本刊記者 朱剛剛

地磁場是地球最重要的物理場之一，它起源于地球外核磁流體運動，因此，地磁場演化蘊含著豐富的地球內(nèi)部動力學(xué)信息；其次，記錄在巖石和沉積物中的古地磁信息還可以用來研究地球板塊的運動歷史。20世紀初科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了地磁極性倒轉(zhuǎn)行為，為隨后板塊構(gòu)造理論和全球古海洋學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。此外，地磁場可以有效地屏蔽宇宙射線，保護地球生命，在地球生命演化歷程中起著至關(guān)重要的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，通過與其它學(xué)科交叉結(jié)合，地磁學(xué)的研究領(lǐng)域不斷擴展。目前古地磁學(xué)的研究范疇已經(jīng)從傳統(tǒng)的板塊構(gòu)造和地磁場強度演化研究，拓寬到巖石磁學(xué)、環(huán)境磁學(xué)、理論磁學(xué)、生物磁學(xué)、海洋磁學(xué)以及環(huán)境污染等多個研究領(lǐng)域，顯出很強的生命力和創(chuàng)造力。

在近年來新一輪的學(xué)科發(fā)展中，中國科學(xué)院古地磁與年代學(xué)實驗室(PGL)研究團隊獲得基金委創(chuàng)新研究群體以及中科院創(chuàng)新團隊項目資助，立足學(xué)科前沿，在古地磁學(xué)與年代學(xué)以及相關(guān)研究的領(lǐng)域取得了豐碩的成果。

科學(xué)利器：建設(shè)國際一流的實驗室

古地磁學(xué)是一門集成野外與實驗觀測以及理論模擬的綜合學(xué)科，而實驗室平臺建設(shè)是學(xué)科發(fā)展的前提與依托，尤其是PGL科研領(lǐng)域的發(fā)展與實驗平臺建設(shè)密切相關(guān)。在過去十幾年中，PGL的平臺建設(shè)發(fā)生了質(zhì)的飛躍，研究領(lǐng)域不斷拓寬。

PGL的前身是中國科學(xué)院原地球物理研究所的“古地磁實驗室”，其研究內(nèi)容主要涉及古地磁的傳統(tǒng)領(lǐng)域。中國科學(xué)院地球物理研究所與地質(zhì)研究所合并之后，PGL增加了巖石磁學(xué)實驗、地磁場古強度測定、同位素定年、生物地磁學(xué)和稀有氣體等實驗研究平臺，成為國際上僅有的能開展古地磁、環(huán)境磁學(xué)、年代學(xué)和稀有氣體示蹤地球深部過程的綜合性實驗室，大大拓展了傳統(tǒng)古地磁的研究領(lǐng)域。

目前PGL的研究方向有地磁場演化與地球內(nèi)部動力學(xué)、板塊運動學(xué)、綜合地質(zhì)年代學(xué)、生物地磁學(xué)、巖石磁學(xué)與環(huán)境磁學(xué)以及稀有氣體研究等領(lǐng)域。研究的介質(zhì)從地球各種巖石，到行星隕石，大到行星尺度，小到微生物體內(nèi)的納米級磁性顆粒。PGL實驗室綜合平臺的建設(shè)極大地促進了不同學(xué)科的交叉與研究成果的產(chǎn)出。

和諧團隊：人才梯隊建設(shè)與學(xué)科互補的優(yōu)勢

自實驗室創(chuàng)建以來，PGL研究團隊吸收了來自地球物理學(xué)、地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)、生物學(xué)、地理學(xué)與物理學(xué)等多個學(xué)科的人才，為開展學(xué)科交叉研究提供了基礎(chǔ)與保障。該團隊擁有研究員5名，副研究員4名（包括1名英國學(xué)者），開發(fā)技術(shù)員1名，研究梯隊與研究內(nèi)容相輔相成。目前，研究團隊成員劉青松研究員側(cè)重于基礎(chǔ)巖石磁學(xué)、沉積物復(fù)雜磁性機理以及海洋磁學(xué)的研究；潘永信研究員從事地磁場與地球內(nèi)部動力學(xué)以及生物地磁學(xué)方面研究；鄧成龍研究員的研究重點在于沉積盆地定年和中、新生代陸地生物群年代學(xué)及其沉積環(huán)境背景演變；王非研究員的研究特色是氬-氬年代學(xué)與熱年代學(xué)及其在地學(xué)中的應(yīng)用，目前正在拓展建立U-Th/He低溫?zé)崮甏鷮W(xué)實驗平臺；賀懷宇副研究員的研究側(cè)重地幔稀有氣體同位素組成，為大陸巖石圈地幔性質(zhì)等重大基礎(chǔ)地質(zhì)問題提供了有效的研究方法；田蘭香副研究員主要從事生物地磁學(xué)研究；秦華峰副研究員和Paterson副研究員主要從事地磁場古強度研究和儀器研發(fā)。

PGL團隊的貢獻充分地得到國際同行的認可。目前，潘永信研究員任國際地球深部研究（SEDI）咨詢委員以及國際知名地球物理雜志的編委；劉青松研究員任國際地磁學(xué)與高空物理學(xué)協(xié)會（IAGA）巖石磁學(xué)工作組主席。

PGL目前已經(jīng)逐漸發(fā)展成為一個多學(xué)科交叉的聯(lián)合實驗大平臺。在未來的5年中，PGL將組建兩個相互聯(lián)系的學(xué)科組：古地磁與年代學(xué)學(xué)科組以及地磁學(xué)與內(nèi)部動力學(xué)學(xué)科組。各個分支方向的學(xué)術(shù)帶頭人在和諧的科研氣氛，側(cè)重各自重點，同時圍繞地球與行星磁場演化核心主題聯(lián)合攻關(guān)。

前沿理念：開放、創(chuàng)新、育人、快樂科研

如果說先進的儀器是基礎(chǔ)，高素質(zhì)的團隊是源動力，那么前沿的理念便是整個實驗室團隊的靈魂與核心，是引領(lǐng)實驗室的發(fā)展方向，培養(yǎng)創(chuàng)新人才，推動前沿學(xué)科發(fā)展的關(guān)鍵所在。PGL在發(fā)展歷程中，始終秉承開放、創(chuàng)新和育人的前沿理念，在經(jīng)驗中積累，在積累中前行。

古語說“流水不腐，戶樞不蠹”，PGL的第一個重要理念就是“開放”。實驗室每天24小時，全年運轉(zhuǎn)，其中有三分之一的時間開放給國內(nèi)外的研究人員進行相關(guān)研究。進入實驗室所有科研人員自己親自做實驗，并負責(zé)值班期間實驗室的衛(wèi)生與安全。實驗室有完善的儀器預(yù)約、由學(xué)生當研究助理并操作培訓(xùn)的管理體系。

在PGL的開放體系下，這里成為了來自各地科研工作者思想交流的場所。PGL研究團隊定期舉辦各種層次的會議，從團隊內(nèi)部例行的周會，到3年一次的地球行星內(nèi)部國際研討會（BEPIS），幫助團隊內(nèi)部及國內(nèi)外團隊之間的交流討論。在PGL，最大的感觸就是國際化的研究氛圍，這里有來自世界各地優(yōu)秀科研工作者的身影。目前PGL團隊已經(jīng)創(chuàng)建了中-法生物礦化與納米結(jié)構(gòu)聯(lián)合實驗室（LIA_BioMNSL）和中-法季風(fēng)-海洋-氣候聯(lián)合實驗室(LIA_MONOCL)，分別在生物礦化、生物地磁學(xué)，以及海洋地質(zhì)與地球物理學(xué)方面開展卓有成效的國際合作。這種開放化的管理體系不僅極大地促進了科研人員之間思維的碰撞和新思想的產(chǎn)生，而且成為不同國度和不同領(lǐng)域研究人員之間的紐帶。實驗室已成功舉辦了兩屆地球與行星內(nèi)部國際研討會和第2屆趨磁細菌與生物礦化國際研討會。

圖1 PGL團隊的研究內(nèi)容。

PGL的第二個理念就是堅持創(chuàng)新。PGL團隊在不同學(xué)科知識體系的交叉下，把握學(xué)科交叉機遇，開辟了生物地磁學(xué)研究新方向，拓寬了古地磁學(xué)的傳統(tǒng)研究領(lǐng)域。先進的設(shè)備和實驗手段是保持實驗室長久站在研究領(lǐng)域前沿的基礎(chǔ)，也是推動整個領(lǐng)域發(fā)展的客觀條件。針對實驗研究的需求，實驗室已經(jīng)成功研發(fā)古地磁領(lǐng)域新一代熱退磁爐，目前正在積極開發(fā)變頻磁化率儀、自動磁化率儀等。此外，通過建立新的生物磁學(xué)、礦物磁學(xué)、稀有氣體等技術(shù)平臺，保證實驗室在技術(shù)創(chuàng)新方面的優(yōu)勢地位。

圖2 PGL團隊的代表性研究成果總結(jié)(按照時間演化排序)。（a）巖石磁學(xué)研究；（b）生物磁學(xué)與應(yīng)用研究；（c）地磁極性倒轉(zhuǎn)過程研究；（d）泥河灣盆磁性地層學(xué)研究；（e）西藏地區(qū)構(gòu)造磁學(xué)研究；(f)白堊紀超靜磁前期火山巖記錄的地磁場古強度變化。

實驗室發(fā)展的目標之一是培養(yǎng)一流科學(xué)家。PGL的育人理念分為兩部分：育才和育德。科學(xué)研究與教學(xué)活動相結(jié)合，是PGL主要的育才理念。在科學(xué)研究方面，鼓勵學(xué)生在實踐中學(xué)習(xí)，創(chuàng)造寬松自由的學(xué)術(shù)環(huán)境，提供高水平的交流平臺和合作機會。PGL團隊最具特色的育才理念是培養(yǎng)學(xué)生對儀器的了解，每臺儀器都有學(xué)生做儀器助理，負責(zé)日常的儀器監(jiān)控和維護。在此過程中，學(xué)生不僅加深了對儀器原理的了解，也培養(yǎng)了作為實驗室成員的責(zé)任心。PGL團隊也為其他機構(gòu)研究工作者提供培訓(xùn)，比如PGL開設(shè)的“古地磁與年代學(xué)及地質(zhì)應(yīng)用”培訓(xùn)班，除了為學(xué)員提供高質(zhì)量的課程外，也提供給了一個共同交流的平臺。

在育德方面，PGL制定了明確的規(guī)章制度規(guī)范和監(jiān)督學(xué)生的實驗態(tài)度和行為。育德育才，方能育人。正是由于堅持自己的育才理念，PGL團隊才能堅實邁出每一步，擁有今天的發(fā)展。迄今為止，PGL為古地磁學(xué)及相關(guān)地學(xué)領(lǐng)域培養(yǎng)了大量的優(yōu)秀青年人才，成為名副其實的科研與教育基地，實驗室已經(jīng)畢業(yè)研究生50余人，其中有8人獲得教授/研究員職位、10人獲得副教授/副研究員職位、7人獲得國家杰出青年科學(xué)基金資助、3人獲得中科院青年科學(xué)家獎。

人才培養(yǎng)是實驗室持續(xù)發(fā)展的動力源泉，實驗室為青年人才的成長和科研提供了緊張而又有張力的環(huán)境，并且這股年輕的力量也充分發(fā)揮了他們的能動性。為了加強學(xué)生們的凝聚力，實驗室非常注重實驗室文化和體育建設(shè)，營造健康快樂的工作學(xué)習(xí)氛圍，在實驗室上下形成了良好的精神面貌。他們擁有自己的民族樂隊、足球聯(lián)盟、籃球團體、攀巖小隊。極具特色的咖啡角更是成為實驗室成員休閑、聊天、分享新聞的天地。PGL推出了自己的學(xué)術(shù)生活雜志“PGL Letters”，展示出了實驗室的精神面貌。這種時尚氣息使PGL團隊充滿快樂與激情，大大改善了實驗室的科研創(chuàng)新氛圍，促進了團隊的建設(shè)與發(fā)展。

地磁場演化：穿鑿時空的鑰匙

古地磁信息是穿鑿時空的一把鑰匙，其研究涉及多重領(lǐng)域，可以從磁性物理學(xué)研究跨越到地質(zhì)學(xué)應(yīng)用研究。古地磁信息的載體是磁性礦物，我們可以從如下多個角度去研究：1)自然介質(zhì)中所含磁性在地磁場中會定向排列，從而記錄地質(zhì)歷史時期的地磁場信息。樣品攜帶的剩磁我們稱之為天然剩磁。在實驗室中，對天然剩磁進行退磁，可以獲得地磁場的方向和強度信息；2)磁性礦物作為一類特殊的礦物，它的生成、運移、沉積以及后期改造與各種地質(zhì)環(huán)境過程相關(guān)，從而樣品的磁性可以被有效地用來研究地質(zhì)歷史時期中相關(guān)的氣候與環(huán)境演化過程; 3)磁性礦物的磁性變化機理研究。通過綜合計算機模擬與先進的巖石磁學(xué)方法，研究模式磁性礦物（包括實驗室合成的標準磁性礦物以及磁細菌體內(nèi)外合成的磁性礦物）的磁性與控制因素，為判別古地磁信息可靠性、正確解譯環(huán)境磁學(xué)信息以及研究生物礦化與生物醫(yī)學(xué)等提供基礎(chǔ)。

在地質(zhì)歷史時期中，地磁場并非一成不變，而是在不同的時間尺度上變化。地磁極性曾發(fā)生過頻繁的倒轉(zhuǎn)，但其倒轉(zhuǎn)過程和機制并不清楚。為了解釋這個謎底，在上世紀末期，我們對中國黃土-古土壤序列開展了高分辨率的古地磁研究。結(jié)果表明，發(fā)生在78萬年的最后一次地磁極性倒轉(zhuǎn)(松山-布容倒轉(zhuǎn))持續(xù)了幾千年的時間，一個完整的地磁極性轉(zhuǎn)換包含了多次快速倒轉(zhuǎn)過程，同時伴生著地磁場強度的大幅度降低。如果把在轉(zhuǎn)換過程中的地磁極投影在地球上，會進一步發(fā)現(xiàn)地磁極的運動軌跡不僅存在環(huán)太平洋分布的特征，而且還常常在一些特定的地點(如澳大利亞)聚集成簇，暗示著倒轉(zhuǎn)過程與地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。這些發(fā)現(xiàn)極大地加深我們極性倒轉(zhuǎn)這一神秘現(xiàn)象的理解。

在地質(zhì)歷史時期中，發(fā)生了很多次的極性倒轉(zhuǎn)行為，我們把1百萬年發(fā)生的地磁極性倒轉(zhuǎn)次數(shù)定義為地磁極性倒頻率。在白堊紀中期的121-83百萬年間，地磁場極性沒發(fā)生倒轉(zhuǎn)，看上去非常平靜，這一現(xiàn)象被稱之為白堊紀正極性超時(CNS)，或白堊紀超靜磁期。對于形成CNS的機制在國際上一直存在爭議，其核心問題在于CNS期間地球磁場的強度到底是高還是低。我國東部分布著大量的白堊紀火山巖，它是記錄地磁場信息的最有效的介質(zhì)之一。PGL團隊通過深入研究這些火山巖記錄的古地磁場信息，揭示出了在CNS之前地磁場地磁強度在升高，與地磁極性倒轉(zhuǎn)頻率的降低呈負相關(guān)關(guān)系；而在CNS期間地磁古強度并非單一的高或者低，而是在一個較高的值附近波動，這些研究發(fā)現(xiàn)為揭示CNS發(fā)生機制提供了重要的約束，具有重要地球內(nèi)部動力學(xué)意義。

地磁極性倒轉(zhuǎn)具有全球統(tǒng)一性，把過去165百萬年以來所有的地磁極性倒轉(zhuǎn)時間排在一起，可以建立一個全球標準的地磁極性年表(GPTS)。如果把沉積物記錄的地磁極性序列與GPTS相對比，就能獲得沉積物序列的年代框架，這個研究方向稱之為磁極性地層學(xué)。比如，中國北方著名的泥河灣盆地發(fā)育了良好的晚新生代河湖相地層，并且其中包含有豐富的哺乳動物化石和舊石器遺址，是研究中國北方第四紀環(huán)境、舊石器考古和早期人類演化的一個關(guān)鍵地區(qū)。然而由于這套沉積物中缺乏適合進行同位素精確定年的材料，致使該盆地內(nèi)諸多舊石器地點的年代問題一直存在爭議。PGL團隊首先深入研究了泥河灣盆地復(fù)雜沉積物記錄弱剩磁的機理和研發(fā)了新的實驗方法，在此基礎(chǔ)上，綜合巖石地層學(xué)和生物地層學(xué)研究，建立了該盆地的磁性地層年代框架，厘定了泥河灣動物群的時代，并在國際上首次確定了爭論已久的小長梁、馬圈溝等著名舊石器遺址的年代，建立了泥河灣地區(qū)早期人類活動年代序列，為早期人類演化研究提供了新思路。

近些年，PGL的研究思路在于逐步拓寬其研究領(lǐng)域，在中國黃土的磁性機理、生物磁學(xué)及應(yīng)用、化學(xué)合成磁性材料的性質(zhì)研究、氬氬熱年代學(xué)以及稀有氣體在地幔演化與比較行星學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用方面也取得了矚目的成績。地磁場影響生物圈是地球深部制約地球淺層環(huán)境和宜居性的重要形式之一，根據(jù)科學(xué)發(fā)展趨勢，PGL團隊率先開展了地磁場對動物到微生物影響的學(xué)科交叉研究，在動物地磁導(dǎo)航、微生物趨磁性和礦化、以及生物磁性納米顆粒應(yīng)用方面做出了一系列創(chuàng)新性成果。

展望未來，PGL團隊將繼續(xù)堅持現(xiàn)有的實驗室（實驗室網(wǎng)站：http://www.paleomag.net/）管理與人才培養(yǎng)理念，面向?qū)W科前沿，繼續(xù)拓寬研究思路，走出國門，以全球視野關(guān)注地球科學(xué)重大問題，為進一步推動學(xué)科發(fā)展而努力。古地磁場研究方面，進一步結(jié)合理論模擬與實驗觀測，探索自地球形成以來地磁場的演化歷史及其內(nèi)部動力學(xué)過程。構(gòu)造磁學(xué)方面，將關(guān)注重要構(gòu)造單元的運動歷史，為古大陸再造、古地理重建提供有力的運動學(xué)約束。年代學(xué)方面，將古地磁學(xué)與同位素年代學(xué)有機結(jié)合，為重要地質(zhì)事件提供堅實的年代學(xué)制約。在巖石磁學(xué)方面，將結(jié)合微磁模擬與先進的巖石磁學(xué)技術(shù)，系統(tǒng)地厘定自然界中不同磁性礦物間的復(fù)雜磁性機理及相互轉(zhuǎn)換關(guān)系；環(huán)境磁學(xué)方面，綜合海陸記錄，關(guān)注全球粉塵運輸與大氣演化模式。惰性氣體研究方面，將不僅關(guān)注地幔演化，并跳出地球的圈層，從比較行星學(xué)角度看地球演化的獨特性。總之，PGL團隊通過集成多學(xué)科的優(yōu)勢，希望為研究地球的長期演化提供一把真正穿鑿時空的鑰匙。