金章東：穿越“沉積”看“風(fēng)化”

本刊記者 王 涵

專家簡介：

金章東，中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所研究員、黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗室主任，國家杰出青年科學(xué)基金獲得者，享國務(wù)院政府特殊津貼。1971年5月出生，浙江永康人，南京大學(xué)地球化學(xué)專業(yè)博士。曾為中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所創(chuàng)新研究員。2007年4月調(diào)入中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所工作。已發(fā)表論文160余篇，其中SCI收錄論文86篇，EI收錄論文32篇。入選中國科學(xué)院“百人計劃”、科技部中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、“萬人計劃”科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、中國科學(xué)十大進(jìn)展以及十大地質(zhì)科技進(jìn)展等。獲國家自然科學(xué)獎二等獎、中國科學(xué)院朱李月華優(yōu)秀教師獎、科學(xué)中國人（2015）年度人物等。

2008年入選中國科學(xué)院“百人計劃”，2012年獲得國家杰出青年科學(xué)基金資助，2014年入選科技部中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才，2016年入選第二批國家“萬人計劃”科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才……回國十年來，金章東一步一個腳印、幾年一個臺階，每天都以飽滿的熱情和興致投入科學(xué)研究中。

如今的金章東，是中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所研究員、黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗室主任。但作為國內(nèi)率先開展湖泊流域化學(xué)風(fēng)化研究的學(xué)者，多年來，他始終放開眼界，駐足前沿，不斷挖掘新“證據(jù)”，反演第四紀(jì)地質(zhì)時期的風(fēng)化—?dú)夂蛘嫦??！爸灰俏腋信d趣的，我就會去做、去嘗試?！彼f。

為重建印度夏季風(fēng)歷史提供新視角

“自然界的任何東西，包括巖石、礦物、樹木、建筑等，無時無刻不在風(fēng)化”，金章東解釋道，風(fēng)化是一種化學(xué)反應(yīng)，它是指物質(zhì)在水、大氣、生物等作用下，形態(tài)或者物質(zhì)組成發(fā)生改變的過程?！白钪匾氖?，化學(xué)風(fēng)化是地球表層物質(zhì)循環(huán)的關(guān)鍵過程之一?！?/p>

金章東認(rèn)為，在一個流域內(nèi)，巖石風(fēng)化后的殘余經(jīng)搬運(yùn)而保留在沉積物里，剛好可以通過分析這些沉積物的組成變化來反演當(dāng)時的化學(xué)風(fēng)化過程?！帮L(fēng)化的另一個重要作用是在風(fēng)化過程中消耗大氣CO2。通常情況下，風(fēng)化程度越高，消耗的CO2越多，大氣中的CO2含量就會降低，氣候也會變冷?！碑?dāng)硅酸鹽巖、灰?guī)r等經(jīng)風(fēng)化溶解到水體中，其中的碳酸氫根會被帶到湖泊或海洋中沉淀下來，所吸收的CO2也就被固定在湖泊和海洋沉積物中。這也是學(xué)術(shù)界重視化學(xué)風(fēng)化的一個重要原因?！白罱?0萬年，從冰心里獲得的CO2濃度呈現(xiàn)冰期—間冰期周期變化。間冰期里，氣候暖和，氣溫高、風(fēng)化作用增強(qiáng)，消耗的CO2多，導(dǎo)致大氣CO2含量降低，等低到一定程度就會進(jìn)入冰期；在冰期，風(fēng)化作用弱，消耗的CO2少，當(dāng)大氣CO2濃度累積到一定程度，氣候又會回暖?！?/p>

到底是風(fēng)化作用先行，還是CO2累積先行？聽起來似乎是一個“先有雞還是先有蛋”的悖論，一直未有定論。然而，2011年8月5日，《科學(xué)》刊登的一篇研究論文獨(dú)辟蹊徑，作出了一個新注解。該文章通過對云南鶴慶湖泊沉積巖心獲得的印度夏季風(fēng)變遷時間序列的精細(xì)結(jié)構(gòu)及與全球記錄對比的深入分析，從新視角提出了“冰期—間冰期印度夏季風(fēng)動力學(xué)”理論，揭示了南北半球冰量和氣溫引起的跨赤道氣壓梯度（XEPG）的變化，驅(qū)動冰期—間冰期印度夏季風(fēng)和流域化學(xué)風(fēng)化的變遷，并入選2011年中國科學(xué)十大進(jìn)展和十大地質(zhì)科技進(jìn)展。

該研究始自2002年。那年夏天，中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所的研究團(tuán)隊在云南省鶴慶盆地實(shí)施了中國大陸環(huán)境科學(xué)鉆探工程的第一鉆。彼時，31歲的金章東剛“出道”，還在“跟鉆”，“鉆井隊打鉆時，我在一旁做記錄，把他們鉆到什么程度，鉆出來的是什么地層、巖性等，都一一記錄下來?！?/p>

盡管當(dāng)時只跟了一個多月的鉆，卻成就了金章東與該研究隨后十多年的淵源。幾年后，當(dāng)他回國以主要研究骨干的身份重新加入安芷生院士研究團(tuán)隊時，他對該研究的認(rèn)知已經(jīng)發(fā)生了重大變化。

“印度夏季風(fēng)環(huán)流是由亞洲大陸的印度低壓和南印度洋的馬斯克林高壓組成的氣壓系統(tǒng)，是地球上獨(dú)特的、聯(lián)系南北半球海—?dú)膺^程的耦合系統(tǒng)，在跨赤道的熱量和動能傳輸方面，其它氣候系統(tǒng)無法比擬?！庇《认募撅L(fēng)環(huán)流的重要性，一直備受矚目。以往，人們研究長時間尺度印度夏季風(fēng)演化時，主要利用海洋沉積物展開。雖然海洋沉積物組成變化可揭示構(gòu)造和軌道尺度印度夏季風(fēng)的變率和機(jī)制，但是對冰期—間冰期印度夏季風(fēng)變遷及其與南北半球氣候的關(guān)系一直缺乏深入的認(rèn)識。

鶴慶盆地納入中國大陸環(huán)境科學(xué)鉆探的視野并非偶然。位于青藏高原東南緣的鶴慶盆地，受印度夏季風(fēng)影響頗深。最重要的是，其過去是一個封閉古湖泊，發(fā)育著巨厚且連續(xù)的湖相沉積物。早在1996年，王蘇民研究團(tuán)隊就曾鉆取過168米的高質(zhì)量沉積巖心；2002年獲得的666米連續(xù)的沉積巖心成為重建冰期—間冰期印度夏季風(fēng)歷史的理想素材。

“印度夏季風(fēng)在冰期—間冰期尺度上的波動，會導(dǎo)致流域化學(xué)風(fēng)化作用的變化。季風(fēng)強(qiáng)盛時，氣溫高、降水多，流域風(fēng)化增強(qiáng)；進(jìn)入冰期，季風(fēng)減弱，氣溫也低，風(fēng)化作用也隨之減弱，吸收的CO2就少。這意味著，流域風(fēng)化強(qiáng)度的變化與冰期—間冰期季風(fēng)變化是同步的。因此，我提出可以將反映風(fēng)化的Rb/Sr值用來反演季風(fēng)強(qiáng)度的變化。”金章東說。

經(jīng)歷了十來年的積累，課題組首先利用獨(dú)立于印度夏季風(fēng)的鐵杉含量進(jìn)行軌道調(diào)諧，建立了可靠的年代標(biāo)尺，然后提出鶴慶湖泊沉積物有機(jī)碳（TOC）含量和Rb/Sr值可反映印度夏季風(fēng)強(qiáng)度的變化，即高TOC含量指示強(qiáng)季風(fēng)，而高Rb/Sr值反映弱季風(fēng)，并將這兩個替代性指標(biāo)集成為印度夏季風(fēng)強(qiáng)度的綜合代用指標(biāo)（ISM）。

通過ISM與全球冰量和南半球溫度時間序列相位的對比，他們發(fā)現(xiàn)間冰期時，印度夏季風(fēng)最大值與全球冰量最小值和南半球高溫同步；但在冰期，印度夏季風(fēng)提前，全球冰量最大值自1.4～3.5萬年開始增強(qiáng)。這種現(xiàn)象也存在于阿拉伯海的季風(fēng)記錄中。同時還發(fā)現(xiàn)，更新世的早期和晚期印度夏季風(fēng)變率較小，可視為南北半球氣候相互作用的結(jié)果；而中期印度夏季風(fēng)變率增大，則主要受控于北半球冰量變化。

以此為基礎(chǔ)，他們提出了冰期—間冰期印度夏季風(fēng)變遷通過XEPG發(fā)生“北半球熱力牽引和南半球氣壓推動”的動力學(xué)機(jī)制，重建了更新世（過去260萬年）印度夏季風(fēng)變遷的歷史。這一發(fā)現(xiàn)向“寒冷冰期北半球冰蓋擴(kuò)張，印度夏季風(fēng)減弱”等傳統(tǒng)觀點(diǎn)提出了挑戰(zhàn)，也將有助于認(rèn)識全球變暖情景下我國西南地區(qū)季風(fēng)氣候和降水變化的趨勢?！斑@個來自中國的記錄提供了豐富的信息，并給出了讓人著迷的解釋?！薄犊茖W(xué)》同期評論如是說。

抓住靈感，領(lǐng)銜“湖泊流域化學(xué)風(fēng)化”

1999年，金章東從南京大學(xué)博士畢業(yè)，進(jìn)入中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所自然地理學(xué)博士后流動站工作。博士期間，他研究熱液流體演化在金屬礦床形成過程中的作用，主要是利用巖石、礦物與各類流體發(fā)生水—巖反應(yīng)過程中元素、同位素的不同特征的地球化學(xué)行為，分析金屬礦床沉積的元素、同位素地球化學(xué)組成變化，來反演熱液流體演化。“到湖泊所之后，我希望自己能盡快進(jìn)入新的角色，并找到一個定位。”金章東開始“琢磨”如何將金屬礦床熱液沉積的研究思路和方法轉(zhuǎn)向湖泊沉積物方向。

他發(fā)現(xiàn)，兩者的反應(yīng)介質(zhì)都是流體，不同的是，一個是高溫?zé)嵋毫黧w，一個為低溫地表流體，即降水和地表水。那么，可不可以通過分析沉積物中的化學(xué)組成的變化，來示蹤流域經(jīng)歷的氣候環(huán)境狀況及化學(xué)風(fēng)化過程呢？如果可以，湖泊沉積物的組成十分復(fù)雜，到底哪一個組成才最敏感呢？

左思右想，金章東想到了陳駿教授（現(xiàn)任南京大學(xué)校長、中國科學(xué)院院士）1999年發(fā)表過的一篇論文，該文認(rèn)為Rb/Sr值可以作為衡量黃土化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度和東亞夏季風(fēng)環(huán)流強(qiáng)度變化的替代性指標(biāo)?！癛b和Sr均為典型的分散元素，在自然界中主要以類質(zhì)同象的形式存在于各類造巖礦物中。二者具有相近的地球化學(xué)參數(shù)，但在表生地球化學(xué)過程中的地球化學(xué)性質(zhì)存在顯著差異，常發(fā)生分餾。在化學(xué)風(fēng)化過程中，Rb表現(xiàn)穩(wěn)定，Sr則較為活潑，兩相結(jié)合可以很好地反映化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度。”

事實(shí)上，除了黃土，Rb/Sr值也曾用在深海沉積物以及風(fēng)化殼研究中。至于能否在湖泊沉積物中使用？以前沒有人試過！金章東決定充分利用自己扎實(shí)的地球化學(xué)理論基礎(chǔ)和成礦熱液演化的研究思路，做第一個吃螃蟹的人。接過博士后合作導(dǎo)師王蘇民研究員給的岱海沉積巖心，他開始分析這個78公分的樣品?！皩?shí)驗很簡單，經(jīng)過壓片掃描，數(shù)據(jù)一周就出來了?！闭嬲钏^疼的是，得到的數(shù)據(jù)趨勢與黃土沉積物中的Rb/Sr值曲線似乎相反。

為什么不一樣？是不是做錯了？接下來的兩三個月，他整個人都沉浸在一連串的“為什么”里。直到有一天，坐在陽臺上的他靈光一閃，“黃土中Sr含量低，代表黃土經(jīng)歷的風(fēng)化程度越強(qiáng)，流失的Sr越多。流失的Sr去哪兒了？不就應(yīng)該進(jìn)入湖泊中，最后以沉積物的形式沉淀下來了嗎？所以湖泊沉積物中的Sr值越高，代表黃土流失的Sr越多，風(fēng)化越強(qiáng)呀。”想到這一點(diǎn)，他豁然開朗，思路也愈發(fā)清晰，“黃土和湖泊沉積物中的Rb/Sr，好像坐在一架蹺蹺板上，一個高，另一個必然低?，F(xiàn)在說起來簡單，當(dāng)時還是費(fèi)了腦子的，畢竟那時我對湖泊沉積學(xué)知之甚少。”

金章東的“靈光一閃”后，國內(nèi)外眾多學(xué)者都開始運(yùn)用Rb/Sr值的相關(guān)機(jī)制去解釋湖泊沉積物研究中的種種現(xiàn)象，引用十分廣泛。然而，當(dāng)時的他并沒有意識到Rb/Sr值反演的湖泊流域化學(xué)風(fēng)化在地表過程和物質(zhì)循環(huán)研究中的重要性，特別是在碳收支方面的關(guān)鍵作用，只單純地將之視為湖泊沉積物中的一個“標(biāo)本記錄”。直到2009年前后，“湖泊流域化學(xué)風(fēng)化”才慢慢演變成為一個學(xué)科方向。不過，不管怎樣，他在湖泊沉積物Rb/Sr值和化學(xué)風(fēng)化研究上都慢慢想通了、做熟了。這也是當(dāng)他介入鶴慶沉積物反演印度夏季風(fēng)研究之后，自然而然選擇該指標(biāo)的主要原因。

“任何一個指標(biāo)或組成，都有其不確定性和局限性”，在金章東看來，僅關(guān)注Rb/Sr值還不夠說服力?！斑@是一個無機(jī)地球化學(xué)指標(biāo)，在反映強(qiáng)季風(fēng)階段卻有其局限性。我們后來又做了一個TOC指標(biāo)，剛好相反，它的高值變化能很好地反映強(qiáng)季風(fēng)，冰期季風(fēng)時反倒成為穩(wěn)定的低值。兩者互為鏡像。通過標(biāo)準(zhǔn)化處理，將它們擰在一起，才把冰期—間冰期尺度的印度夏季風(fēng)變化幅度完全地展現(xiàn)出來?！卑曹粕菏扛叨仍u價其工作為更新世以來印度夏季風(fēng)代用指標(biāo)的重建“做出了關(guān)鍵性貢獻(xiàn)”。

到2012年，國家杰出青年科學(xué)基金項目“湖泊流域化學(xué)風(fēng)化研究”立項時，金章東在該方向上的思路已日趨成熟。在該項目中，他和團(tuán)隊針對與青藏高原有關(guān)的氣候環(huán)境效應(yīng)及其對陸地表生地球化學(xué)過程的影響，利用青藏高原內(nèi)部及周邊盆地沉積物連續(xù)性強(qiáng)、分辨率高、對氣候敏感等特點(diǎn)，通過探討元素比值和其他環(huán)境代用指標(biāo)，得到了一系列新認(rèn)識。

金章東在帕米爾高原考察時與研究生合影

“青海湖流域和黃河季節(jié)性河水化學(xué)均反映了流域化學(xué)風(fēng)化對季風(fēng)水文過程的敏感響應(yīng)，以及水文事件對河水化學(xué)的巨大影響，揭示了碳酸鹽風(fēng)化對雨季河水水化學(xué)的主導(dǎo)作用，而流域風(fēng)化速率主要受流量和物理侵蝕控制。”金章東說。他還發(fā)現(xiàn)，青海湖在末次冰期時基本是干涸的，以風(fēng)塵黃土堆積為主；近3萬年來的最高水位出現(xiàn)在早全新世（即11.5～8.0ka），當(dāng)時的入湖徑流量比現(xiàn)代多兩至三倍；隨后的8千多年，青海湖水位總體呈降低趨勢，沉積物中自生文石累積也逐步降低，粉塵通量則相應(yīng)地增加，介形類殼體δ18O逐步偏正，均指示了全新世中晚期季風(fēng)和碳酸鹽風(fēng)化通量逐漸減弱的過程。這些研究不但豐富了流體研究內(nèi)容，更為“流體—地球化學(xué)—時空”三位一體的地球科學(xué)研究提供研究實(shí)例。

而他聯(lián)合英美澳學(xué)者對2008年汶川地震環(huán)境效應(yīng)及碳收支的研究，則為“構(gòu)造—風(fēng)化—?dú)夂蜃兓奔僬f提供了直接而有力的證據(jù)。他們首先通過對岷江、沱江、涪江三大河流16個站點(diǎn)地震前后懸浮物通量的比較，利用衛(wèi)星影像圖繪制了滑坡地圖，計算得到滑坡物質(zhì)的體積，評估了2008年汶川地震對河流輸沙量的控制過程和可能的影響時間。結(jié)果表明，相對于地震前，3條河流的輸沙量增加了3至7倍。根據(jù)2008年至2012年期間3條河流的年平均輸沙速率，發(fā)現(xiàn)由滑坡產(chǎn)生的泥沙將在面積約7萬平方公里的流域內(nèi)停留數(shù)十到數(shù)百年，僅僅清空粒徑小于25毫米的細(xì)顆粒即需要30多年，粗顆?？赡艹掷m(xù)千年以上。

更重要的是，該研究還發(fā)現(xiàn)，不同流域里滑坡泥沙的滯留時間差別很大，從幾年到數(shù)百年，離斷裂帶越近、河流徑流越小的流域，泥沙滯留時間越長。綜合其他地區(qū)地震產(chǎn)生滑坡物質(zhì)輸移的時間和氣候條件表明，滑坡物質(zhì)在流域的滯留時間，不但取決于流域內(nèi)滑坡數(shù)量，還與每年高強(qiáng)度的徑流天數(shù)緊密相關(guān)。

他們的研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，汶川地震之后岷江河水中硅酸鹽組分和堿度均顯著增加，這些組分的增加可能主要與深部地下水的釋放和包括滑坡在內(nèi)的新鮮破碎巖石的快速淋濾風(fēng)化有關(guān)。此類變化也存在于滑坡較少的地震區(qū)域，因此深部地下水的釋放可能是地震后多年來河水中硅酸鹽組分和堿度系統(tǒng)增加的主導(dǎo)因素。該成果首次為量化高強(qiáng)度構(gòu)造事件對流域風(fēng)化作用的直接影響及其碳消耗提供最直接、可靠的數(shù)據(jù)。

以這些開創(chuàng)性的研究為基礎(chǔ)，到2015年年底對該項目進(jìn)行中期評估時，金章東團(tuán)隊已在國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物發(fā)表論文32篇，其中SCI檢索論文24篇，EI檢索論文5篇，CSCD論文8篇，獲批實(shí)用新型專利2項。其階段性成果也令評審組為其亮出了“優(yōu)秀”的成績。

腳踏實(shí)地，做“開放型”學(xué)者

2003年11月，當(dāng)金章東以英國皇家學(xué)會訪問學(xué)者的身份踏進(jìn)劍橋大學(xué)時，還是“懵懂青年”。這種“懵懂”在于，對他自己的科研生涯還沒有清楚的認(rèn)知。而兩年的劍橋生活，留給他的關(guān)鍵詞就是“open”（開放）。

金章東的合作者之一，澳大利亞國立大學(xué)于際民博士曾經(jīng)這么描述他在劍橋的經(jīng)歷：導(dǎo)師不直接定方向，而是讓你自己通過閱讀文獻(xiàn)和資料提出研究方案來討論。辛辛苦苦整理提交的方案也許不過兩句話就被否定，又得重新去尋找和完善，等到真的確定了方向，已經(jīng)一年多了。

“我們的經(jīng)歷很相似”，金章東說，他的合作導(dǎo)師、英國皇家學(xué)會會士Mike Bickle教授是一個思路非常活躍和開放的學(xué)者，其研究方向遍及地幔、變質(zhì)作用、地表風(fēng)化、海洋等10多個研究領(lǐng)域，很少會給學(xué)生布置重復(fù)的東西?！斑@讓我有一種動力一直跟新鮮的東西打交道?！睗撘颇?，他將導(dǎo)師的風(fēng)格學(xué)了個十足。

“每個研究生入學(xué)之初，甚至報考之前，我就會與其交流并討論他/她對科學(xué)研究的認(rèn)識，然后根據(jù)他們的專業(yè)背景和興趣選擇研究方向?！苯鹫聳|相信，興趣才是研究的第一要素。因勢利導(dǎo)之下，他團(tuán)隊里的研究生基本上每人一個相對獨(dú)立的小方向，再通過組織經(jīng)常性的討論交流，來有的放矢地深入鉆研，讓他們對不同方向有所了解，開闊思路，激發(fā)新的靈感。

金章東有一句“名言”——試驗、去試驗，一次又一次反復(fù)的試驗就是研究（Re-search）！由于研究的性質(zhì)，他們每年的野外和實(shí)驗分析工作很多，也比較辛苦，但學(xué)生們都樂于開展野外考察和監(jiān)測工作，在一次次實(shí)地考察中鍛煉“眼力”激發(fā)“靈感”。為了研究汶川地震環(huán)境效應(yīng)，從2009年下半年起，他就帶領(lǐng)團(tuán)隊在四川龍門山一帶開展系統(tǒng)的野外考察，采集河水和懸浮物樣品?！坝幸淮?，學(xué)生給我打電話說那邊的水文站正準(zhǔn)備燒掉前幾年的懸浮物樣品，問我要不要。我毫不遲疑地說，當(dāng)然要啦！”最后用一萬塊錢收購了5個水文站的這批珍貴樣品，租了一輛卡車用十幾個箱子運(yùn)回西安?！?005～2008年的河流懸浮物，每一天的都有。這是汶川地震前的樣品啊，沒有了它們，后面的對比，我們就做不了?！闭劦竭@里，他至今仍很激動，這批樣品在國內(nèi)是“獨(dú)一份”，萬一當(dāng)時學(xué)生沒有留意到，或晚去幾天，都會失之交臂。

這樣的“有心”，金章東很欣慰，“我會盡可能給學(xué)生和團(tuán)隊成員提供平臺和條件，但最后發(fā)展成什么樣子，我不可能每一步都幫你規(guī)劃好?！?/p>

記者眼中的金章東，學(xué)生答辯時嗓子不舒服，他會示意旁邊的人給倒水；學(xué)生有煩惱與他傾訴時，他會告訴他們“還有我呢”。他會因為樣品出問題，為學(xué)生重新規(guī)劃方向，讓人順利畢業(yè)。他也會因為在分析樣品時看到里面有硅藻，特別招收一位研究硅藻的學(xué)生，只為充分利用樣品。為了學(xué)生，“不懂硅藻”的他專門在北京聘請了一位行家擔(dān)任第二導(dǎo)師，眼見學(xué)生進(jìn)展不錯，又為她聯(lián)系國外的offer?！拔蚁Ｍ麄兠總€人都跟我不一樣”，他說。

金章東所在的黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，是我國在國際學(xué)術(shù)舞臺上的一面旗幟。作為實(shí)驗室主任，他要做的從來都不止是自己的進(jìn)步，還希望能為我國第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)科的發(fā)展培養(yǎng)更多的人才，推動該領(lǐng)域的長足進(jìn)步?！皦毫艽?，但是旗幟決不能倒下?！?/p>