[国内新闻] 记忆中的中国大陆环境科学钻探第一钻:云南鹤庆钻探

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2019-03-21 · 中科院地球环境研究所
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2018年,位于我国松辽盆地的“松科二井”成功进军7018米地球深部,标志着我国在向地球深部探索的过程中取得了重大突破。上天(深空探测)、入地(科学钻探)、下海(深潜)常被看作人类为探寻地球奥秘向大自然发起挑战的三大壮举。科学钻探通过对地球表层至深部进行直接观测,获得连续的地质、生物记录并开展综合集成研究,从而为解决与人类社会发展息息相关的资源、灾害、气候/环境等问题做出贡献,是地球系统科学研究中具有划时代意义的重大工程。从广义角度来说,科学钻探一般可分为穿透地球岩石圈的深部科学钻探(钻探深度达万米级)以及聚焦地球表层沉积物的环境科学钻探两大类。

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图1.王成善院士展示地球深部7018米岩心照片

“松科二井”就属于第一大类深部钻探,它的成功实施为松辽盆地深层页岩气和地热能等资源开发利用、地球深部动力学过程及古气候变化研究奠定了基础。除了深部科学钻探以外,聚焦地球表层沉积物的环境科学钻探在国际上也取得了许多标志性的钻探岩心,譬如在地理区域上离我国较近就有俄罗斯的贝加尔湖和日本琵琶湖钻探。

最近十几年来,我国在环境科学钻探方面不断突破,取得丰硕成果,今天不妨花一点时间说一说我国大陆环境科学钻探第一钻:云南鹤庆钻探和它的故事。

为什么在云南鹤庆?

从基础科学研究的角度出发,有关亚洲季风环境的形成、演化及其与全球的联系一直是一个科学前沿问题。一般来说,对我国及东亚地区产生深远影响的亚洲季风环流系统主要由东南季风(东亚夏季风)和西南季风(印度夏季风)构成。在很长的一段时期内,有关季风气候环境演化的研究主要在我国东部的东南季风区,对于西南季风(印度季风)区的系统研究较少。西南季风(印度夏季风)气候的形成、演化不仅与全球气候联系,而且与青藏高原隆升这一重大的区域构造事件密切相关。因此开展西南季风(印度夏季风)形成演化过程、动力机制研究并与东南季风区的记录进行对比,对全面认识亚洲季风环境演化的过程、动力学机制及气候环境效应具有重要意义。云南鹤庆独特的地理位置恰恰是研究西南(印度)季风演化的理想区域。同时在鹤庆钻探实施以前,国际上有关长时间尺度西南(印度)季风演化的研究主要是来自海洋沉积物记录,缺少陆地连续的记录作为研究对象,亟待补充。
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图2. 鹤庆钻孔的地理位置以及影响我国的两大夏季风环流示意

正是在这样的背景下,在科技部、国家自然科学基金委员会和中国科学院项目支持下,由中国科学院地球环境所安芷生院士作为首席科学家,联合中国科学院南京地理与湖泊研究所等单位在云南鹤庆实施中国大陆环境科学钻探第一钻。2002年8月鹤庆钻探正式启动,安芷生院士、许志琴院士、王苏民研究员、陈骏教授(2013年当选中科院院士)、郭正堂研究员(2013年当选中科院院士)、沈吉研究员等一线著名科学家及各部委代表参加了隆重的钻探奠基典礼活动(图3),央视新闻频道、科学时报等媒体也对鹤庆钻探进行了专题报道(图4)。经过艰苦努力,鹤庆钻探成功获取了737米连续湖泊沉积岩心,全井取心率达97%,获得了可以与俄罗斯贝加尔湖以及日本琵琶湖深钻岩心相媲美高质量湖泊沉积岩心,为研究西南(印度)季风气候演化过程及动力学机制提供了珍贵材料。

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图3. 安芷生院士等出席钻探奠基仪式及现场考察照片(强小科研究员提供)

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图4. 央视新闻频道及科学时报对鹤庆钻探的专题报道(照片来自网络)

十年磨一剑,产出高水平科研成果

成功钻取连续的鹤庆古湖岩心只是在科学研究的道路上迈出的第一步,随后以安芷生院士领衔的中外科学家团队对这一宝贵的岩心材料进行了大量的年代学以及气候代用指标测试分析及综合集成研究,经过近10年的艰苦努力,最终在印度季风动力学机制研究方面取得了原创性重大成果。2011年,有关鹤庆岩心研究的代表性成果“冰期—间冰期印度夏季风的动力学”正式在美国《科学》(Science)杂志以研究论文(Research Article)形式发表,该成果基于鹤庆666米湖泊沉积岩心,在系统开展古地磁和14C测年分析并高分辨率地测试了植物花粉、沉积学、地球物理和地球化学等参数基础上,首次利用大陆沉积物指标序列重建了过去260万年以来印度季风变迁的历史(图5),通过印度夏季风变化时间序列精细结构的分析,揭示出北半球冰量和南极温度变化引起的跨赤道气压梯度对印度季风演化的影响,从而提出了冰期-间冰期印度夏季风变化的动力学新理论(图6),在学术界产生了重大影响
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图5. Science杂志以长文形式发表鹤庆岩心记录的印度季风变化成果以及文章利用多指标重建的最近260万年印度夏季风演化历史(An et al., 2011,Science)

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图6. 冰期和间冰期不同情景下印度季风演化的动力学过程示意(An et al., 2011,Science),左图反映是间冰期北半球热力牵引模式,右图反映了冰期南半球气压推动模式。

《科学》杂志同期为该成果发表了专题评论,认为“(鹤庆)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”(图7),因为传统观点主要强调了“寒冷冰期北半球冰盖扩张,印度夏季风减弱”动力学过程,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,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。Nature China也以研究亮点进行了报道,认为印度夏季风的新观点对我们理解全球气候是重要的,强调了全球变暖对季风变率的潜在影响。基于鹤庆岩心研究提出的“冰期-间冰期印度季风动力学”理论,入选了2011年度“中国科学十大进展”和“十大地质科技进展”,并作为代表性成果之一参与获得了2016年度国家自然二等奖(图8)。
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Science杂志发表有关同期评论以及Nature China(An et al., 2011,Science),左图反映是间冰期北半球热力牵引模式,右图反映了冰期南半球气压推动模式。
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图8. 基于鹤庆岩心的印度季风演化动力学成果入选2011年度中国科学十大进展以及参与获得2016年度国家自然科学二等奖的照片。

作为鹤庆钻探的项目负责人,南京地理与湖泊研究所沈吉研究员在多年后(2015)也编著出版了《云南鹤庆湖泊深钻研究》一书(图9),该书由安芷生院士作序,系统总结了有关鹤庆深钻岩心的研究工作,为从事第四纪地质学、古湖沼学、古气候学和全球变化等有关专业的研究人员和研究生提供了重要参考资料。

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图9. 沈吉研究员等编著的鹤庆湖泊深钻研究书籍及章节目录截图(来自网站)

后记

时至今日,当我们再次谈起在云南鹤庆实施的中国大陆环境钻探第一钻时,也许很多人第一印象都会说起“冰期—间冰期印度夏季风的动力学”这篇发表在Science杂志的研究论文影响如何?往往可能忽视科学家们背后的付出和汗水,正是以安芷生院士领衔的科学家团队的长期潜心研究、多学科集体攻关最终在10年后结出硕果,同时也离不开科技部、国家自然科学基金委员会和中科院等部委的长期支持。在当前我国不断推进科技体制改革和进一步完善科研评价体系的大背景下,基础科学研究的确应该坚持科学研究本身基本规律,向老一辈科学家学习潜心致研的精神,拒绝“浮躁”,注重标志性成果的质量、贡献和影响,为科学事业的发展和我国创新型国家建设贡献自己的力量。







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