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钟情岩石地球学揭密地球DNA

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野外采样前,刘燊为学生介绍地质概


如果说地球是宇宙的细胞,那么岩石即为地球的细胞。通过一块块形态内容各异的岩石找到地球的基因密码,这件事听起来很酷,但做起来却没那么容易。

刘燊,西北大学地质学系教授,主要研究领域为岩石地球化学。

为野外地质勘探,他和团队屡次克服高原反应,在严酷的地质和天气条件下顽强坚持;在西藏自治区改则县一次野外采样过程,他们甚至需要“与狼共舞”,突然有三只饿狼将采样车包围!在此危急时刻,多亏藏族司机经验丰富,用藏民独有的方式驱散了饿狼,使得这次勘探最终有惊无险……

劳累、伤病、挑战生理极限甚至直面危险——对地质学者来说,都不是让他们放弃研究和追求的理由,相比之下,坚持和执著才是刘燊近20年最终的抉择。

刘燊教授是我国较早开展藏北新生代火山岩和埃达克岩、中国东部和华北克拉通中生代以来基性岩和碱性岩研究的中青年学者之一。他首次发现西藏北部羌塘地体新生代一套埃达克质火山岩,并初次证明了该套埃达克岩的成因,此研究为青藏高原的快速隆升提供了可能的岩石学证据;他确定了藏北羌塘地区中新生代火山岩的精细年代学格架,为进一步的研究提供了重要的时间格架制约;他从地质特征入手,对中国东部和华北克拉通中生代以来基性岩墙群开展了精细的年代学及系统地球化学研究,并取得了许多创新性成果和认识。

历年来,刘燊共主持参加国家及省部级科研项目16项,共发表学术论文140余篇(SCI论45篇),出版专著3部(英文专著2部,中文专著1部),并入选 “陕西省第六批百人计划”,获贵州省科学技术进步奖一等奖、“侯德封矿物岩石地球化学青年科学家奖”和中国青年地质科技奖。


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刘燊于加拿大交流访问期间


羌塘探密,屹立世界屋脊之巅

羌塘,在藏语中是“北方高地”的意思,特指藏北高原,汉语中加个高原的后缀,而称羌塘高原。它位于昆仑山脉、唐古拉山脉和冈底斯山脉之间,面积达60万平方公里,平均海拔5000米左右,为青藏大高原的主体部分,是我国地势最高的一级台阶,被称为“世界屋脊的屋脊”。在20世纪下半叶前,该地区从未有人类永久定居,它也是我国高原现代冰川分布最广的地区。

羌塘是中国五大牧场之一,在那一望无际的草原上,到处分布牧民赖以生存的牦牛和羊群,处处可见牧民栖息之所——帐篷。牧民们在此创造了梦幻迷离、色彩斑斓的游牧文化,不仅有远古岩画,也有众多古象雄王国的遗址,英雄格萨尔王的足迹及故事遍布藏北,玛尼堆、经幡和古塔随处可见,为苍芒的大草原增添了几分神秘的色彩,著名的唐蕃古道贯穿南北。

在地质学家的眼中,羌塘不仅是野生动植物的天堂,同时也是一个具有丰厚沉积层的文化沃土。

羌塘地区新生代岩浆岩(特别是火山岩)分布异常广泛,包括两类重要的火山岩省[注](西羌塘岩省-喀喇昆仑-西昆仑-北昆仑岩省-鱼鳞山、巴毛穷宗、波涛湖和枕头崖岩省)。火山岩主要划分为钠质碱性玄武岩系列、高钾钙碱性系列、白榴石碧玄岩系列和钾玄岩系列。

目前,青藏高原的地质研究(特别是高原的隆升)已受到全球地质界的广泛关注,但对高原隆升机制和时间仍存在明显的争议。羌塘除广泛发育的岩浆岩外,其典型构造分布也异常广泛,系统的地质研究对青藏高原地质历史追踪具有非常重要的意义。

刘燊教授对地球化学和岩石学研究有着深厚情感。1998年,他毕业于长春科技大学(原长春地质学院)地质勘查专业,并考取本校岩石学专业硕士研究生;2001年考入中国科学院地球化学研究所继续攻读博士学位;2003年到香港大学地质学系访问研究;2004年获得博士学位;2009年到加拿大University of Regina进行学术访问研究;2013年到台湾国立大学开展学术访问研究。

在这片神秘的古老高原上,刘燊教授自硕士研究生阶段,就开始涉猎羌塘新生代火山岩精细年代学和成因类型的研究和探讨。

“新生代火山岩和华北中生代基性岩墙群的年代学和地球化学研究,不仅对地质学发展有推动作用,而且对矿产资源的勘探有很重要的作用。”刘燊教授表示。

羌塘大部分为无人区,海拔高度和交通条件致使研究者很难适应,在以往研究中,最大的难点和挑战是如何适应研究区的自然环境。通过坚持不懈的努力,在已有研究基础上,刘燊取得了诸多重要的研究成果。

刘燊首次发现西藏北部羌塘地区新生代一套埃达克质火山岩:羌塘走构油茶错和多格错仁新生代火山岩为典型的埃达克岩,并初次证明该套埃达克岩的成因:拆沉下地壳部分熔融作用的产物。这一成果为青藏高原的快速隆升提供了可能的岩石学证据;另外,确定了藏北羌塘地区中新生代火山岩的精细年代学格架为:18-33 Ma,为后期研究提供了重要的时间制约。


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刘燊为来访者讲解地质样品知识


地质学研究带来的价值追寻

与应用型研究不同,基础研究常常因其与现实联结不够紧密,而时常面临“有什么用”的追问。

在刘燊教授看来,地质学研究特别是岩石成因和构造机制的探讨,一方面让人们认识其可能的形成过程和经历的动力学环境,为后期研究奠定科学基础;另一方面,研究成果可为人们对后期利用作出重要指导。研究岩石的成因和演化成果可应用于矿床学、构造地质学和工程地质学等学科;同时,地质学所指导的地质矿产资源勘探是人类社会生存与发展的根本能量源泉。根据岩石的结构、构造、产状、岩性和岩石组合等寻找矿产资源,满足人们对石油、煤炭、金属和非金属等矿产资源的需求,则有着更为紧迫的现实意义。

基于对地质学深沉的情怀,刘燊教授的科研道路严谨踏实、充满热忱。基性岩墙为源于地幔的一系列呈脉状或岩墙状产出的超基性(如钾镁煌斑岩、碳酸岩)-基性(如辉绿岩、煌斑岩和汇率玢岩)岩石组合,通常以群状侵位,为陆块伸展甚至裂解的关键遗迹,对古陆块的伸展减薄乃至裂解破坏具有重要的示踪意义。2011年,刘燊从年代学和岩石地球化学方面对山东地区燕山期基性岩墙群开展了持续近9年的研究,在已有研究和野外地质观察基础上,从基性岩墙地质特征入手,以多元同位素体系精确测年和地球化学特征为主要手段,对鲁西和胶东集中发育的燕山期基性岩墙群的形成时代进行了系统研究。2012年,刘燊教授回到故乡西安,任职于西北大学地质学系,在地幔岩浆作用与华北克拉通破坏、同位素地质年代学和地球动力学领域开展了长足的研究。

克拉通是大陆地壳长期稳定的构造单元,即大陆地壳中长期不受造山运动影响相对稳定的部分。华北克拉通是中国境内独具特色的大地构造单元,作为典型的克拉通,华北克拉通破坏已引起高度关注,研究程度和成果日益得到改进和完善。华北克拉通破坏的研究,对认识和揭示克拉通破坏对大陆形成演化和地球圈层相互作用,可为资源战略预测和地震灾害预防提供新的思路和科学依据。

通过系统研究,刘燊教授和其团队已取得了满意的研究成果,如,华北克拉通中生代岩石圈伸展可分为六期:140-130 Ma、120-110 Ma、100 Ma、90-85 Ma、75 Ma和50-45 Ma。另外,提出新的岩石成因模式——岩石圈拆沉作用。该成因模式的提出,对同时华北克拉通破坏机制具有很好的指示意义和价值。

目前,刘燊教授研究团队正集中对郯庐断裂带和大兴安岭-太行山重力梯度带中生代基性岩墙群年代学和地球化学研究。中生代以来,上述构造区皆发生了一定程度的伸展活动,但对其伸展的时间和机制仍不清晰。目前,该团队已初步对两构造带伸展时间、期次和机制有了初步认识。

通过近20年的研究和探索,让刘燊教授感觉到,岩石学研究是地质研究的基础和探针,通过其证据获得,可为较多的地质问题和现象(如构造和动力学历史和发展)提供可信的直接证据。

这种浓厚的兴趣成为刘燊教授在本学科领域不断前行的动力,而已有的研究成果,更使他对未知世界产生了强大的自信——毕竟,神秘的地球,还有更多的谜题等待探寻。


[注]:在地球科学中,人们把那些在极短的地质时间内喷出地表的岩浆产物称之为“大火成岩省(Large Igneous Province)”,指连续的和体积庞大的火成所构成的巨型岩浆岩构造。