根植同位素地球化學(xué)探秘地球外宜居星球
——記成都理工大學(xué)行星科學(xué)國(guó)際研究中心研究員張普

張 聞 陳 旭

浩瀚的宇宙中，各種元素都在不斷地生成和消亡，形成了一個(gè)復(fù)雜的元素循環(huán)過(guò)程。根據(jù)宇宙大爆炸理論，宇宙在起源時(shí)刻的高溫和高能量環(huán)境下，僅有氫、氦等輕元素，它們?yōu)橛钪娴钠鹪春脱莼峁┝嘶A(chǔ)。隨著宇宙的演化，更多的元素通過(guò)恒星內(nèi)部的核聚變反應(yīng)而合成，從而豐富了宇宙中的元素譜系。而這些元素的同位素組成和分布對(duì)于理解宇宙和地球演化歷史至關(guān)重要。

那么，在浩瀚的宇宙中，是否還存在和地球一樣的宜居星球？這一切都離不開(kāi)同位素地球化學(xué)提供的理論依據(jù)。

為了探究這一奧秘，成都理工大學(xué)行星科學(xué)國(guó)際研究中心研究員張普就將研究扎根在同位素地球化學(xué)和年代學(xué)方法開(kāi)發(fā)及在地球和行星科學(xué)研究的應(yīng)用中，開(kāi)展了一系列科研探索。十多年來(lái)，她將自己的研究串聯(lián)成一條完整的譜系，以研發(fā)國(guó)內(nèi)全球氣候環(huán)境變化急需的技術(shù)或突破當(dāng)前技術(shù)瓶頸為己任，積極踐行相關(guān)科研工作，并將它服務(wù)于地球系統(tǒng)表層地球化學(xué)和行星科學(xué)的研究中。

扎根，一步一步夯實(shí)科研基礎(chǔ)

地質(zhì)過(guò)程反映了地球的規(guī)律。自古以來(lái)，地質(zhì)學(xué)研究就跟人類的生存關(guān)系密切。而張普對(duì)于地質(zhì)學(xué)的認(rèn)知，就是在西北大學(xué)建立的。

西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系創(chuàng)建于1939年，是我國(guó)最早設(shè)立的綜合性大學(xué)地質(zhì)學(xué)系之一。本科4年間，張普就讀于此，接觸到了很多相關(guān)領(lǐng)域優(yōu)秀的學(xué)者，并在他們的教學(xué)引領(lǐng)下，打下了堅(jiān)實(shí)的地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)。如今，張普回憶起在西北大學(xué)的求學(xué)時(shí)光，仍舊十分感慨?！昂芏鄷r(shí)候研究做到一定程度，就會(huì)發(fā)現(xiàn)都回到了本科的教材上。而未來(lái)想要實(shí)現(xiàn)從0～1的成果突破時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這些基礎(chǔ)是極為重要的。”她說(shuō)。

本科期間的學(xué)習(xí)讓張普對(duì)地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域的興趣愈加強(qiáng)烈。當(dāng)時(shí)，她就下定決心，一定要深入地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域繼續(xù)深造，通過(guò)探索揭開(kāi)這一領(lǐng)域更多的科學(xué)奧秘。在興趣的驅(qū)使下，2005年本科畢業(yè)后，張普順利考入中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所，攻讀第四紀(jì)地質(zhì)專業(yè)理學(xué)碩士、博士學(xué)位。

19世紀(jì)末、20世紀(jì)初，在歐洲建立的第四紀(jì)4次冰期學(xué)說(shuō)對(duì)冰川作用、氣候變化等方面的研究產(chǎn)生了廣泛影響。20世紀(jì)50年代以來(lái)，放射性碳、鉀氬法、鈾系法、裂變徑跡法測(cè)年及氧同位素測(cè)溫等技術(shù)的應(yīng)用，使第四紀(jì)地質(zhì)研究達(dá)到新水平。在中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所碩士及博士階段的學(xué)習(xí)，讓張普在同位素地球環(huán)境領(lǐng)域，打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在愈加深厚的科研積淀支撐下，她希望能夠在相關(guān)領(lǐng)域做出更多代表性的科研成果。

張普

深耕，創(chuàng)新同位素地球化學(xué)研究

科學(xué)研究沒(méi)有捷徑，只能不斷地尋找新的證據(jù)，用事實(shí)說(shuō)話，對(duì)于同位素地球化學(xué)領(lǐng)域更是如此。

在張普看來(lái)，地球經(jīng)過(guò)了40多億年地質(zhì)、環(huán)境、氣候、生物等協(xié)同演化過(guò)程，如今從現(xiàn)在的角度回望地球的發(fā)展史，一些地質(zhì)元素的生成、流域表層的分化、環(huán)境參數(shù)的變化等都是研究地球科學(xué)的相關(guān)證據(jù)，而這些研究方向的諸多科學(xué)原理在行星科學(xué)研究領(lǐng)域仍舊是相通的。對(duì)于張普而言，用這些理論基礎(chǔ)解決一個(gè)完全未知領(lǐng)域的科學(xué)問(wèn)題，依然存在著極大的探索性與創(chuàng)新性。

博士畢業(yè)后的十多年間，張普的科研腳步遍布國(guó)內(nèi)外多所高校，在流域表層風(fēng)化過(guò)程鈾釷地球化學(xué)行為、地質(zhì)環(huán)境及氣候變化、高精度碳酸鹽U-Th、U-Pb年代學(xué)、水體年代學(xué)研究中展開(kāi)了一系列創(chuàng)新性科研探索。

2014年11月到2017年1月，張普在美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)地質(zhì)系從事博士后研究工作期間，首次接觸到了鈾釷年代學(xué)。鈾、釷作為親石元素普遍存在于地殼中，基巖風(fēng)化使它們廣泛參與地表及近地表環(huán)境中的各種地球化學(xué)過(guò)程。鈾系測(cè)年法是由地質(zhì)學(xué)家開(kāi)發(fā)出來(lái)的，最初是用于確定山洞中石鐘乳和石筍等巖層的年代。水從山洞滲出時(shí)，它會(huì)攜帶濃度極低的遭溶解的放射性物質(zhì)鈾和礦物質(zhì)碳酸鈣。隨著時(shí)間推移，鈾的放射性漸漸衰減，變成另一種元素——釷，而鈾釷年代學(xué)的相關(guān)技術(shù)無(wú)論對(duì)于古氣候、古環(huán)境還是相關(guān)資源的開(kāi)發(fā)都具有十分重要的科學(xué)價(jià)值與應(yīng)用前景。

回國(guó)后，在西安交通大學(xué)全球變化研究院，張普繼續(xù)著這一方向的研究，創(chuàng)新性地將碳酸鹽U-Pb方法應(yīng)用于石筍、牙齒化石的U-Pb絕對(duì)年代，為促進(jìn)我國(guó)早第四紀(jì)古氣候及古環(huán)境研究提供了重要的技術(shù)支撐，同時(shí)為建立高分辨率的古氣候記錄提供了可能。

在張普主持的國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“三寶洞石筍碳酸鹽第四紀(jì)以來(lái)高精度高分辨率稀釋劑法U-Pb年代學(xué)研究”中，她針對(duì)低含量高精度碳酸鹽稀釋劑法U-Pb測(cè)年技術(shù)難題，經(jīng)過(guò)一系列條件實(shí)驗(yàn)和優(yōu)化儀器參數(shù)建立適用于石筍樣品的U-Pb稀釋劑測(cè)年方法，有望將2.5Ma以來(lái)的石筍年代精度達(dá)到2000～2400年，并將之應(yīng)用于構(gòu)建第四紀(jì)以來(lái)湖北三寶洞石筍精度高分辨率年代框架?！斑@個(gè)項(xiàng)目的整個(gè)研究過(guò)程是一個(gè)將古論今、逐漸完善的過(guò)程，未來(lái)可以應(yīng)用于氣候變化的預(yù)測(cè)，以及為古巖溶、環(huán)境及生命演化等領(lǐng)域提供理論和技術(shù)支持?！睆埰照f(shuō)。

除此之外，張普還是將鈾系同位素首次創(chuàng)新性地應(yīng)用于青藏高原地區(qū)湖泊古風(fēng)化歷史評(píng)估和湖泊年代學(xué)的倡導(dǎo)者和實(shí)踐者。青藏高原是中國(guó)湖泊分布最多的地區(qū)，這里的湖泊受人類活動(dòng)干擾較少，主要受氣候變化導(dǎo)致的冰川融化和蒸發(fā)，是氣候變化直觀敏感的反應(yīng)區(qū)。因此，研究青藏高原湖泊變化對(duì)區(qū)域乃至全球氣候、環(huán)境變化的研究具有深遠(yuǎn)意義。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，鈾系測(cè)年技術(shù)方法經(jīng)歷了不同發(fā)展階段，而這些技術(shù)方法在不同時(shí)期和階段對(duì)青藏高原地區(qū)湖泊古風(fēng)化歷史評(píng)估和湖泊年代學(xué)研究作出了一定的貢獻(xiàn)。通過(guò)這一方向的研究，張普希望不僅能夠更好地評(píng)估青藏高原地區(qū)湖泊現(xiàn)在的問(wèn)題，也為研究未來(lái)的氣候環(huán)境演化奠定更好的基礎(chǔ)。

篤行，將研究與新方向再融合

路雖遠(yuǎn)，行則將至；事雖難，做則必成。張普的科研成果都是通過(guò)多年的科研實(shí)踐而誕生的?！坝浀卯?dāng)初去鹽湖采樣的時(shí)候，我們的車必須繞過(guò)一大片鹽堿地，才能到達(dá)研究的地點(diǎn)，因?yàn)榈孛婺酀魸窕?，車輛經(jīng)歷了360度旋轉(zhuǎn)，幾乎無(wú)法停下來(lái)?！睆埰照f(shuō)，這些珍貴的科研實(shí)踐經(jīng)歷，不僅磨練了她的意志和心智，也讓她對(duì)科學(xué)研究有了更多的敬畏之心，從而在心底萌生了更多克服困難的勇氣。

在張普看來(lái)，科學(xué)研究最困難的時(shí)候，可能就是身在其中的每個(gè)人都沒(méi)有答案的時(shí)候，但是這個(gè)從0～1的過(guò)程，反而是最迷人的。而在張普的人生之旅中，她還在迎接著不同的挑戰(zhàn)，創(chuàng)造著更多的可能性。

2022年7月，張普來(lái)到了成都理工大學(xué)行星科學(xué)國(guó)際研究中心工作。在這里，她延續(xù)自己之前同位素地球化學(xué)和年代學(xué)方法開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域的研究工作的同時(shí)，也在將相關(guān)研究與行星科學(xué)研究的應(yīng)用相結(jié)合。雖然最初從同位素地球化學(xué)過(guò)渡到行星尺度的研究，讓張普有些不適應(yīng)，但隨著研究進(jìn)程的逐漸推進(jìn)，她完美地找到了這兩項(xiàng)研究的契合點(diǎn)，并開(kāi)展了諸多創(chuàng)新性探索。

未來(lái)，張普將從宜居星球的大陸風(fēng)化視角、氣候環(huán)境生物協(xié)同演化這兩個(gè)方向，尋找地球之外的宜居星球。張普說(shuō)：“從地球的形成早期到現(xiàn)在，大陸風(fēng)化現(xiàn)象是一直是存在的，而目前的研究發(fā)現(xiàn)，大陸風(fēng)化產(chǎn)生的營(yíng)養(yǎng)鹽跟生命起源是有必然聯(lián)系的。”未來(lái)，她將從這一角度出發(fā)，用U、Th同位素示蹤地表過(guò)程及粉塵通量，示蹤地球氧化還原特征，示蹤冰凍融過(guò)程U遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制及研究行星演化過(guò)程。而在氣候環(huán)境生物協(xié)同演化方向，她將通過(guò)揭示宜居星球表面水體的演化，為相關(guān)的科學(xué)問(wèn)題尋找到新的突破口，為未來(lái)選擇合適的宜居星球提供科研證據(jù)。

行遠(yuǎn)自邇，篤行不怠。從2001年踏入地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域研究算起，張普已在這個(gè)領(lǐng)域默默耕耘了20多年。如今，她還在以同樣的熱情，向著同位素地球化學(xué)及行星科學(xué)的更深、更廣處前行。