胡建芳：重見遠古之光

本刊記者 孫欣欣

胡建芳：重見遠古之光

本刊記者 孫欣欣

2015年12月“973”課題匯報

自地球形成，經歷了太古代、元古代、古生代、中生代和新生代5個時期。“代”為地質時代的劃分單位之一，代之下又可劃分若干紀，如寒武紀、侏羅紀、第四紀。各個地質時期發生的大事件，在地球自身、地殼運動、巖石、構造、古生物、地磁、古氣候等多方面都留下了記錄。而它們就像一個個來自遠古的使者，接通古今，為預測未來地球變化提供線索。

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

在“冷門”方向中鍥而不舍

1992年11月，在廣州市天河區，有機地球化學國家重點實驗室正式掛牌成立。20余年來，針對我國對石油天然氣資源與環境的戰略需求，以及當代有機地球化學學科的發展走勢，實驗室依托于中國科學院廣州地球化學研究所逐漸發展形成了“石油天然氣地球化學”“環境有機地球化學”和“生物有機地球化學”3個方向，均取得了一批高水平的科研成果。然而，后者不同于前兩者，具有很強的基礎研究色彩，不直接產生經濟效益，受國家戰略需求導向的影響，生物地球化學一直以來未受到廣泛重視。

何為“生物有機地球化學”？簡單來說，生物有機地球化學就是以特征生物標志物及相關的碳、氫、氮同位素為主要研究手段，揭示與碳、氮及水循環有關的地球化學過程，“我們更多的是通過特征生物標志化合物來建立相關代用指標，研究現代地質過程；通過代用指標的現代過程與適用性研究后，再重建古生態古環境，比如白堊紀、第四紀的環境溫度、二氧化碳及古植被的變化趨勢等”，胡建芳娓娓道來，“當前大家經常談到氣候變化，人類排放的二氧化碳到底對地球變暖有多大的影響？只有從很長的時間范圍內把地球本身的氣候變化規律理清，才能更好地預測日后的氣候變化”，這也是生物有機地球化學研究的價值所在，即為地球表層系統環境演變研究提供機制上的證據。

1996年以來，胡建芳就一直從事此方面的學習研究，盡管坐了多年的冷板凳，但她始終堅持在基礎研究幕后，辛勤耕耘，探索不輟。說起她與生物有機地球化學結緣，還是機緣巧合。“我本科學的是石油地質勘查，后來在和導師交流學習過程中覺得生物有機地球化學特別有意思，而且當時也有課題支持”，就這樣，胡建芳在考入了中國科學院廣州地球化學研究所地球化學專業后，深入探索著自己的興趣領域。

興趣可以為前進提供源源不斷的動力，若不是對生物有機地球化學的深切喜愛，胡建芳很難克服重重障礙，一路走到今天。

生物有機地球化學學科也是歷經了代代相傳，才發展至如今的高度。從我國著名的有機地球化學與沉積學家傅家謨院士，到有機地球化學家彭平安院士，再到現如今，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，不負眾望。2001年獲得博士學位后，胡建芳就一直留在中國科學院廣州地球化學研究所有機地球化學國家重點實驗室工作，圍繞利用生物標志化合物及單體化合物穩定碳同位素研究區域氣候/環境變化，以及全球變化方面展開系列研究，曾先后主持完成了5項國家自然科學基金項目，3項中科院知識創新工程重大項目子課題和1項國家戰略先導科技專項課題，累計在國內外學術刊物發表論文60余篇，科研成果受到國內外同行的廣泛關注。十年磨一劍，從助理研究員做起，逐步成長為實驗室的骨干力量。

“我的學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，“女性做這項工作的挑戰性很大，面臨著家庭與工作如何權衡的難題”。無論如何，她依舊砥礪前行。

以“新”視角探尋傳統問題

2005年10月，胡建芳踏上飛往澳大利亞的班機，開始了在Wollongong大學地球與環境科學學院為期兩年的訪問研究工作。值得一提的是，她的合作導師是前國際第四紀研究聯合會主席Allan R. Chivas教授。

“Allan教授享有很高的學術聲望，對待工作特別認真、嚴謹。一次做化學實驗時，需要用的玻璃器皿買不到，只能自己加工，一上午的時間教授都和我在實驗室里親自操作。即使是大科學家，加工玻璃這么小的事也認真對待。”話語中胡建芳透露出對Allan教授的敬佩。同這樣的科學家共事，胡建芳也頗受影響，不僅做事高度認真，對自己的要求也近乎苛刻。作為老師，她也常和學生講，“為科研做事就要做到極致，要么就不做”。這或許也同樣是實驗室一貫的風格，他們專注有機地球化學，并將其發展為“拳頭”項目，在領域中做到極致。然而正是在這種高標準、強壓力的促使下，胡建芳在生物有機地球化學領域取得豐碩的科研成果。

自三疊系后，中國北方就結束了大范圍的海洋沉積，形成了一系列大規模的陸相湖盆，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，要想有效進行油氣勘探，首先要理解這些湖盆優質烴源巖的形成機制，這樣不僅有利于發展我國油氣生成的科學理論，同時可為指導油氣勘探提供科學依據。

經過漫長的研究發現，海侵對陸相湖盆大規模烴源巖形成具有重要影響，主要是因為海侵高水位常能形成有機質豐度較高的烴源巖, 這是油氣形成的物質基礎；其次，海侵階段形成的生油巖和海退階段形成的儲層的有機配合, 有利于油氣的賦存；同時海侵使水體的化學分層增加, 有利于有機質保存，形成有機質類型較好的源巖。

研究發現白堊紀海侵事件是松遼盆地的重要地質事件之一。“鈣質超微化石及其他地球化學的證據都證明了松遼盆地白堊紀海侵的發生，但關于海侵事件的期次和持續的時間以及海侵規模相對大小的研究，目前還嚴重缺乏，這不利于探討大規模烴源巖形成的機制，以及我國乃至東亞地區晚中生代古氣候和古環境演變的規律和機制”，胡建芳道出了問題的核心所在。而且不光如此，由于松遼盆地優質烴源巖發育的層位正好是海侵事件發生的層位, 如果海侵事件存在, 那么以我國大慶油田發現為基礎的陸相生油理論還能否成立?

基于此背景，胡建芳在國家“973”項目課題“松遼盆地及鄰區晚中生代古環境有機地球化學研究”支持下，避開常規的油氣角度，從環境角度著眼，通過對“松遼盆地大陸科學鉆探”獲取的松科1井的特征海洋分子標志化合物(24-正丙基膽甾烷和24-異丙基膽甾烷)的定性、定量研究，揭示了白堊紀松遼盆地海侵事件的詳細過程，發現不同時期海侵的規模和方式有所不同，構造運動為海水入侵創造了通道，全球海平面的上升使得海侵成為可能。同時，他們還發現海侵層位優質烴源巖的δ13Corg值與海洋δ13Corg顯著不同,其TOC主要來自湖泊的初級生產力,因此陸相生油理論依然成立。

這些研究結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/環境事件進行對比，更好地探討我國晚中生代古氣候/環境演變的規律和機制。成果發表在Scientific Reports上。

緊追熱點實現“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量巨大，因此一直受到世界各方的廣泛關注。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，完全燃燒時只生成二氧化碳和水，是新型綠色能源。甲烷是一種強效溫室氣體，其溫室效應是二氧化碳的20～30倍。一旦海洋中天然氣水合物大規模分解，進入水圈和大氣圈，巨量水合物CH4將造成強烈的溫室效應，進而引發區域性甚至全球性的氣候/環境和生態災變事件。南海在地質歷史時期到底有無甲烷釋放？若有，對環境有無影響？有怎樣的影響？帶著這些疑問，胡建芳申請了國家自然科學基金面上項目“南海東沙海域晚更新世以來天然氣水合物分解/釋放規模的分子有機地球化學記錄及環境效應”。“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，同時結合沉積記錄的古環境重建，可以甄別地質歷史時期海底天然氣水合物分解/釋放對氣候/環境的影響。”

參加2013年國際地質大會

在項目中，胡建芳期望有兩大突破，一是尋找到替代性指標；二是完成定量研究。“當甲烷釋放出來后，會有些特定的微生物以它為食，轉化為生物體的碳”，而來源于這些微生物的特定生物標志化合物就是切入口，追本溯源便可重建相關的古環境。當然，說起來容易做起來卻存在一定的風險，“海洋那么大，如何取得樣品”成了阻礙課題組前進的絆腳石。根據廣州海洋地質調查局所做的前期工作，課題組在前者所標定的區域內進行取樣作業，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”。項目目前正在順利進展中，預計2019年年底結題。

除了對南海東沙海域的研究，在華南地區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境/氣候學研究的重要內容，不同領域的學者都在為此一直進行著不懈的探索。作為中國現代氣象科學奠基人的竺可楨先生，就始終關注并盡畢生之力開展氣候變化研究，他關于氣候變化的一系列奠基性研究，對于人們今天認識這一全球重大問題具有基礎的科學意義。

海洋和陸地，作為地球上兩大表生生態系統，其中關于海洋的古溫度重建研究較多，而關于陸相古溫度定量重建一直難以進行，這是因為一直缺乏有效的定量化計算指標。近年來，基于微生物細胞膜GDGTs的陸相古溫度指標發展火熱，并得到了廣泛的應用。“最初的研究認為支鏈GDGTs 來源于陸地土壤和泥炭細菌，基于此，國際上建立起了土壤的年平均大氣溫度（MAT）經驗計算式，但新近的研究指出支鏈GDGTs可以由湖泊內源產生, 如果以土壤的經驗計算式來計算MAT，必然產生偏差”，因此，國內外又相繼出現了一些基于湖泊現代表層沉積物的MAT經驗計算式，盡管這些計算式是“區域性”的，其計算結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，而華南地區嚴重缺乏，胡建芳就恰好身處廣東省，近水樓臺，她帶領課題組首次通過對華南地區湖光巖瑪珥湖現代過程的研究，證明了其支鏈GDGTs主要為湖泊內源產生；在此基礎上，應用湖泊的MAT經驗計算式高分辨率重建了~3.7ka以來華南地區陸相古溫度。最終重建結果顯示，華南地區~3.7ka以來經歷了5次冷期/4次暖期變化，中世紀暖期在華南地區呈現出2次暖階段，小冰期在華南地區依然存在，且溫度是~3.7ka以來的最低值。

這無疑為華南季風區陸相古溫度重建研究提供了新的思路與方法。該成果發表在Palaeogeography,Palaeoclimatolog y,Palaeoecology上，相關研究也得到了國家自然科學基金和研究所“135”項目的經費支持。

隨著全球變化研究在全球范圍內的興起，以碳循環、水循環和氮循環為當前主要研究內容的生物地球化學也成為有機地球化學最活躍的研究領域。近些年來，實驗室在國家自然科學基金委的資助下開展了許多工作，雖然資助的經費不多，但也取得了比較好的研究成果。“硬骨頭”總要有人來攻，配角也總要有人來充當。正是有了像胡建芳一樣默默無聞、勤于耕耘的研究者們，我國在生物有機地球化學領域才得以有長足的發展。他們不為鮮花光環，只為心中那束遠古之光。