作者:张梅 张行勇 来源:中国科学报 发布时间:2016/9/9 8:50:03
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周卫健:致力读懂黄土密码

周卫健 

■通讯员 张梅 本报记者 张行勇

“在海拔5000多米的高原地区采集样本,是为了获得大气14C(碳十四)的自然本底数据,从而更好地研究气候环境变化的自然规律和人为影响,为环境治理与经济社会发展提供科学思路。”前不久,《中国科学报》记者在中国科学院地球环境研究所采访中国科学院院士周卫健时,正好赶上她刚刚从西藏采集二氧化碳样本回来。

而这,正是基础科学研究的重要价值。

解译黄土中的地球环境变化历史

在大约距今260万年开始的第四纪,生物界的面貌已接近现代,灵长目中的一支完成了从猿到人的进化。在几百万年的环境变迁中,地球上留下了各种记载变迁的印记。

近百年来,世界上众多科学家们一直希望并致力借助现代科学技术手段,通过研究这些印记,探索地球环境演化的规律,为人类可持续健康发展提供科学依据。

分布在中国北方的广袤黄土堆积,不仅系统地记录了第四纪以来区域气候变化历史,也记录了地磁极性转换以及地磁漂移信息,是地球环境研究的理想对象,被誉为过去环境变化研究的三大支柱之一。

但基于磁性地层建立中国黄土—古土壤序列的年代框架时,却与海洋沉积的磁性转换界线存在差异,这使得黄土记录的古气候事件的全球对比研究有很大的不确定性。而应用宇宙成因核素10Be示踪地磁场演化具有较高的敏感性,能够捕获地磁场变化的微弱信号,通过分析与地球磁场强度相关的核素产率变化信息,可以重建古地磁场相对强度变化的历史,从而标定地磁极性倒转事件的确切层位,建立黄土地层可靠的年代序列。

然而,我国黄土成因复杂,黄土10Be浓度包含了粉尘、降水等复杂信息,不少地学工作者认为不可能对黄土中的10Be进行示踪古地磁场强度变化研究。前人的研究主要是利用黄土10Be进行古气候研究。利用中国黄土10Be研究地磁场强度变化一直是国际学术界的难题。

如果能攻克这一问题,就可以为研究更长尺度的环境变化开辟新的研究方向。

周卫健团队瞄准了这一科学难题,创造性地提出将影响黄土10Be浓度的气候因素与地磁场因素分离的思想,解决了在距今78万年左右的“布容—松山(B/M)地磁极性倒转事件”在黄土和海洋记录中不同步的重大科学难题,为建立中国黄土可靠年代和改善海陆古气候对比提供了可靠的年代标记,强化了中国黄土在全球变化研究中的地位和意义。

大约在距今12500年,北半球发生快速降温事件,突然的降温使迁移到高纬度地区的动植物大批死亡,直至距今11500年左右,气温又开始回升。这就是古气候研究中著名的“新仙女木”事件。仙女木是在这一时期的沉积层中发现的一种植物花粉。

在对这一事件的研究中,以我国黄土高原为代表的中纬度地区,有着和高纬度地区不同的变化特征。周卫健在黄土和泥炭地层中检测出东亚“新仙女木”事件的地质生物证据,并提出该事件在中低纬地区具有百年尺度干冷—湿冷—干冷的季风气候波动特征,纠正了国际研究中长期以来对东亚“新仙女木”事件以冷干气候为特征的认识。

这些突破性的研究成果在全球增温的背景下,为东亚乃至全球气候预测及其相应对策提供了科学依据及历史相似型,推动了气候变化成因的研究。

为古“印记”定年

14C是地质和考古定年中重要的放射性同位素。上世纪80年代末,我国14C测年手段还相对比较落后,“定年”成为相关科学研究中的难题。

就在经费不足、设备落后的情况下,周卫健不畏困难,创造条件,在14C测年方面进行了大量探索研究。她将国外学习期间掌握的14C 制样技术应用于黄土室年代学实验室,在西安首先建立了100毫克碳量的小样品的14C测年的制样装置。悉尼大学测年中心主任Barbetti评价,“在西安建立的这项技术证明了它能提供高质量数据。作者对14C测年技术已作出重要和有价值的贡献”。后来又建立了1毫克碳量的制样装置,使其构成了一套完整的测年方法序列。

“高精度、高分辨率的可靠年代标尺的建立和环境过程的示踪是我国地球环境科学研究的瓶颈。我们要取得更多原创性研究的突破,必须突破这一瓶颈。”说起在地球环境所建立国家加速器质谱平台的初衷,周卫健如是说。经过十年努力,2006年8月,由科技部、中国科学院和教育部共同支持的“西安加速器质谱中心”正式成立。

西安加速器质谱中心建成后,周卫健长期从事的14C年代学研究拓展到了中国黄土10Be的示踪研究。

据了解,在周卫健的严格要求和努力下,加速器质谱设备的制造商荷兰HVEE公司与中方密切合作,对仪器进行了改进,优化了测量参数,西安加速器质谱各项指标达世界先进水平,10Be探测灵敏度达3.6×10-15,被誉为“世界同类设备的最好水平”。

“正是这一系列研究技术和方法的创新,与基础理论上的创新思考有效地结合起来,我们才能在基础研究中取得重大突破,才能做出国际研究中得到共识的科研成果。”周卫健如此说。

摇椅上的“灵光一现”

在黄土10Be示踪研究中,周卫健提出的分离气候因素与地磁场因素的创新思想,被称为“佛罗伦萨猜想”,是周卫健在意大利学习加速器质谱分析技术与应用时,在摇椅上的“灵光一现”。

当时,由于所在实验室装修,周卫健在住处的摇椅上冥思苦想中国黄土10Be无法开展地磁场变化示踪的原因。“究竟如何分离黄土10Be浓度中受地磁场和气候变化影响的不同组分?”突然一个灵感,“将磁化率视为分离黄土10Be浓度中受气候因素影响的代用指标”,她也顾不得实验室装修的气味,立刻召集学生模拟计算,果然得到了预想的结果,终于突破了困扰这一领域的难题。“当时就像中了大奖一样兴奋,立刻回国进行系统分析研究。”今天讲起当时的情景,周卫健依然是兴奋不已。

人生的道路上没有随随便便的成果。成就这个“灵光一现”的,正是周卫健几十年的积累与钻研。如同2009年当选为中国科学院院士后,她被问得最多的是“你学外语出身,为何能成为自然科学领域的科学家?”

事实上,正是扎实的外语功底,为她更好地积淀专业知识提供了有力的工具,有利于领会、跟踪、准确把握国际前沿动态,有利于与国际一流的科学家和研究机构开展合作。

“大学毕业到中科院地球化学所工作时,我体会到,要做好地球化学学科的翻译工作,就必须掌握并储备足够丰富的专业知识。”

于是,周卫健对自己定下了很严格的学习目标,她一边工作,一边到贵州师范大学地理系学习。她的勤奋努力受到了地化所领导的重视,领导鼓励她把外语作为工具,走学科交叉的道路。

在地化所浓厚的学术氛围的熏陶下,她对地球科学的兴趣潜移默化中越来越浓厚。“你的英语学得这么好,又这么年轻,现在转行还来得及。”著名古生物学家、第四纪地质学家、中国科学院院士周明镇的一番话更是坚定了她钻研地球科学的信念。从此,她在探秘地球环境变化的道路上不断前行、探索,义无反顾地踏上了地球科学的研究之路。

上世纪80年代中期,周卫健成为中科院在西安筹建“黄土与第四纪地质研究室”的首批研究人员,来到西部黄土高原。之后,在被派往澳大利亚学习14C分析技术期间,她又以优异成绩完成了澳大利亚国立大学地理系硕士课程,澳方导师建议她硕博连读,但是当时单位正处于发展的关键时期,函告她马上回国,参加实验室的建设及评审工作,考虑到研究室迫切需要人手来开展工作,她以单位事业为重,放弃直接攻读博士学位的机会,回国建立放射性碳测年实验室。为了进一步扩充专业知识,提高自己的科研能力,周卫健1992年考入西北大学地质系,攻读博士学位,师从著名地质古生物学家薛祥煦教授。

三年勤奋努力,她完成了大量的野外采样和实验分析,相关成果多篇论文在国际期刊发表,并产生了较大的影响。1995年,她的博士论文通过答辩,并于1999年入选首届“全国百篇优秀博士学位论文”。

对地球科学专业知识的系统学习,在研究所一线的科学研究就像厚重的黄土地,为她科学研究中的诸多“idea”提供了丰厚的土壤,并结出累累硕果。

这些成果,不仅推动了整个学科领域的研究,还为西部大开发以及环境治理提供了科学决策的依据。2007年7月以后,周卫健被选任九三学社陕西省委员会主委,2008年当选陕西省政协副主席,她还是九届、十届、十一届、十二届全国人大代表。她利用参政议政机会,为陕西省乃至国家西部大开发、山川秀美建设等经济社会发展所面临的急迫问题,积极建言献策,为政府提供科学决策支持。

“今后希望将更多的时间和精力集中到研究所的发展和人才培养上。”作为中科院地球环境研究所所长的周卫健对记者说。

《中国科学报》 (2016-09-09 第2版 人物)
 
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