环境效应及其对陆地表生地球化学过程的影响,利用青藏高原内部及周边盆地沉积物连续性强、分辨率高、对气候敏感等特点,通过探讨元素比值和其他环境代用指标,得到了一系列新认识。

“青海湖流域和黄河季节性河水化学均反映了流域化学风化对季风水文过程的敏感响应,以及水文事件对河水化学的巨大影响,揭示了碳酸盐风化对雨季河水水化学的主导作用,而流域风化速率主要受流量和物理侵蚀控制。”金章东说。他还发现,青海湖在末次冰期时基本是干涸的,以风尘黄土堆积为主;近3万年来的最高水位出现在早全新世(即11.5~8.0ka),当时的入湖径流量比现代多两至三倍;随后的8千多年,青海湖水位总体呈降低趋势,沉积物中自生文石累积也逐步降低,粉尘通量则相应地增加,介形类壳体δ18O逐步偏正,均指示了全新世中晚期季风和碳酸盐风化通量逐渐减弱的过程。这些研究不但丰富了流体研究内容,更为“流体—地球化学—时空”三位一体的地球科学研究提供研究实例。

而他联合英美澳学者对2008年汶川地震环境效应及碳收支的研究,则为“构造—风化—气候变化”假说提供了直接而有力的证据。他们首先通过对岷江、沱江、涪江三大河流16个站点地震前后悬浮物通量的比较,利用卫星影像图绘制了滑坡地图,计算得到滑坡物质的体积,评估了2008年汶川地震对河流输沙量的控制过程和可能的影响时间。结果表明,相对于地震前,3条河流的输沙量增加了3至7倍。根据2008年至2012年期间3条河流的年平均输沙速率,发现由滑坡产生的泥沙将在面积约7万平方公里的流域内停留数十到数百年,仅仅清空粒径小于25毫米的细颗粒即需要30多年,粗颗粒可能持续千年以上。

更重要的是,该研究还发现,不同流域里滑坡泥沙的滞留时间差别很大,从几年到数百年,离断裂带越近、河流径流越小的流域,泥沙滞留时间越长。综合其他地区地震产生滑坡物质输移的时间和气候条件表明,滑坡物质在流域的滞留时间,不但取决于流域内滑坡数量,还与每年高强度的径流天数紧密相关。

他们的研究进一步发现,汶川地震之后岷江河水中硅酸盐组分和碱度均显著增加,这些组分的增加可能主要与深部地下水的释放和包括滑坡在内的新鲜破碎岩石的快速淋滤风化有关。此类变化也存在于滑坡较少的地震区域,因此深部地下水的释放可能是地震后多年来河水中硅酸盐组分和碱度系统增加的主导因素。该成果首次为量化高强度构造事件对流域风化作用的直接影响及其碳消耗提供最直接、可靠的数据。

以这些开创性的研究为基础,到2015年年底对该项目进行中期评估时,金章东团队已在国内外学术刊物发表论文32篇,其中SCI检索论文24篇,EI检索论文5篇,CSCD论文8篇,获批实用新型专利2项。其阶段性成果也令评审组为其亮出了“优秀”的成绩。

脚踏实地,做“开放型”学者

2003年11月,当金章东以英国皇家学会访问学者的身份踏进剑桥大学时,还是“懵懂青年”。这种“懵懂”在于,对他自己的科研生涯还没有清楚的认知。而两年的剑桥生活,留给他的关键词就是“open”。

金章东的合作者之一,澳大利亚国立大学于际民博士曾经这么描述他在剑桥的经历:导师不直接定方向,而是让你自己通过阅读文献和资料提出研究方案来讨论。辛辛苦苦整理提交的方案也许不过两句话就被否定,又得重新去寻找和完善,等到真的确定了方向,已经一年多了。

“我们的经历很相似”,金章东说,他的合作导师、英国皇家学会会士Mike Bickle教授是一个思路非常活跃和开放的学者,其研究方向遍及地幔、变质作用、地表风化、海洋等10多个研究领域,很少会给学生布置重复的东西。“这让我有一种动力一直跟新鲜的东西打交道。”潜移默化之下,他将导师的风格学了个十足。

“每个研究生入学之初,甚至报考之前,我就会与其交流并讨论他/她对科学研究的认识,然后根据他们的专业背景和兴趣选择研究方向。”金章东相信,兴趣才是研究的第一要素。因势利导之下,他团队里的研究生基本上每人一个相对独立的小方向,再通过组织经常性的讨论交流,来有的放矢地深入钻研,让他们对不同方向有所了解,开阔思路,激发新的灵感。

金章东有一句“名言”——试验、去试验,一次又一次反复的试验就是研究(Re-search)!由于研究的性质,他们每年的野外和实验分析工作很多,也比较辛苦,但学生们都乐于开展野外考察和监测工作,在一次次实地考察中锻炼“眼力”激发“灵感”。为了研究汶川地震环境效应,从2009年下半年起,他就带领团队在四川龙门山一带开展系统的野外考察,采集河水和悬浮物样品。“有一次,学生给我打电话说那边的水文站正准备烧掉前几年的悬浮物样品,问我要不要。我毫不迟疑地说,当然要啦!”最后用一万块钱收购了5个水文站的这批珍贵样品,租了一辆卡车用十几个箱子运回西安。“2005~2008年的河流悬浮物,每一天的都有。这是汶川地震前的样品啊,没有了它们,后面的对比,我们就做不了。”谈到这里,他至今仍很激动,这批样品在国内是“独一份”,万一当时学生没有留意到,或晚去几天,都会失之交臂。

这样的“有心”,金章东很欣慰,“我会尽可能给学生和团队成员提供平台和条件,但最后发展成什么样子,我不可能每一步都帮你规划好。”

记者眼中的金章东,学生答辩时嗓子不舒服,他会示意旁边的人给倒水;学生有烦恼与他倾诉时,他会告诉他们“还有我呢”。他会因为样品出问题,为学生重新规划方向,让人顺利毕业。他也会因为在分析样品时看到里面有硅藻,特别招收一位研究硅藻的学生,只为充分利用样品。为了学生,“不懂硅藻”的他专门在北京聘请了一位行家担任第二导师,眼见学生进展不错,又为她联系国外的offer。“我希望他们每个人都跟我不一样”,他说。

金章东所在的黄土与第四纪地质国家重点实验室,是我国在国际学术舞台上的一面旗帜。作为实验室主任,他要做的从来都不止是自己的进步,还希望能为我国第四纪地质学科的发展培养更多的人才,推动该领域的长足进步。“压力很大,但是旗帜决不能倒下。”

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