本刊記者 孫欣欣

胡建芳：重見遠(yuǎn)古之光

本刊記者 孫欣欣

2015年12月“973”課題匯報(bào)

自地球形成，經(jīng)歷了太古代、元古代、古生代、中生代和新生代5個(gè)時(shí)期?！按睘榈刭|(zhì)時(shí)代的劃分單位之一，代之下又可劃分若干紀(jì)，如寒武紀(jì)、侏羅紀(jì)、第四紀(jì)。各個(gè)地質(zhì)時(shí)期發(fā)生的大事件，在地球自身、地殼運(yùn)動(dòng)、巖石、構(gòu)造、古生物、地磁、古氣候等多方面都留下了記錄。而它們就像一個(gè)個(gè)來自遠(yuǎn)古的使者，接通古今，為預(yù)測(cè)未來地球變化提供線索。

中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所研究員胡建芳就是與這些使者對(duì)話的人之一，她探索著一層層揭開遠(yuǎn)古時(shí)期的神秘面紗，使其透出縷縷閃耀之光，呈現(xiàn)在世人面前。

在“冷門”方向中鍥而不舍

1992年11月，在廣州市天河區(qū)，有機(jī)地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室正式掛牌成立。20余年來，針對(duì)我國對(duì)石油天然氣資源與環(huán)境的戰(zhàn)略需求，以及當(dāng)代有機(jī)地球化學(xué)學(xué)科的發(fā)展走勢(shì)，實(shí)驗(yàn)室依托于中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所逐漸發(fā)展形成了“石油天然氣地球化學(xué)”“環(huán)境有機(jī)地球化學(xué)”和“生物有機(jī)地球化學(xué)”3個(gè)方向，均取得了一批高水平的科研成果。然而，后者不同于前兩者，具有很強(qiáng)的基礎(chǔ)研究色彩，不直接產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，受國家戰(zhàn)略需求導(dǎo)向的影響，生物地球化學(xué)一直以來未受到廣泛重視。

何為“生物有機(jī)地球化學(xué)”？簡單來說，生物有機(jī)地球化學(xué)就是以特征生物標(biāo)志物及相關(guān)的碳、氫、氮同位素為主要研究手段，揭示與碳、氮及水循環(huán)有關(guān)的地球化學(xué)過程，“我們更多的是通過特征生物標(biāo)志化合物來建立相關(guān)代用指標(biāo)，研究現(xiàn)代地質(zhì)過程；通過代用指標(biāo)的現(xiàn)代過程與適用性研究后，再重建古生態(tài)古環(huán)境，比如白堊紀(jì)、第四紀(jì)的環(huán)境溫度、二氧化碳及古植被的變化趨勢(shì)等”，胡建芳娓娓道來，“當(dāng)前大家經(jīng)常談到氣候變化，人類排放的二氧化碳到底對(duì)地球變暖有多大的影響？只有從很長的時(shí)間范圍內(nèi)把地球本身的氣候變化規(guī)律理清，才能更好地預(yù)測(cè)日后的氣候變化”，這也是生物有機(jī)地球化學(xué)研究的價(jià)值所在，即為地球表層系統(tǒng)環(huán)境演變研究提供機(jī)制上的證據(jù)。

1996年以來，胡建芳就一直從事此方面的學(xué)習(xí)研究，盡管坐了多年的冷板凳，但她始終堅(jiān)持在基礎(chǔ)研究幕后，辛勤耕耘，探索不輟。說起她與生物有機(jī)地球化學(xué)結(jié)緣，還是機(jī)緣巧合。“我本科學(xué)的是石油地質(zhì)勘查，后來在和導(dǎo)師交流學(xué)習(xí)過程中覺得生物有機(jī)地球化學(xué)特別有意思，而且當(dāng)時(shí)也有課題支持”，就這樣，胡建芳在考入了中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所地球化學(xué)專業(yè)后，深入探索著自己的興趣領(lǐng)域。

興趣可以為前進(jìn)提供源源不斷的動(dòng)力，若不是對(duì)生物有機(jī)地球化學(xué)的深切喜愛，胡建芳很難克服重重障礙，一路走到今天。

生物有機(jī)地球化學(xué)學(xué)科也是歷經(jīng)了代代相傳，才發(fā)展至如今的高度。從我國著名的有機(jī)地球化學(xué)與沉積學(xué)家傅家謨?cè)菏浚接袡C(jī)地球化學(xué)家彭平安院士，再到現(xiàn)如今，科研的接力棒傳遞到新一代的后備力量手中，胡建芳就是其中的佼佼者。她肩挑使命，不負(fù)眾望。2001年獲得博士學(xué)位后，胡建芳就一直留在中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所有機(jī)地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室工作，圍繞利用生物標(biāo)志化合物及單體化合物穩(wěn)定碳同位素研究區(qū)域氣候/環(huán)境變化，以及全球變化方面展開系列研究，曾先后主持完成了5項(xiàng)國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，3項(xiàng)中科院知識(shí)創(chuàng)新工程重大項(xiàng)目子課題和1項(xiàng)國家戰(zhàn)略先導(dǎo)科技專項(xiàng)課題，累計(jì)在國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物發(fā)表論文60余篇，科研成果受到國內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注。十年磨一劍，從助理研究員做起，逐步成長為實(shí)驗(yàn)室的骨干力量。

“我的學(xué)生說我每天像打了雞血一樣”，話音未落胡建芳就笑了起來。然而在這笑聲背后未曾透露的辛酸只有胡建芳自己深有體會(huì)，“女性做這項(xiàng)工作的挑戰(zhàn)性很大，面臨著家庭與工作如何權(quán)衡的難題”。無論如何，她依舊砥礪前行。

以“新”視角探尋傳統(tǒng)問題

2005年10月，胡建芳踏上飛往澳大利亞的班機(jī)，開始了在Wollongong大學(xué)地球與環(huán)境科學(xué)學(xué)院為期兩年的訪問研究工作。值得一提的是，她的合作導(dǎo)師是前國際第四紀(jì)研究聯(lián)合會(huì)主席Allan R. Chivas教授。

“Allan教授享有很高的學(xué)術(shù)聲望，對(duì)待工作特別認(rèn)真、嚴(yán)謹(jǐn)。一次做化學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要用的玻璃器皿買不到，只能自己加工，一上午的時(shí)間教授都和我在實(shí)驗(yàn)室里親自操作。即使是大科學(xué)家，加工玻璃這么小的事也認(rèn)真對(duì)待?！痹捳Z中胡建芳透露出對(duì)Allan教授的敬佩。同這樣的科學(xué)家共事，胡建芳也頗受影響，不僅做事高度認(rèn)真，對(duì)自己的要求也近乎苛刻。作為老師，她也常和學(xué)生講，“為科研做事就要做到極致，要么就不做”。這或許也同樣是實(shí)驗(yàn)室一貫的風(fēng)格，他們專注有機(jī)地球化學(xué)，并將其發(fā)展為“拳頭”項(xiàng)目，在領(lǐng)域中做到極致。然而正是在這種高標(biāo)準(zhǔn)、強(qiáng)壓力的促使下，胡建芳在生物有機(jī)地球化學(xué)領(lǐng)域取得豐碩的科研成果。

自三疊系后，中國北方就結(jié)束了大范圍的海洋沉積，形成了一系列大規(guī)模的陸相湖盆，如松遼、二連、泌陽、東營等。殊不知，在這些古湖盆中含有重要的油氣資源，要想有效進(jìn)行油氣勘探，首先要理解這些湖盆優(yōu)質(zhì)烴源巖的形成機(jī)制，這樣不僅有利于發(fā)展我國油氣生成的科學(xué)理論，同時(shí)可為指導(dǎo)油氣勘探提供科學(xué)依據(jù)。

經(jīng)過漫長的研究發(fā)現(xiàn)，海侵對(duì)陸相湖盆大規(guī)模烴源巖形成具有重要影響，主要是因?yàn)楹Ｇ指咚怀Ｄ苄纬捎袡C(jī)質(zhì)豐度較高的烴源巖, 這是油氣形成的物質(zhì)基礎(chǔ)；其次，海侵階段形成的生油巖和海退階段形成的儲(chǔ)層的有機(jī)配合, 有利于油氣的賦存；同時(shí)海侵使水體的化學(xué)分層增加, 有利于有機(jī)質(zhì)保存，形成有機(jī)質(zhì)類型較好的源巖。

研究發(fā)現(xiàn)白堊紀(jì)海侵事件是松遼盆地的重要地質(zhì)事件之一?！扳}質(zhì)超微化石及其他地球化學(xué)的證據(jù)都證明了松遼盆地白堊紀(jì)海侵的發(fā)生，但關(guān)于海侵事件的期次和持續(xù)的時(shí)間以及海侵規(guī)模相對(duì)大小的研究，目前還嚴(yán)重缺乏，這不利于探討大規(guī)模烴源巖形成的機(jī)制，以及我國乃至東亞地區(qū)晚中生代古氣候和古環(huán)境演變的規(guī)律和機(jī)制”，胡建芳道出了問題的核心所在。而且不光如此，由于松遼盆地優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育的層位正好是海侵事件發(fā)生的層位, 如果海侵事件存在, 那么以我國大慶油田發(fā)現(xiàn)為基礎(chǔ)的陸相生油理論還能否成立?

基于此背景，胡建芳在國家“973”項(xiàng)目課題“松遼盆地及鄰區(qū)晚中生代古環(huán)境有機(jī)地球化學(xué)研究”支持下，避開常規(guī)的油氣角度，從環(huán)境角度著眼，通過對(duì)“松遼盆地大陸科學(xué)鉆探”獲取的松科1井的特征海洋分子標(biāo)志化合物(24-正丙基膽甾烷和24-異丙基膽甾烷)的定性、定量研究，揭示了白堊紀(jì)松遼盆地海侵事件的詳細(xì)過程，發(fā)現(xiàn)不同時(shí)期海侵的規(guī)模和方式有所不同，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)為海水入侵創(chuàng)造了通道，全球海平面的上升使得海侵成為可能。同時(shí)，他們還發(fā)現(xiàn)海侵層位優(yōu)質(zhì)烴源巖的δ13Corg值與海洋δ13Corg顯著不同,其TOC主要來自湖泊的初級(jí)生產(chǎn)力,因此陸相生油理論依然成立。

這些研究結(jié)果為我國其他陸相湖盆的海侵事件研究提供了模式參考，有利于同全球海洋記錄的古氣候/環(huán)境事件進(jìn)行對(duì)比，更好地探討我國晚中生代古氣候/環(huán)境演變的規(guī)律和機(jī)制。成果發(fā)表在Scientific Reports上。

緊追熱點(diǎn)實(shí)現(xiàn)“零”的突破

南海由于其海底資源十分豐富，尤其是海底石油和天然氣儲(chǔ)量巨大，因此一直受到世界各方的廣泛關(guān)注。天然氣水合物就是其中之一，它是由氣體分子（主要是甲烷CH4）與水組成的固體物質(zhì)，完全燃燒時(shí)只生成二氧化碳和水，是新型綠色能源。甲烷是一種強(qiáng)效溫室氣體，其溫室效應(yīng)是二氧化碳的20～30倍。一旦海洋中天然氣水合物大規(guī)模分解，進(jìn)入水圈和大氣圈，巨量水合物CH4將造成強(qiáng)烈的溫室效應(yīng)，進(jìn)而引發(fā)區(qū)域性甚至全球性的氣候/環(huán)境和生態(tài)災(zāi)變事件。南海在地質(zhì)歷史時(shí)期到底有無甲烷釋放？若有，對(duì)環(huán)境有無影響？有怎樣的影響？帶著這些疑問，胡建芳申請(qǐng)了國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“南海東沙海域晚更新世以來天然氣水合物分解/釋放規(guī)模的分子有機(jī)地球化學(xué)記錄及環(huán)境效應(yīng)”。“我們需要尋找能夠示蹤天然氣水合物分解/釋放敏感性良好的替代性、定量化指標(biāo)，同時(shí)結(jié)合沉積記錄的古環(huán)境重建，可以甄別地質(zhì)歷史時(shí)期海底天然氣水合物分解/釋放對(duì)氣候/環(huán)境的影響?！?/p>

參加2013年國際地質(zhì)大會(huì)

在項(xiàng)目中，胡建芳期望有兩大突破，一是尋找到替代性指標(biāo)；二是完成定量研究?！爱?dāng)甲烷釋放出來后，會(huì)有些特定的微生物以它為食，轉(zhuǎn)化為生物體的碳”，而來源于這些微生物的特定生物標(biāo)志化合物就是切入口，追本溯源便可重建相關(guān)的古環(huán)境。當(dāng)然，說起來容易做起來卻存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，“海洋那么大，如何取得樣品”成了阻礙課題組前進(jìn)的絆腳石。根據(jù)廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局所做的前期工作，課題組在前者所標(biāo)定的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行取樣作業(yè)，不用再像大海撈針般苦苦尋覓，獲得有效樣品的概率也大大提升。探尋“有無甲烷排放”后，接下來就是“排多少”的問題，“我們希望能做定量的研究，判斷甲烷排放的是多還是少”。項(xiàng)目目前正在順利進(jìn)展中，預(yù)計(jì)2019年年底結(jié)題。

除了對(duì)南海東沙海域的研究，在華南地區(qū)晚全新世陸相古溫度重建研究方面也有新突破。

古溫度的定量重建是古環(huán)境/氣候?qū)W研究的重要內(nèi)容，不同領(lǐng)域的學(xué)者都在為此一直進(jìn)行著不懈的探索。作為中國現(xiàn)代氣象科學(xué)奠基人的竺可楨先生，就始終關(guān)注并盡畢生之力開展氣候變化研究，他關(guān)于氣候變化的一系列奠基性研究，對(duì)于人們今天認(rèn)識(shí)這一全球重大問題具有基礎(chǔ)的科學(xué)意義。

海洋和陸地，作為地球上兩大表生生態(tài)系統(tǒng)，其中關(guān)于海洋的古溫度重建研究較多，而關(guān)于陸相古溫度定量重建一直難以進(jìn)行，這是因?yàn)橐恢比狈τ行У亩炕?jì)算指標(biāo)。近年來，基于微生物細(xì)胞膜GDGTs的陸相古溫度指標(biāo)發(fā)展火熱，并得到了廣泛的應(yīng)用?！白畛醯难芯空J(rèn)為支鏈GDGTs 來源于陸地土壤和泥炭細(xì)菌，基于此，國際上建立起了土壤的年平均大氣溫度（MAT）經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式，但新近的研究指出支鏈GDGTs可以由湖泊內(nèi)源產(chǎn)生, 如果以土壤的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式來計(jì)算MAT，必然產(chǎn)生偏差”，因此，國內(nèi)外又相繼出現(xiàn)了一些基于湖泊現(xiàn)代表層沉積物的MAT經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式，盡管這些計(jì)算式是“區(qū)域性”的，其計(jì)算結(jié)果仍具有廣泛的適用性。

在我國，全新世陸相古溫度的重建研究主要集中在北方和東部地區(qū)，而華南地區(qū)嚴(yán)重缺乏，胡建芳就恰好身處廣東省，近水樓臺(tái)，她帶領(lǐng)課題組首次通過對(duì)華南地區(qū)湖光巖瑪珥湖現(xiàn)代過程的研究，證明了其支鏈GDGTs主要為湖泊內(nèi)源產(chǎn)生；在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用湖泊的MAT經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式高分辨率重建了~3.7ka以來華南地區(qū)陸相古溫度。最終重建結(jié)果顯示，華南地區(qū)~3.7ka以來經(jīng)歷了5次冷期/4次暖期變化，中世紀(jì)暖期在華南地區(qū)呈現(xiàn)出2次暖階段，小冰期在華南地區(qū)依然存在，且溫度是~3.7ka以來的最低值。

這無疑為華南季風(fēng)區(qū)陸相古溫度重建研究提供了新的思路與方法。該成果發(fā)表在Palaeogeography,Palaeoclimatolog y,Palaeoecology上，相關(guān)研究也得到了國家自然科學(xué)基金和研究所“135”項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)支持。

隨著全球變化研究在全球范圍內(nèi)的興起，以碳循環(huán)、水循環(huán)和氮循環(huán)為當(dāng)前主要研究內(nèi)容的生物地球化學(xué)也成為有機(jī)地球化學(xué)最活躍的研究領(lǐng)域。近些年來，實(shí)驗(yàn)室在國家自然科學(xué)基金委的資助下開展了許多工作，雖然資助的經(jīng)費(fèi)不多，但也取得了比較好的研究成果?！坝补穷^”總要有人來攻，配角也總要有人來充當(dāng)。正是有了像胡建芳一樣默默無聞、勤于耕耘的研究者們，我國在生物有機(jī)地球化學(xué)領(lǐng)域才得以有長足的發(fā)展。他們不為鮮花光環(huán)，只為心中那束遠(yuǎn)古之光。