我们赖以生存的地球是一个古老而又奇幻的星球,46亿年来,地球上各圈层之间通过物质交换碰撞出五彩斑斓的地质火花。诸如构造事件,冰期间冰期旋回,生物爆发与灭亡,气候变化等都被记录在星球的某个角落。岁月变迁,这些地质历史时期的璀璨谜团亟待人们去揭开其神秘面纱。当我们闭上眼睛,开始寄蜉蝣于天地,渺沧海之一粟之时,不禁开始哀吾生之须臾,羡长江之无穷。感叹漫漫地质历史长河,瀚海无边。

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雪山巍峨、草原苍茫、天空碧蓝、湖泊澄澈……风光绝美的青藏高原,也是苦寒难至的“第三极”,蕴藏着地球生态环境的无穷奥秘。

那么有什么办法可以让我们在地质历史的烟波浩海里自由穿梭,将这些值得考究的地质大事件来一次酣畅淋漓的刨根问底呢?当然有,接下来,我可要一本正经起来呢。

在青海湖做取样工作的金章东

今年6月,我国启动第二次青藏高原综合科考。科学家们首先聚焦江湖源区域,即西藏最大湖色林错以及青藏高原中部重要冰川发育区,力求破译那些隐藏在雪山、盐湖和草原深处的“藏地密码”。

漫长的地质历史上,许许多多的沉积物在搬运沉积的过程中记录了地球气候环境的变迁,他们成为了记录古气候古环境变化的“历史档案”。在这些“档案”中,海洋沉积物、冰芯、黄土是重现地球不同时间尺度下区域气候、环境变化、人类活动以及生态历史的三大支柱,是深入认识地球系统的岁月变迁,地球气候环境的沧海桑田的重要研究载体,也是无数科研工作者魂牵梦绕,众星拱月的法宝。在对这些沉积物进行取样的过程中,经常要使用钻取岩心的手段,例如深海沉积物岩心、湖泊沉积物岩心、冰芯、盆地岩心、黄土岩心;由于科学钻探取样的过程繁琐,计算精细,要求严格,且储藏与运输不便,因此每一支“芯”都显得弥足珍贵,而一般人也很难亲自去体验一番漫漫取“芯”之路。这其中奥妙究竟何处令人唏嘘不已,心驰神往。

“你看,这就是我们当时采集的沉积物样本,非常珍贵。”在位于西安雁翔路97号的中国科学院地球环境研究所,有个恒温3度、我国唯一的中国大陆环境钻探岩心库。

冰芯暗藏“无字天书”

同志们,机会来了。应巴基斯坦Space & Upper Atmosphere ResearchCommission
and The national space agency of
Pakistan邀请,响应习大大“一带一路”国家发展战略,开展广泛交流合作,加强中巴老铁友谊。同时配合中巴经济走廊冰川联合大科考项目的顺利进行,中国科学院地球环境研究所(IEECAS,西安)与青藏高原研究所(ITPCAS,北京)再次携手合作,精诚团结,分别对位于巴基斯坦北部克什米尔地区(吉尔吉特-巴蒂尔斯坦)斯卡度的冰川和湖泊进行钻探工作。此次联合科考着力于冰川进退,古气候的重建、全球气候变化等方面。

4月1日上午,金章东研究员小心翼翼地在岩心库里找出青海湖的沉积岩心样本——那是一个圆柱状、两米长的样本,“别看它样子普通,为获取这样的样本,当时国际大陆钻探计划给予50万美元资助呢。”

唐古拉山龙匣宰陇巴冰川下,海拔5150米的一个宿营地旁,一群身着冲锋衣、脚踏登山靴的人正在忙碌地整理着装备——登山杖、踏雪板、冰镐、保护绳、雪斗……他们的面庞,被清一色的墨镜和户外头巾裹得严严实实。

而我们此次野外科考主要负责对Satpara湖泊进行考察,作为一支专业湖芯钻探小队,我们的一贯风格与服务宗旨是:“快,准,透”,即争取最迅捷的速度,凭借最熟练专业的操守,以最精准取芯流程,将湖泊沉积物彻底打透到底,并最终获得完整连续的沉积物序列。那现在,请各位读者一起跟着我们的脚步,开始一段严肃活泼的取“芯”之旅吧。

“青海湖被评为我国最美的湖泊,也是我国最大的内陆微咸水湖。青海湖沉积物可以告诉我们地球气候环境演化等许多重要的信息。”中科院地环所金章东研究团队,通过青海湖沉积岩心的地球化学组成分析,结合现代沉积过程和流域黄土组成,摸清了近3万年以来青海湖沉积环境和湖泊水位的变化情况。

这是此次江湖源科考冰川与环境变化考察队。

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青海湖沉积物——

冰川被科学家称作解读地球自然历史的“无字天书”。年复一年,地球环境变化信息被冰川封存。而冰芯——在冰川中自上而下钻取的圆柱状冰样,就是破解这部“天书”的密钥。研究冰芯中的秘密,让考察队员历尽艰辛却乐此不疲。

Satpara湖地理位置

书写地球信息的“大书”

这次科考,冰川队原计划在唐古拉冰川、各拉丹东冰川和普若岗日冰原钻取冰芯。无奈由于气温过高,冰雪冻土融化快,有科考队员甚至掉入积雪下的冰湖,打钻地点不得不从冰川顶部移到了末端。

此次冰川联合大科考项目,我所地表过程与现代风化实验室主要承担湖芯钻探工作,工作时间计划30天,靶区为距离斯卡度10Km左右的Satpara
Lake,海拔约2500m。科考采样工作由金章东老师统帅,常宏老师带队,小组其他人员有陈晨,苟龙飞,李良波、徐阳等4名在所学生。我们的取芯设备为一套沉积物取样平台(Universal
SamplingPlatform)。其原产自奥地利,整体可拆卸,化整为零以便运输。它的每一根铁杆和每一颗螺丝都无时无刻散发出蓝色多瑙河的味道,令人着迷。组装后平台夹板长3.6米,宽2.8米,总载重可达2.6吨。顶端插上国旗,扬帆出湖,惬意的你都想倚在其上来一杯Dry
Martine,纵情独享这份浮沉与喧嚣。取样平台的工作原理同陆地钻类似,即通过反复回次钻孔,计算重复并获得完整序列沉积物于PVC管中。不同的是陆地钻是机械的而我们是手动控制,即人力控制绞盘,通过重锤的反复夯砸,实现取芯管的向下进尺,通俗点就是人力手动打桩机。三个不同的绞盘一个用于牵引重锤,一个控制钻头活塞实现在指定位置开孔取泥,最后一个连接滑轮便于牵引湖芯套管,实现取芯套管的垂直进尺。在测定水深后,计算每一回次的水泥界面及进尺深度,以确定钻头活塞打开的最佳位置。在保证每一根湖芯留有足够重复的情况下进行连续取芯工作,最后得到完整连续的湖泊沉积物序列。

我国湖泊最多的地方并不在南方,而是在青海和西藏。国家杰出青年科学基金获得者金章东博士说:“青藏高原上有很多‘错’,‘错’在藏语中就是‘湖’的意思。”由于沉积物自湖泊形成就存在,可以反映数千年乃至百万年以来的气候环境状况和变化规律。

“末端冰川是冰川中最‘年长’的部分。由于冰川最先消融最古老的部分,一些冰川会越来越‘年轻’。研究末端冰芯,可监测冰川的‘年龄’变化,判断冰川消融情况。”中科院研究员、冰川与环境变化考察队队长徐柏青说,这项工作在青藏高原温度持续升高、冰川消融加快的背景下具有重要意义。

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2005年,中科院地环所安芷生院士就青海湖演化申请了一个国际合作项目,获得了“国际大陆钻探计划”的资助,成为该计划在中国第一个钻探点。金章东说:“内陆湖泊的水位对气候变化十分敏感,是全球变化的前哨。具体来说,该项目就是通过研究青海湖的形成演化及水位变化,研究它与青藏高原抬升、季风降水规律的关系。”

湖泊沉积物透露“前世来生”

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万年前我国北方有多旱——

与冰川相似,湖泊沉积物在漫长的地质历史演化过程中,存储了丰富的气候环境变化信息,是研究全球气候与环境变化的重要载体。科研人员通过在湖底钻取沉积盐芯,发掘“芯”中的秘密,可以评估湖泊及其周边地区生态系统的历史、现状和未来。

湖芯钻探平台

青海湖完全干涸

但取湖底岩芯则须乘风破浪。“我看见湖那边乌云密布,还暗自庆幸躲过了一场大雨。谁知没过多久,我们这边浪头就两三米高,我们都快控制不住小艇了。”一位在色林错湖面飘荡了近15个小时、最终在黑夜踏上坚实陆地的女科考队员说。她的脸上还有斑斑盐渍,那是咸涩的湖水拍打在脸上留下的“纪念”。

所谓兵马未动,粮草先行,为保证工作顺利进行,我们提前将所有野外钻探设备,仪器及生活劳保用品一并清点打包装箱,再通过大卡车托运,经新疆喀什特区红旗拉普口岸出关运至巴基斯坦Sost边境港口,随后重新装箱,雇佣当地货车运输至工作地点。而此时的我们已经饥渴难耐,开始摩拳擦掌,跃跃欲试了。

研究沉积物首先要取样,取样设备很多,基本的取样器原理很简单:利用自身重力沉入水下,收集器是一个下面开口的塑料管,装置提升时开口自动关闭,取样越深,需要的工具越来越复杂,需要搭建水面平台。青海湖南岸最深的一个“钻”打了一千多米。

徐柏青认为,湖泊扩张是青藏高原正在经历环境巨变的表现之一。其背后的环境作用机制是什么?带来的影响是什么?未来变化趋势是什么?这些问题都极具研究价值。

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金章东团队研究的新成果,即来自一支18多米长的沉积岩心,该岩心是在“国际大陆钻探计划”和“中国大陆环境钻探计划”的支持下于2005年夏天在青海湖南盆获得的。他们根据沉积物类型和元素组成的研究发现,青海湖在末次冰期时基本是干涸的,近3万年来的最高水位出现在一万年左右。近2万年时间内,青海湖基本处于干涸状态,即使有水,也是间断性的浅水湖泊,沉积物以风尘堆积为主。“可见,在一万年前,我国北方的气候要比现在干旱得多,即使是青海湖这样的大湖也干了。事实上,在那段时间里,包括博斯腾湖、巴里坤等湖泊也都是干的。”

科考队这次在色林错成功钻取了10米长的沉积岩芯。这是迄今在色林错钻取的最长的沉积岩芯,据此可研究近两万年的环境变化。

“进军路线”

鱼骨上的“动物年轮”——

岩层化石封存“沧海桑田”

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耳石记录明朝的水位

1.8亿年前,如今的青藏高原南部地区还是一片汪洋。而在地质时期的某一时刻,这片海洋消失,随后地表不断隆起,形成了今天的“世界屋脊”。

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自20世纪50年代以来,青海湖水位下降了3.8米;但2005年到2015年青海湖水位却持续升高,平均水位升高了近1米。那么,在我国的历史时期,青海湖水位是怎样变化的呢?

探究高原隆升的过程与机制,一直是青藏高原研究中的一大热点。中科院青藏高原研究所副研究员许强是古生态与古环境考察队的一员,从事地质学研究的他,这次需要探究青藏高原中央分水岭山脉的隆升历史,及其在亚洲水系形成演化中的角色。

钻探分队在红旗拉普口岸

金章东和他的研究团队幸运地在青海湖岸边的沉积物中找到古代湟鱼的鱼骨和鱼耳石。鱼耳石是一种神奇的“动物年轮”,也是一种重要的沉积物。在青海湖唯一的咸水鱼——湟鱼脑袋里有三对耳石,这种耳石就相当于植物的年轮。

“中央分水岭是青藏高原核心带发育的一个长约2500公里的山脉带,可以说是青藏高原的‘脊柱’。”许强说,“它称得上是一条‘星球级的分水岭’。”

出发,这将注定会是一个不平凡的冬天,我达达的马蹄也会是一个美丽的开始。踏进异乡,我们终会成为巴铁的回忆。克什米尔的第一场雪应该会比往常来的更早些吧,The
winter iscoming!

“我们找到鱼骨的位置,高出现在的湖面7-8米,耳石化学组成记录湟鱼当时生活的水体是从青海湖分离出来的。”金章东兴奋地说,现在是草地的地方出现很多鱼骨头,自然是因为当时青海湖面积很大,可是具体是什么年代湖面如此广阔?通过对这些骨头的碳十四测定,确定年代距今300多年,即相当于我国的明代。“可见,在距今不过300来年的明朝,青海湖面积竟然比现在大了700多平方公里,相当于一个小县了,可见青海湖的水位变化之剧烈。”

此次,考察队利用唐古拉山花岗岩低温热年代学的研究方法,与稳定同位素研究相结合,以期更加全面地了解中央分水岭山脉的形成时代和高度变化。目前初步认为,唐古拉山一线在距今5000万年前可能隆升到今天的高度。

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“青海湖最近十年水位的变化,就是近年来我国北方多雨的直接体现,且发生了降雨模式的改变。这就提醒人们要做好北方防洪、农田水利等设施和工程。”金章东说。

而中科院古脊椎动物与古人类研究所副研究员吴飞翔团队,近日则在高原中部的伦坡拉和尼玛盆地发现了大量热带鱼类化石群落。这些种类与今天本地区所特有的鲤科裂腹鱼类完全不同,可证明该区域在2600多万年前曾处于暖湿环境,其海拔不会高于2000米。

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记者 张潇 实习生 邹敏

科学家已经证实,青藏高原不是“铁板一块”,在空间上是分阶段上升的。有研究人员提出,当青藏高原中部已经隆起时,喜马拉雅地区可能还是海洋……

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此外,藏北羌塘草原是名副其实的“野生动物的天堂”。近年来,如何在保护的基础上使区域内生态环境资源发挥更大效益,服务于科研和国民教育并造福当地群众,成为摆在专家与决策者面前的重要课题。于是,在藏北建立国家公园被提上了议事日程。

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“这次科考中,我们担负着对区域内动植物种类、数量、分布区进行摸底,为国家公园的自然保护与生态旅游规划提供科学数据与建议的任务。”生物与生态变化考察队队长、中科院昆明植物研究所研究员杨永平说。

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