亚搏娱乐app地环所关于"印度季风动力学"研究论文在《Science》上发表

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。)

亚搏娱乐电子官网,亚搏娱乐app,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。”

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