《科技创新与品牌》杂志社创新成果

倾听来自远古的声音

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2001年在高原南部中央伦坡拉盆地

翻开世界地图,找到北纬30度,从西向东依次是北非、中东、中国长江中下游、北美。

这其中的大部分地区,都是干旱的荒漠及沙漠地区,只有中国长江中下游气候湿润、物产丰盈,为什么?要知道,大约3000万年之前,长江中下游也曾处于干旱炎热之中,如同今天的撒哈拉荒漠。

多年来,越来越多的研究将这个问题的答案指向青藏高原。是它的隆起导致了中国季风气候的形成,进而造成了地球同一纬度完全两种气候的现状。

如今,这一观点已经得到越来越多的人认可。但这始终只是一个概念模型、一个假说。青藏高原的隆升到底是何时、怎样发生的?它的隆升又是如何影响气候环境的?科学家们至今仍未给出系统的、准确的科学证据,甚至存在不同的学派观点。

中国科学院青藏高原研究所方小敏研究员的工作,就是考察、采集分析样品,寻找科学证据,以精确的年代控制和定量连续记录,证明青藏高原隆升与气候变化之间的确切关系。

30多年,2部合作专著,近400篇科学论文,一系列系统性、原创性的成果发现,不仅为方小敏和团队赢得了国家自然科学基金委创新研究群体科学基金的支持和国家自然科学奖二等奖的殊荣,更将他们推到了青藏高原隆升与气候变化研究的国际舞台上,成为推动中国自然地理科学前进的有生力量。

如今,方小敏是世界范围内该领域的学科带头人之一,他说,我们要做的还有很多。

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探寻地层岩石的“基因”

1983年,方小敏毕业于兰州大学地质地理系地质学专业。从这一年,他真正开始青藏高原研究,硕士、博士、助教、副教授、教授、博士生导师……伴随个人成长的,是研究的逐渐深入与拓展。

从长远来看,方小敏的核心工作,就是研究长期气候变化的规律与机制,及其所产生的影响,并在此基础上分析、预测今后气候变化的趋势和生态环境的适应规律,达到预警的作用。青藏高原地区作为一个典型区域,是他们的重要研究对象。

青藏高原是世界上最高、最年轻的高原,它的隆起和形成,是新生代亚洲地质史上最重大的地质事件。“青藏高原上任何环境因素的变化,都会对我国、亚洲地区乃至全世界的气候产生影响。”方小敏举例,青藏高原前一年的积雪量,会影响第二年长江中下游的降雨量,如果前一年青藏高原雪量大,第二年长江中下游的雨量就会偏多。同样,高原地区的风沙或沙尘暴发生情况,也会对亚洲季风区和太平洋的生物化学过程产生影响。对青藏高原气候变化的研究,已经成为如今的热点研究方向。

方小敏的研究方向是青藏高原隆升与气候环境变化,然而他最开始从事的,以及走到今天投入大半精力研究的却是地层岩石。

“我做的第一件事,就是跟随李吉均院士测地层,解决青藏高原东北部的精确年代问题。”方小敏所说的测地层,就是实地深入青藏高原地区,采集地质样品,再通过样品磁性成分和方向的分析测定确定地层所属年代。

确定地层精确年代,建立年代序列,是进行青藏高原研究的第一步。之后才是建立高原构造变形隆升序列,即构造变形规律;建立重大生态环境变化事件序列,即气候环境变化规律;有了这些,才能对比分析出这些序列之间的联系,找出高原隆升与气候变化之间存在联系的确凿证据。

作为国内最早开展这一研究的团队,在资料匮乏、资金紧张、人员有限的情况下,他们最初的工作推进万分艰难。“从1983年开始研究,到1995年才有比较明确的认识和论文发表,2000年左右才开始有比较多的系统进展,集中发表论文。”那是最艰难,也最快乐的时候。

2005年,方小敏调入中科院青藏高原研究所,得以在更大的平台上将原本的研究内容深入推进。

到今天,33年过去,原本的团队已从先驱者转身成为领军者,方小敏也已成长为世界范围内该领域的学科带头人之一,并带出了自己的团队。

方小敏(右一)在4500多米的柴达木山上度过50岁生日.jpg 

方小敏(右一)在4500多米的柴达木山上度过50岁生日

为“假说”正名

解决青藏高原精细年代测定问题,确定青藏高原隆升与气候变化之间的科学联系,为了这一目标,方小敏带领团队进行了三十余年的积累。

这一工作的缘由是为了证明一个概念模型,也就是“假说”——上世纪70到80年代,李吉均院士等通过青藏高原科学考察和综合集成研究,原创性地提出了高原隆升时间、形式和幅度及其环境效应的框架性概念模型,成为国际上高原隆升模型的主要学派之一。

方小敏所开展的工作,就是为这个概念模型提供科学的精细化和定量化证据支撑。尽管已经有先前的研究基础,但这仍不是一个容易完成的工作。

“原来的测定是做到了三千万年,这次我们要推进到五千多万年,要做透。”方小敏说,做透是一方面,另一方面还要做全、做系统。青藏高原区域包括多个盆地,每个盆地的具体情况都不一样,要获得全面、客观的数据和证据,就要每个区域都覆盖到。而要做系统,就需要系列证据的支撑,比如盆山耦合特征、水系演化特征、孢粉等生态气候记录变化、地层沉积物剥蚀记录、矿物风化记录等等,每一项证据的获得都需要长期、深入的研究。

最终他们确定了青藏高原东北部的临夏盆地、贵德-西宁盆地、酒泉盆地和柴达木盆地为该区域的代表,分别深入盆地系统采集样本,再大小地层岩石一起带回北京进行分析研究。

多少天风餐露宿,多少次险中求全,多少次废寝忘食,终于换来了系列研究成果——他们首次用精细年代控制和多指标连续记录确定了青藏高原东北部新生代地层年代序列、重大构造变形隆升事件序列、重大风化剥蚀事件序列、黄河上游形成演化过程和重大生态环境变化事件序列,明确指出了几千万年以来该区隆升过程和环境效应之间的可能联系,建立了两者之间更加清晰的关系模型。

用方小敏的话说,他们解决了三个问题:高精度年代测定、高原晚期隆起的构造过程,隆起过程中的气候变化记录。而在背后支撑这简单三句话的,是377篇论文(SCI收录177篇,EI收录47篇,CSCD收录190篇)。

这一成果不仅推动了我国青藏高原与环境效应的研究,更对相关国际研究产生重要影响,比如它使国际更加关注构造隆升与气候环境效应和大江大河演化,使一些新的年龄节点(如360万年)成为国际构造—气候相互作用的关注点,更将青藏高原东北部推到了国际高原研究的前沿热点。

他们提出的高原隆升与环境效应概念模型,被写进美国教科书,被包括Nature在内的SCI他引3492次,被CSCD他引3113次,单篇最高他引191次,2014年来连续三年入选Elsevier出版社发布的中国高被引学者榜单;临夏盆地记录的高原东北部隆起和气候变化被2004年GeoTime杂志点评为当年全球盆地研究亮点,被国际一流学者综述论文图文引用,认为是来自高原北部不多确定性的构造隆升证据。

因为这一系列成果,他们被国际会议特邀报告10次、大会和分会主席12次、国际组织任职3人次;2次获得教育部一等奖、2人获得国家杰出青年基金和中科院“百人计划”。

特别值得指出的是,2011年,方小敏领衔完成的“晚中新世以来青藏高原东北部隆升与环境变化”项目获得国家自然科学奖二等奖,负责的团队2010年获得国家自然科学基金委创新研究群体科学基金的支持。

 

从青藏高原到全球气候环境

因为方小敏团队在青藏高原隆升与气候变化领域所作出的突出成绩,他们得到了更多的关注与支持,也赢得了更多的机会。

2013年1月,他们开始承担国家重大科学研究计划全球变化研究计划项目“中国西部大陆剥蚀风化与青藏高原隆升和全球变化的关系”,方小敏任首席科学家。

这是一个举全国优势资源合力开展的项目。

项目汇集了中科院青藏高原研究所、中国科学院地质与地球物理研究所、地球环境研究所、地球化学研究所、兰州大学、天津师范大学等多家单位的精干团队,几乎就是该研究领域的“国家队”。

这是一个科学意义与政治意义并重的项目。

项目旨在通过开展中国西部近现代风化过程与碳循环、新生代剥蚀记录与有机碳埋藏、新生代硅酸盐化学风化历史与CO2消耗通量、以及青藏高原隆升与剥蚀风化和全球变化相互作用等研究,从不同时间尺度上揭示我国西部大陆剥蚀风化通量变化及其碳消耗变化规律,了解自然界对大气CO2的自我调节机制,探讨高原隆升对全球变化的影响,形成可能的、新的理论突破。如果能够成功建立“高原隆升—大陆风化—全球变化”新的理论模型,不仅能够提升中国科学研究的影响力,更可以为全球快速变暖环境下我国气候和生态环境变化的影响与对策、国家碳排放谈判,提供坚实的地质理论支撑。

这是一个实际做起来比想象中难很多的项目。

在国际上,新生代长尺度的记录主要来自海洋,陆地的气候记录很少。我们的科学家所选择的几乎是一个空白领域。这决定了他们的每一步推进,都需要科学详尽的数据支撑,每一句观点,都需要一系列文章“撑腰”,正如方小敏所说:“我们说话都是要讲证据的”。

这同样是一个硕果累累的项目。

临近结题,虽比预期进展要艰难许多,但仍有不少重要进展,比如:

(1)定量估算了青藏高原不同气候区岩石风化侵蚀速率和碳通量,揭示了季风区碳酸盐和西风区碳酸盐与蒸发岩是区域风化的主体,硅酸岩风化较低,整体西风干旱区风化低于季风湿润区1~2个数量级;高原中部湖泊是碳源,而入湖河流为碳汇;剥蚀对风化强度有明显控制作用。

(2)初步建立了青藏高原东南部印度季风区、东北部东亚季风区和北部西风干旱区新生代年代地层序列、重大剥蚀事件序列和重大构造变形隆升事件序列,首次从构造尺度和近现代尺度共同初步揭示出构造是剥蚀事件发生的主控因子,新生代全球温度变化控制了化学风化强度变化。

(3)首次高精度获得了我国P/E事件(新生代历史中一次与现在升温速率最相似的全球快速升温事件)时期陆相记录,发现陆相煤层中P/E事件的存在和风化增强现象,从而为陆源生态系统在快速增温下的响应和当前为碳排放增加及自然反馈机制的研究提供了扎实的理论基础。

…………

现阶段,他们正将相关研究进一步细化、总结。他们的成果也已在相关领域产生了积极的影响,在与国内外同行的交流过程中得到了很高的评价。

 

“高危职业”的进击

采访中,应要求,方小敏回忆了很多出野外的难忘经历——

有工作太猛导致高原反应强烈不敢睡觉,也有通过祁连山斜坡陡坎时的有进无退险中求全;有不慎从高处滑落、跌落,也有连夜开车从高原中央无人区伦坡拉盆地奔袭至拉萨求医;有在临夏盆地红层陡坡学会“顺溜”跑坡新技能,更有在4500多米的柴达木山上度过的只有饼子、凉水与“战友”陪伴的50岁生日……

这些或惊险或心酸的过往,在他口中都成了“有趣”的故事。在每年两三个月出野外的日子里,这些故事时有发生。

我们调侃这是个“高危职业”,方小敏却说:“搞这个行业本来就是与风险相伴的,只有万分小心。”每次出高原野外,他都会叮嘱再三:绝不能跑,去哪都要一步步走;绝不能表现,要匀着干,哪怕慢一点。一切都是为了安全的去,安全的回,因为在险恶的高原环境里,任何一点疏忽都有可能致命。

尽管说着“高危”“后怕”,但方小敏却没想过停下脚步,反而更加乐在其中,下一步的工作也都已安排好。“我们接下来要开始做青藏高原南部和东南部印度季风区的研究,会去尼泊尔喜马拉雅山出野外,实地采样,还是老规矩,先做地层年代!”