納木錯百米巖芯：青藏高原古氣候變化的新證據

青藏高原的陸地面積約占全國的1/4，而湖泊面積超過全國的50%。這里的湖泊海拔大多在4000米以上，面積大于1千米2的湖泊超過1400個，合計總面積超過50 000千米2，可謂是地球上海拔最高、數量最多、面積最大的湖群區。

我國面積最大的湖泊——青海湖，水量最大的湖泊——納木錯，以及全部位于我國境內目前已知最深的湖泊——當惹雍錯，都位于青藏高原。這些居高臨下傲視一眾東部湖泊的高原湖泊，儲存了巨大的水量。因此，從這個意義上來說，青藏高原不但是“世界屋脊”和“地球第三極”，也是“中國最大的水鄉”[1]。

湖泊沉積物與古環境

湖泊作為地球陸地水圈的重要組成部分，聯系著大氣圈、生物圈和巖石圈，是各圈層相互作用的連接點，是大氣、水、沉積物界面等進行物質和能量交換的場所 [2]。青藏高原上的湖泊以內陸封閉湖泊為主，即湖泊中的水不流出湖盆，而是作為一個相對獨立的地理系統存在和發展。封閉湖泊一般是整個流域的最低處，因此也是流域內巖石、土壤、植被、河流及人類活動等信息的聚集地。氣候和環境變化深刻地影響著湖泊的生成、演化及消亡，其中的信息也通過大氣沉降和地表徑流等過程傳遞到湖泊中，進而通過湖泊內部的沉積過程被儲存在湖泊底部的湖泥中，這些湖泥就是湖泊沉積物，它是物理、化學和生物作用的綜合產物。科學家通過采集這些沉積物開展相關分析和研究，從而可以反推沉積物形成時的氣候環境狀況，這就是古氣候（古環境）重建研究，而通過鉆探從沉積物中取出的柱狀樣品就是“巖芯”。

通過湖泊巖芯開展的不同時間尺度的古氣候重建研究，可以讓我們深入了解過去的氣候環境狀況，并建立相應的演化規律，在此基礎上再通過氣候模型可以預測未來一定時間范圍內的氣候變化趨勢，從而為應對氣候變化提供科學依據。由于湖泊分布廣泛，因此在記錄局部地區或者區域尺度的環境變化方面，與其他只在特定環境下存在的環境載體如冰川、黃土、樹木、石筍等相比，具有一定的優勢。

內陸湖泊的演化遵循一定的規律。由于湖泊不斷接納來自外部的物質，且湖泊內部也會由于生物活動產生自生沉積物，因此，如果氣候環境狀況保持相對穩定的狀態，則在經過一定時間后湖泊將會被沉積物填滿，從而完成了其生命過程走向消亡。封閉湖泊一般只有通過蒸發這種單一方式損失湖中的水（少量湖泊會有滲漏現象），隨著時間的推移，留存在湖中的各類礦物離子含量則會逐漸升高，導致湖泊鹽度不斷升高，最終演化為鹽湖。湖泊對氣候變化的響應非常敏感，如氣溫、降水和蒸發等氣候參數會直接對湖泊的演化產生影響，造成湖泊水位的上升和下降，這些變化信息都能夠以某種方式儲存在沉積物中，從而為科學家利用湖泊沉積物研究過去氣候變化提供原始材料。

那么，湖泊沉積物中有哪些內容可以反映過去的環境變化？這包括沉積物的顆粒大小組成（粒度分布）、密度、含水量、磁化率等物理特征，有機質含量、化學元素含量、礦物組成等化學特征，以及一些生物和微生物的化石，如孢粉（花粉）、硅藻、介形蟲、搖蚊等，甚至更小的病毒和細菌，所有這些被稱為環境代用指標，它們可以通過科學的方法被測定，從而知道其具體組成和含量。當然，要進行古環境重建，還需要知道沉積物形成時的年齡，一般可以通過放射性同位素定年技術來確定。

隨著1980年代全球變化研究的興起，青藏高原湖泊沉積與古環境研究迎來了新的發展階段，科學家在包括青海湖、色林錯、班公湖等在內的湖泊中，采集沉積巖芯并開展相關研究，推動了青藏高原古氣候環境演化的研究，同時將青藏高原的古湖泊學通過合作研究的方式推向國際學術舞臺，引起了國際古氣候學界的廣泛關注。之后，利用青藏高原湖泊沉積物開展古氣候古環境研究，進入快速發展階段，這是與青藏高原作為一個獨特的地理單元，對于地球系統科學研究的重要性分不開的。

青藏高原湖泊巖芯鉆探現狀

連續的湖泊沉積巖芯，是開展高分辨率古環境演化研究的重要地質檔案，然而，獲取高質量的長巖芯一直是青藏高原湖泊研究中一個較大的挑戰。受制于技術研發人員及資金的投入，以及受高海拔自然環境、天氣狀況、湖泊水深和設備可操作性等因素的制約，我國湖泊巖芯鉆探多年來未有較大突破，青藏高原湖泊沉積物研究，大多以20米級別以下的為主，時間尺度一般不超過3萬年。更長尺度的湖芯鉆探工作，只能依靠國際大陸科學鉆探計劃（International Continental Scientific Drilling Program， ICDP）的資助和國外鉆探隊完成，我國科學家參與程度與貢獻相對較少。

目前國內研究者常用的是一家外國公司改進的基于活塞取樣原理的鉆探設備和一體化平臺，這套系統基本上實現了半自動化操作，大大提高了采樣效率與成功率（例如在水深130米的地點可在2小時左右完成一次2米巖芯的采樣），在亞ICDP級別的湖泊鉆探技術上具有明顯優勢，近幾年利用此套設備在青藏高原的納木錯（水深93米）、當惹雍錯（水深220米）、塔若錯（水深130米）、色林錯（水深42米）等地，都成功取得了較高質量的巖芯，但鉆探深度沒有超過15米，巖芯年代最老是距今27 000年，仍無法開展更長時間尺度的環境變化研究。

2005年，在ICDP的支持下，利用另一家外國公司的湖泊鉆探系統，在青海湖開展了迄今為止青藏高原上規模最大的沉積物巖芯鉆探工作，鉆探設備和技術主要由美國人負責，中國科學家及相關鉆探技術人員也全程參與了這項工作，積累了一定的湖泊鉆探經驗。整個鉆探過程，由于受到惡劣天氣的嚴重影響，未能達到既定的鉆探深度（700米），實際最大鉆探深度是114.9米，在這個鉆孔中獲得了76.8米的巖芯，取芯率是67% [3]。所以，確保巖芯鉆探成功的因素，除設備、技術及沉積物性質外，天氣也是非常重要的因素之一。

此外，在冬季結冰期的湖面上架設鉆探系統進行取樣，也是常用的湖泊鉆探手段。如在我國的新疆、內蒙古以及東北地區的一些湖泊，科學家都嘗試開展了冰上鉆探工作；在國際上，利用這種采樣方法在南極地區、北歐大陸及西伯利亞等地，也都成功獲取了很多巖芯。然而，對于位于青藏高原內陸腹地的大湖，由于地處較低緯度地區（大多位于北緯30°附近），冬季的太陽輻射仍較強，不利于湖冰發育，因而，湖泊的冰凍條件達不到冰面鉆探的要求。比如，盡管納木錯海拔4730米，冬季極端氣溫可低至-30℃左右，但其完全結冰期只有3個月，即二月中旬到五月中旬，深水區湖冰厚度在0.5—0.6米，且持續時間不超過兩個月[4]，無論從冰厚（一般要求冰厚超過1米），還是冰層持續時間，都無法滿足長巖芯鉆取的需要，特別像納木錯這樣的大型湖泊，較長距離的設備運輸在冰面上幾乎是難以實現的。因此，長巖芯鉆取工作首先要解決的就是在較大風浪條件下，保持平臺的穩定性。其次，還需要根據沉積物地層性質，對鉆具進行有針對性的改進，以確保在遇到砂層甚至礫石層時能夠順利穿透。這些要求對于在納木錯這樣的高海拔深水湖泊中進行百米級別的巖芯鉆探，都是前所未有的挑戰。

納木錯國際大陸科學鉆探計劃

國際大陸科學鉆探計劃（ICDP）是一個大型國際合作計劃，創立于1996年，中國是發起國之一，目前有21個成員國。該計劃致力于聯合各國科學家及工程師，在地球的主要大湖及湖盆內開展科學鉆探工作，來研究地球的氣候環境演化規律、構造活動、生物演化、地質災害等等相關科學問題。至今已在全球幾十個地點開展了科學鉆探，許多著名大湖都已完成鉆探計劃，如貝加爾湖、馬拉維湖、死海、伊塞克湖等[5]。其中，貝加爾湖是地球上最深的湖泊，最深處超過1600米，科學家在該湖中開展了多次科學鉆探工程，1997年在南部湖盆1200米水深處獲取約225米的巖芯，可謂是前ICDP時期（貝加爾湖早期的鉆探計劃實施時間在ICDP成立之前）湖泊鉆探中的一項開創性工作[6]。死海是全球湖面最低的湖泊，湖面海拔為-427米（2013年數據），在ICDP項目的資助下，科學家在該湖297米水深處鉆探深度達到455米，共計獲取406米長的巖芯，取芯率約為89% [7]；死海的巖芯鉆探在已完成的ICDP湖泊鉆探項目中，其鉆探深度是最深的，利用這支巖芯，科學家對過去22萬年以來死海流域的水文氣候變化格局進行了詳細的研究[8]。

目前，我國已有多個大陸鉆探計劃納入ICDP框架下[9]，特別是2018年5月完鉆的松遼盆地“松科二井”，以7018米的鉆探深度成功創造了多項記錄，成為全球首個鉆穿白堊系的科學鉆井，大大顯示了我國大陸科學鉆探水平。ICDP與成立時間更長、影響更大的國際大洋發現計劃（International Ocean Discovery Program， IODP）有異曲同工之處，該計劃是深海鉆探計劃的第四階段，始于1968年，至今已運行50多年。這兩項計劃有很多相似甚至相同的科學訴求，可以說是“姊妹計劃”，只是后者，顧名思義，聚焦于海洋鉆探。

在納木錯開展前期研究工作中，我們于2008年在接近湖中心的位置處采集了約11米的巖芯，該巖芯為重建過去2.4萬年來的連續環境變化提供了基礎。距今2.4萬年前的時期處于末次冰盛期（last glacial maximum， LGM），即距離現在最近的一次冰期鼎盛期，氣候比現在更寒冷，那時的納木錯湖面遠比現在低，湖水可能只有十幾米深，而現在的納木錯最大水深處接近100米。隨著LGM的結束，在距今約1.6萬年時，納木錯地區的環境狀況發生了顯著變化，降水突然增加，湖面抬升，我們認為這種氣候狀況的改變是因為印度季風的增強，取代了之前在該地區占統治地位的西風系統[10]，印度季風主要源于印度洋孟加拉灣，季風攜帶大量水汽，翻越喜馬拉雅山脈進入青藏高原腹地，從而帶來大量夏季降水。這種大氣環流系統的巨大改變，對區域氣候產生了深遠影響，在納木錯以西的當惹雍錯和塔若錯，同樣捕捉到了這種環流系統改變的信號[11]。然而，限于巖芯長度，對LGM之前的湖泊狀況及氣候特征，仍無從得知，特別是對于“青藏高原大湖期”這樣重要而特殊的時段（距今4萬年—2.5萬年），無法進行研究和驗證[12]。末次冰盛期仍是距今比較近的歷史時期，目前精確了解的環境變化尚不足以覆蓋一個完整的冰期—間冰期循環。科學家通過對深海有孔蟲的研究發現，在過去百萬年時間尺度上，地球的環境變化經歷了幾十個冰期—間冰期循環，這主要是受到地球軌道參數周期性變化的影響，處于青藏高原地區的湖泊中勢必也存在這種變化的痕跡。

經過2014年和2016年兩次在納木錯開展大規模沉積物地球物理勘探考察，我們確認在納木錯深水區可見的沉積物厚度可達700米以上，根據對已有巖芯沉積速率的推算，并結合沉積物地層的變化規律，大致判斷這些沉積物的年齡達到百萬年的時間尺度，顯示納木錯具有開展更長時間尺度研究的巨大潛力，而在這樣的湖泊中開展深水鉆探將是一個巨大的挑戰，由此拉開了申請ICDP鉆探項目的序幕[13]。

經過兩次申請，首先獲得ICDP關于召開納木錯鉆探項目國際研討會的資助。2018年5月，來自13個國家的45位不同領域的科學家齊聚北京，在為期三天的研討會上，詳細討論了在納木錯實施大陸科學鉆探項目的科學意義、可行性，并初步擬定了鉆探計劃。之后開始鉆探項目實施的申請，同樣是經過兩次申報和評審，最終在2020年6月獲得批準，正式納入了ICDP的項目資助計劃。

該項目在納木錯中心湖區規劃了5個鉆探點位：其中三個點位計劃只采集上部150米深度的巖芯，每個孔采集3個平行巖芯，一個主孔（DT-1）計劃鉆取到700米深處，另在主湖區偏南位置計劃鉆一個200米深的鉆孔（GH-1），全部計劃采集的巖芯將達2250米[13]。考慮到納木錯地區的高海拔及天氣狀況，這將是一個極具有挑戰性的鉆探項目，對鉆探平臺、鉆機、鉆探技術人員以及后勤保障都提出了非常高的要求。而從ICDP多年的實施結果來看，超過500米深度的鉆孔仍然非常少，如果納木錯鉆探項目能夠順利按計劃完成，這將是對國際湖泊鉆探領域的一項巨大貢獻。

通過納木錯鉆探項目，我們將首次獲取青藏高原中部地區百萬年時間尺度的連續環境變化序列，從而可以對氣候變化及驅動機制、西風環流和印度季風系統的協同作用、冰期—間冰期旋回及轉換特征、水生生物區系對長時間環境變化的響應和適應等重要科學問題開展深入研究，并可以此為基礎，與南北極、北大西洋等地區的古氣候序列開展對比研究，尋找第三極地區與地球上其他重要地區氣候變化的異同，從而為深入認識青藏高原在地球環境系統演化中的作用和地位，提供新的科學證據，推動青藏高原古氣候研究的發展。

納木錯百米巖芯的獲取及意義

在經過了周密的準備后，我們和地礦公司的技術人員組建了一支12人的鉆探工作隊，技術人員在地礦勘探及陸地巖芯鉆取方面都具有豐富的經驗，曾在2005年作為輔助人員，參加了青海湖ICDP的鉆探工作。然而，真正在近百米深的深水湖泊中開展百米長度的巖芯鉆探，對他們依然是一個全新課題。

2019年7月1日，正式開鉆。此時，大家信心滿滿。140余個大油桶拼成的54米2的水上平臺，將全部鉆探設備運至位于納木錯東部湖區水深38.6米的預選取樣點，順利鉆進至14.8米，遇到了礫石層，單個石塊最大可達6厘米，說明那個時候湖水非常淺，甚至由于湖面下降，鉆探點已經露出水面，從而形成濱湖相沉積，這符合我們的預期，可以說在淺水區的鉆探試驗是成功的。于是，我們將平臺轉移至中心湖區水深94.0米的第二鉆探點，也是計劃采集能突破100米巖芯的地方。開闊湖區的風浪往往比淺水區更強烈，因此對平臺穩定性提出了更高的要求。為了穩住平臺，嘗試了多種方案（包括形狀、大小、重量等）的錨，最終都沒有完全解決平臺穩定性的問題，因為每個湖的底泥性質不一樣，錨的適用性也需要根據實際情況進行改進。然而，最終導致鉆探中止的原因仍是地層因素，在如此深水條件下，巖芯采集到19.8米時仍遇到砂石層，可見的最大顆粒長約2厘米，這給在泥中處于自由狀態的整套鉆具帶來了巨大的阻力，且極容易損壞鉆具。考慮到平臺穩定性仍待提升，且砂層對繼續采樣帶來巨大難度，鉆探工作暫時擱置下來，接下來兩個多月時間里，一直在嘗試改進各種方案，但由于天氣持續較差，因而直到9月中旬都未能再次嘗試開鉆。

接下來的整個冬天，大家一直在進行技術上的討論并改進設計方案，所有準備工作在新冠疫情的籠罩下，有條不紊地進行著。2020年5月中，隊伍重整旗鼓，再赴高原。經過加大平臺（由54米2增加到81米2）、改進錨及增加拋錨的電動提升機、增加套管，并創造性地提出水中套管扶正系統等一系列改造后，剛好來到7月1日，時隔一年，再次開鉆，一切重新開始。

在納木錯地區，6月份是風浪較小的時候，因為季風還沒有強盛起來，降雨也相對比較少，正是開展湖上作業的理想時段。納木錯的風浪見證了我們的努力，平臺被四個大錨牢牢固定在水中，有時二三天風浪天氣過后，平臺位移都只在一米以內，可以輕松地通過調整各方向的錨繩將平臺歸位，這為采樣工作提供了最基本的保障。而經過精細設計和小心放置的三個長條浮筒，將套管穩定地直立于94.5米的深水中，通過這個套管，鉆具下到湖底沉積物中進行巖芯鉆取，就非常類似于陸地鉆探了，且保證每一次都能夠在同一個鉆孔中繼續采樣。

與上一年3個多月的時間中只有36天能夠上湖工作相比，2020年的天氣似乎整體上更好一些，鉆探工作進展比較順利，其中最多的時候，一天之內可以完成5個回次，獲取約12.5米長的巖芯，盡管需要大家從早忙到晚，且在如此高的海拔下工作會非常疲憊，但這樣的收獲帶給大家的是滿滿的信心和激勵，大家都忘記了疲勞，保持著高漲的熱情。鉆探100米的第一個目標終于在7月21日下午三點順利實現，當天第二次的嘗試，鉆進至100.63米。大家歡呼雀躍，喜極而泣，這個一百米實在是來得太不容易了。之后進展比較平穩，在8月3日達到153.44米，結束鉆探，完成了耗時一年多的納木錯百米深鉆工作，實現最初設計目標。

本次納木錯巖芯鉆探工作，利用自主設計和集成的鉆探系統，克服了納木錯較大風浪的不利影響，獲取了總采集率為96%的高質量巖芯，實現鉆探深度和巖芯長度的雙突破，創造了我國湖泊巖芯鉆探的新記錄。從采樣技術的角度來說，這是我國科學家首次在高海拔深水湖泊中獲取百米以上巖芯，對我國湖泊鉆探與古湖泊學的研究具有重要的推動意義。從古環境研究的角度來說，通過研究百米巖芯，可以恢復青藏高原中部地區近15萬年來的高分辨率氣候環境變化序列，重建深海氧同位素5階段以來冰期—間冰期的氣候旋回及特征事件，為青藏高原氣候變化及機制研究提供新的科學證據。

這項工作從科學研究的實際需求出發，對已有的平臺和鉆探系統提出了更高要求，并經過多次嘗試和大量改進，最終成功完成并實現了項目設計的目標，是一個科學需求驅動技術改進的典型范例，為地球科學領域科學和技術的結合發展模式做出了一定的貢獻。也為在納木錯實施ICDP項目積累了成功經驗，為今后高水平研究奠定了基礎，大大提高了中國科學家在合作項目中的話語權。

納木錯百米水深下的百米巖芯，為我們更大的鉆探計劃開了一個好頭，盡管這個開頭非常不容易，但讓我們看到了700米巖芯鉆探的希望，也給了我們更大信心去繼續努力。半個多世紀的青藏高原科學考察和研究從來不缺挑戰，老一輩科學家在條件極為艱苦的年代里，用自己的行動塑造了一支敢打敢拼的青藏科考隊，深刻詮釋了以“艱苦奮斗、開拓創新”為主要內涵的青藏精神。21世紀的青藏科考隊一定會遵循“腳踏實地、勇于探索、協力攻堅、勇攀高峰”的新時期青藏科學精神，將科考事業持續推進，為深入認識青藏高原和建設美麗青藏高原做出新貢獻。

[本文相關工作得到中國科學院戰略性先導科技專項（XDA20070101）和第二次青藏高原綜合科學考察研究項目（2019QZKK 0202）資助，以及科普中國共建基地“青藏高原地球科學科普教育基地”項目的支持。]

[1]朱立平， 王君波， 彭萍， 等. 青藏高原，如何造就中國最大的“水鄉”？“第三極大本營”公眾號， 2019.12.9. https：//mp.weixin.qq.com/ s/3ysY8AB7k-brYc4gsT018Q.

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