金章東：穿越“沉積”看“風化”

金章東：穿越“沉積”看“風化”

本刊記者 王 涵

專家簡介：

金章東，中國科學院地球環境研究所研究員、黃土與第四紀地質國家重點實驗室主任，國家杰出青年科學基金獲得者，享國務院政府特殊津貼。1971年5月出生，浙江永康人，南京大學地球化學專業博士。曾為中國科學院南京地理與湖泊研究所創新研究員。2007年4月調入中國科學院地球環境研究所工作。已發表論文160余篇，其中SCI收錄論文86篇，EI收錄論文32篇。入選中國科學院“百人計劃”、科技部中青年科技創新領軍人才、“萬人計劃”科技創新領軍人才、中國科學十大進展以及十大地質科技進展等。獲國家自然科學獎二等獎、中國科學院朱李月華優秀教師獎、科學中國人（2015）年度人物等。

2008年入選中國科學院“百人計劃”，2012年獲得國家杰出青年科學基金資助，2014年入選科技部中青年科技創新領軍人才，2016年入選第二批國家“萬人計劃”科技創新領軍人才……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研究中。

如今的金章東，是中國科學院地球環境研究所研究員、黃土與第四紀地質國家重點實驗室主任。但作為國內率先開展湖泊流域化學風化研究的學者，多年來，他始終放開眼界，駐足前沿，不斷挖掘新“證據”，反演第四紀地質時期的風化—氣候真相?！爸灰俏腋信d趣的，我就會去做、去嘗試。”他說。

為重建印度夏季風歷史提供新視角

“自然界的任何東西，包括巖石、礦物、樹木、建筑等，無時無刻不在風化”，金章東解釋道，風化是一種化學反應，它是指物質在水、大氣、生物等作用下，形態或者物質組成發生改變的過程?！白钪匾氖?，化學風化是地球表層物質循環的關鍵過程之一?！?/p>

金章東認為，在一個流域內，巖石風化后的殘余經搬運而保留在沉積物里，剛好可以通過分析這些沉積物的組成變化來反演當時的化學風化過程。“風化的另一個重要作用是在風化過程中消耗大氣CO2。通常情況下，風化程度越高，消耗的CO2越多，大氣中的CO2含量就會降低，氣候也會變冷?！碑敼杷猁}巖、灰巖等經風化溶解到水體中，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。這也是學術界重視化學風化的一個重要原因。“最近80萬年，從冰心里獲得的CO2濃度呈現冰期—間冰期周期變化。間冰期里，氣候暖和，氣溫高、風化作用增強，消耗的CO2多，導致大氣CO2含量降低，等低到一定程度就會進入冰期；在冰期，風化作用弱，消耗的CO2少，當大氣CO2濃度累積到一定程度，氣候又會回暖。”

到底是風化作用先行，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》刊登的一篇研究論文獨辟蹊徑，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變遷時間序列的精細結構及與全球記錄對比的深入分析，從新視角提出了“冰期—間冰期印度夏季風動力學”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，驅動冰期—間冰期印度夏季風和流域化學風化的變遷，并入選2011年中國科學十大進展和十大地質科技進展。

該研究始自2002年。那年夏天，中國科學院南京地理與湖泊研究所的研究團隊在云南省鶴慶盆地實施了中國大陸環境科學鉆探工程的第一鉆。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。”

盡管當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隊時，他對該研究的認知已經發生了重大變化。

“印度夏季風環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，是地球上獨特的、聯系南北半球?！獨膺^程的耦合系統，在跨赤道的熱量和動能傳輸方面，其它氣候系統無法比擬?！庇《认募撅L環流的重要性，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造和軌道尺度印度夏季風的變率和機制，但是對冰期—間冰期印度夏季風變遷及其與南北半球氣候的關系一直缺乏深入的認識。

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

“印度夏季風在冰期—間冰期尺度上的波動，會導致流域化學風化作用的變化。季風強盛時，氣溫高、降水多，流域風化增強；進入冰期，季風減弱，氣溫也低，風化作用也隨之減弱，吸收的CO2就少。這意味著，流域風化強度的變化與冰期—間冰期季風變化是同步的。因此，我提出可以將反映風化的Rb/Sr值用來反演季風強度的變化?！苯鹫聳|說。

經歷了十來年的積累，課題組首先利用獨立于印度夏季風的鐵杉含量進行軌道調諧，建立了可靠的年代標尺，然后提出鶴慶湖泊沉積物有機碳（TOC）含量和Rb/Sr值可反映印度夏季風強度的變化，即高TOC含量指示強季風，而高Rb/Sr值反映弱季風，并將這兩個替代性指標集成為印度夏季風強度的綜合代用指標（ISM）。

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

以此為基礎，他們提出了冰期—間冰期印度夏季風變遷通過XEPG發生“北半球熱力牽引和南半球氣壓推動”的動力學機制，重建了更新世（過去260萬年）印度夏季風變遷的歷史。這一發現向“寒冷冰期北半球冰蓋擴張，印度夏季風減弱”等傳統觀點提出了挑戰，也將有助于認識全球變暖情景下我國西南地區季風氣候和降水變化的趨勢。“這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。”《科學》同期評論如是說。

抓住靈感，領銜“湖泊流域化學風化”

1999年，金章東從南京大學博士畢業，進入中國科學院南京地理與湖泊研究所自然地理學博士后流動站工作。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、礦物與各類流體發生水—巖反應過程中元素、同位素的不同特征的地球化學行為，分析金屬礦床沉積的元素、同位素地球化學組成變化，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向湖泊沉積物方向。

他發現，兩者的反應介質都是流體，不同的是，一個是高溫熱液流體，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組成的變化，來示蹤流域經歷的氣候環境狀況及化學風化過程呢？如果可以，湖泊沉積物的組成十分復雜，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（現任南京大學校長、中國科學院院士）1999年發表過的一篇論文，該文認為Rb/Sr值可以作為衡量黃土化學風化強度和東亞夏季風環流強度變化的替代性指標?！癛b和Sr均為典型的分散元素，在自然界中主要以類質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參數，但在表生地球化學過程中的地球化學性質存在顯著差異，常發生分餾。在化學風化過程中，Rb表現穩定，Sr則較為活潑，兩相結合可以很好地反映化學風化強度?！?/p>

事實上，除了黃土，Rb/Sr值也曾用在深海沉積物以及風化殼研究中。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的地球化學理論基礎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?！皩嶒灪芎唵?，經過壓片掃描，數據一周就出來了。”真正令他頭疼的是，得到的數據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，代表黃土經歷的風化程度越強，流失的Sr越多。流失的Sr去哪兒了？不就應該進入湖泊中，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，風化越強呀。”想到這一點，他豁然開朗，思路也愈發清晰，“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在說起來簡單，當時還是費了腦子的，畢竟那時我對湖泊沉積學知之甚少。”

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

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

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

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性河水化學均反映了流域化學風化對季風水文過程的敏感響應，以及水文事件對河水化學的巨大影響，揭示了碳酸鹽風化對雨季河水水化學的主導作用，而流域風化速率主要受流量和物理侵蝕控制?！苯鹫聳|說。他還發現，青海湖在末次冰期時基本是干涸的，以風塵黃土堆積為主；近3萬年來的最高水位出現在早全新世（即11.5～8.0ka），當時的入湖徑流量比現代多兩至三倍；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和碳酸鹽風化通量逐漸減弱的過程。這些研究不但豐富了流體研究內容，更為“流體—地球化學—時空”三位一體的地球科學研究提供研究實例。

而他聯合英美澳學者對2008年汶川地震環境效應及碳收支的研究，則為“構造—風化—氣候變化”假說提供了直接而有力的證據。他們首先通過對岷江、沱江、涪江三大河流16個站點地震前后懸浮物通量的比較，利用衛星影像圖繪制了滑坡地圖，計算得到滑坡物質的體積，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2008年至2012年期間3條河流的年平均輸沙速率，發現由滑坡產生的泥沙將在面積約7萬平方公里的流域內停留數十到數百年，僅僅清空粒徑小于25毫米的細顆粒即需要30多年，粗顆?？赡艹掷m千年以上。

更重要的是，該研究還發現，不同流域里滑坡泥沙的滯留時間差別很大，從幾年到數百年，離斷裂帶越近、河流徑流越小的流域，泥沙滯留時間越長。綜合其他地區地震產生滑坡物質輸移的時間和氣候條件表明，滑坡物質在流域的滯留時間，不但取決于流域內滑坡數量，還與每年高強度的徑流天數緊密相關。

他們的研究進一步發現，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的新鮮破碎巖石的快速淋濾風化有關。此類變化也存在于滑坡較少的地震區域，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增加的主導因素。該成果首次為量化高強度構造事件對流域風化作用的直接影響及其碳消耗提供最直接、可靠的數據。

以這些開創性的研究為基礎，到2015年年底對該項目進行中期評估時，金章東團隊已在國內外學術刊物發表論文32篇，其中SCI檢索論文24篇，EI檢索論文5篇，CSCD論文8篇，獲批實用新型專利2項。其階段性成果也令評審組為其亮出了“優秀”的成績。

腳踏實地，做“開放型”學者

2003年11月，當金章東以英國皇家學會訪問學者的身份踏進劍橋大學時，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知。而兩年的劍橋生活，留給他的關鍵詞就是“open”（開放）。

金章東的合作者之一，澳大利亞國立大學于際民博士曾經這么描述他在劍橋的經歷：導師不直接定方向，而是讓你自己通過閱讀文獻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，已經一年多了。

“我們的經歷很相似”，金章東說，他的合作導師、英國皇家學會會士Mike Bickle教授是一個思路非?；钴S和開放的學者，其研究方向遍及地幔、變質作用、地表風化、海洋等10多個研究領域，很少會給學生布置重復的東西?！斑@讓我有一種動力一直跟新鮮的東西打交道。”潛移默化之下，他將導師的風格學了個十足。

“每個研究生入學之初，甚至報考之前，我就會與其交流并討論他/她對科學研究的認識，然后根據他們的專業背景和興趣選擇研究方向。”金章東相信，興趣才是研究的第一要素。因勢利導之下，他團隊里的研究生基本上每人一個相對獨立的小方向，再通過組織經常性的討論交流，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，激發新的靈感。

金章東有一句“名言”——試驗、去試驗，一次又一次反復的試驗就是研究（Re-search）！由于研究的性質，他們每年的野外和實驗分析工作很多，也比較辛苦，但學生們都樂于開展野外考察和監測工作，在一次次實地考察中鍛煉“眼力”激發“靈感”。為了研究汶川地震環境效應，從2009年下半年起，他就帶領團隊在四川龍門山一帶開展系統的野外考察，采集河水和懸浮物樣品。“有一次，學生給我打電話說那邊的水文站正準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，這批樣品在國內是“獨一份”，萬一當時學生沒有留意到，或晚去幾天，都會失之交臂。

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

記者眼中的金章東，學生答辯時嗓子不舒服，他會示意旁邊的人給倒水；學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，為學生重新規劃方向，讓人順利畢業。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生，只為充分利用樣品。為了學生，“不懂硅藻”的他專門在北京聘請了一位行家擔任第二導師，眼見學生進展不錯，又為她聯系國外的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地質國家重點實驗室，是我國在國際學術舞臺上的一面旗幟。作為實驗室主任，他要做的從來都不止是自己的進步，還希望能為我國第四紀地質學科的發展培養更多的人才，推動該領域的長足進步。“壓力很大，但是旗幟決不能倒下?！?/p>