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刘希军:破解地幔深处的密码
——记桂林理工大学地球科学学院“有色及贵金属隐伏矿床勘查”教育部工程中心主任刘希军教授

作者:张 闻 刘玉杰    发布时间:2019-11-10

导读:  人类对地球的探索生生不息。在同位素地质学研究所屡屡取得突破的背景下,刘希军将自己的主要研究方向集中在地幔同位素地球化学、地幔动力学研究中,致力于用科学研究来破解地幔深处的密码。

  吾生也有涯,而知也无涯。在自然界中、在地球上、在地底深处,隐藏着无数的秘密,吸引着科学家们求知、发掘。带着对这些未知的憧憬,刘希军一直在科研生涯中不懈求索,并从未停止自己的脚步。
  
  好奇心是科学之母,也是人类观察和认识世界的动力。人类赖以生存的地球大约有46亿岁,地球的内部圈层结构由地壳、地幔和地核三个圈层组成,它们的结构比例可以用一个煮熟的鸡蛋来形象比喻,地壳是像蛋壳一样的很薄的一层,地幔就是蛋清这一层,最里面的蛋黄是地核。自20世纪60年代以来,地质学家和地球化学家一直在研究地幔成分及其演化机制。随着国际上地幔计划(UMP)、深海钻探计划(DSDP)等的实施,凭借地幔捕虏体和幔源火山岩所具有的深部信息,地幔地球化学研究取得了许多重要进展和突破。
  在同位素地质学研究所屡屡取得突破的背景下,刘希军将自己的主要研究方向集中在地幔同位素地球化学、地幔动力学研究中。地幔介于莫霍面和古登堡面之间,厚度在2800km以上,位于地球内部的最深处,人类是无法直接接触到地幔的。而想要接触地幔最直接的方法就是通过地幔岩浆熔化而形成地表的唯一体现——洋壳。
  现如今,现代大洋洋壳代表现代地幔岩浆熔融的产物,同时,在陆地上还残留着一些地球上已经消失的古大洋的洋壳残片,我们把这些古洋壳残片叫蛇绿岩,这些古洋壳是地球历史上的古地幔熔融形成,如果对这些古洋壳进行研究,就可以根据不同时代的古洋壳,在时间尺度上研究从地球历史上的古地幔一直到现代地幔成分的特征变化规律,来判定其从地幔到现代地幔是如何演化的,地幔的成分是否存在差异,其地幔的动力学机制是如何演变的,以及地幔动力学机制对地壳运动或者地表效应产生了怎样的影响,最终来了解板块构造运动中最主要的原动力在哪里。后续,还可以通过对地幔的研究来进一步理解矿物学、岩石学、矿床学等各个领域深层次的关联机制,使其成为解决许多重大地球科学问题的强大武器。
  心向往之,行必能至。深入到此类研究,刘希军甘之如饴。
  
梦起——我深爱的地质学研究
  在刘希军的学生生涯中,勤奋刻苦、品学兼优,一直是他身上的标签。2000年9月,他考入桂林工学院资源与环境工程系资源勘察工程专业,在4年的大学时光里,他深深爱上了地质学研究领域,并决心在这一领域中驰骋。
  2005年9月,刘希军进入中国科学院广州地球化学研究所开始硕博连读,开始从事利用同位素地球化学来研究地幔的成分特征。刘希军的导师是国内从事古洋地幔地球化学方面的专家,当时正在进行1亿~3亿年的特提斯洋地幔的研究。在硕士期间,刘希军的研究选题又将地幔在时间上的研究尺度进行了深入,开始对3亿年之前的古亚洲洋地幔形成进行研究探索。在跟随导师进行学习研究的过程中,刘希军越发感觉到从事此类研究非常有意思,进而对这一方向的研究兴趣也愈加浓厚。
  2008年10月,刘希军获得了国家留学基金委研究生公派出国的资助名额,赴美国加州大学圣迭戈分校Scripps海洋研究所同位素地球化学实验室作为联合培养博士。Scripps海洋研究所同位素实验室是国际上从事同位素研究最好的实验室之一,他十分珍惜在异国他乡进行科研探索的机会,在这个实验室接受了高水平的科研锤炼,在科研能力和研究水平上都得到了很好的提升。当时,刘希军师从的美国导师是国际上知名的同位素地球化学家Paterno R.Castillo教授,一直从事现代大洋地幔的同位素研究。基于刘希军在硕士期间研究古洋地幔所积累的基础,他在美国导师的引导下,开辟了一个新的研究路径——通过进行古洋地幔与现代大洋地幔的对比研究,探索古洋地幔到现代地幔成分特征在时间尺度上的演化规律。
  其实,早在20世纪80年代末,刘希军的美国博士导师就已经发现了一个全球性问题——地幔化学不均一性即南半球和北半球地幔同位素组成的规律性差异。在地域上,位于南半球的印度洋和南大西洋地幔跟主体位于北半球的太平洋地幔和北大西洋地幔相比,前者的地幔同位素特征完全不同于后者,这一差异被国际上命名为DUPAL地幔同位素异常。刘希军的导师进一步研究发现这个位于南半球的地幔同位素异常不只是表现在地球化学上也表现在地球物理上,即地幔的地球化学中同位素的异常与地球物理上探测到的来自核幔边界的大型地震波的异常域是吻合的。这一发现,最终在近十几年来得到了证实,由此可以看出,当时这一想法十分具有预见性。
  把学习中孜孜以求的精神转移到科研工作中,刘希军为自己摘下了丰硕的科研果实。在不懈探索之下,如今刘希军已经掌握了从现代地幔到古地幔的同位素地质学最全研究资料。2014年,他还被邀请到国际地质大会中作相关研究报告。当时,鲜少有人从时间尺度上对地幔的演化进行系统研究,将地幔的强烈异常与地球的地震波或者两个重要的动力单元联系起来。如今这一领域得到了广泛的关注。刘希军还与自己的硕士、博士导师一起得到国际著名期刊邀请撰写相关研究综述,经过3年的研究锤炼,终于汇聚成了优秀的科研成果。
  
选择——重回母校又出发
  2010年11月,刘希军结束在国外两年的求学之旅,返回中国科学院广州地球化学研究所,2011年6月他获得地球化学理学博士学位,毕业后他放弃了留在研究所工作的机会,毅然回到了自己的母校,开始在母校桂林理工大学地球科学学院继续科研探索之路。
  科学研究能否顺利开展,实验平台与实验设备起到了至关重要的作用。一回到母校,刘希军就马不停蹄地投入实验室的筹备中。在国内硕博时期导师许继峰教授的帮助下,他花费将近4年的时间在桂林理工大学建立了同位素地球化学的全新实验室,现如今,实验室有学生及科研人员近30名,具有两台激光剥蚀系统、两台四级杆电感耦合等离子体质谱仪、一台多接受电感耦合等离子体质谱仪,运行一切正常,与国内相同研究领域的实验室相比毫不逊色,为地球科学学院的各个科研团队开展工作提供了良好的平台。
  在实验室筹备期间,他仍在科学研究中步履不停、孜孜不倦。2012年5月,刘希军前往中国科学院新疆生态与地理研究所新疆矿产资源中心从事博士后研究,新疆位于中亚造山带的南部,这里保存了很多古亚洲洋洋壳的残片,这些古亚洲洋洋壳残片不仅可以用来研究古亚洲洋地幔的特征,而且在时代上大部分早于3亿年,甚至更早到6亿年,是从事古洋地幔同位素研究的天然实验素材,在这里从事野外研究为刘希军等科研团队工作的顺利开展提供了极大便利。2013年,他成功申请了国家自然科学基金项目“晚古生代地幔DUPAL异常峰:来自古亚洲洋蛇绿岩的Sr-Nd-Pb-Os同位素的限定”,在这一项目中,他基于之前在学生时期所积累的科研成果,开始了新一轮的探索。
  DUPAL异常就是现代印度洋和南大西洋地幔对比地球上其他大洋地幔存在的同位素异常,也是之前所说的位于地球南半球的地幔同位素异常,这一DUPAL异常是目前地幔上存在最大的地幔同位素异常,然而DUPAL同位素储源库是何时形成的?导致DUPAL异常的地球动力学原因是什么?都是地球科学家们一直致力回答的重要科学问题。针对前人主要是从空间上对现代不同大洋地幔域表现出的DUPAL异常特征给出解释,而缺乏从时间尺度上对DUPAL异常的演化进行追踪研究的现状,刘希军领导团队展开了一系列从时间尺度上探索地幔DUPAL异常的研究。
  蛇绿岩是目前研究古洋地幔形成和演化的一个窗口。不同时代的蛇绿岩地球化学及同位素研究是验证古地幔是否也存在跟现代印度洋地幔一样的DUPAL异常,如果存在,其DUPAL异常是如何随时间进行演化的,是回答地球历史上DUPAL异常在时间尺度上变化规律的关键之一,也将对DUPAL异常是否由地幔早期历史上壳—幔分异演化形成提供有利的证据。由于现代大洋地幔DUPAL同位素特征主要表现在印度洋和南大西洋中脊玄武岩(MORB)中,刘希军导师的前期研究已显示现代大洋地幔DUPAL同位素特征很可能继承了古老的古洋地幔成分特征,如果结合不同时代蛇绿岩中MORB型基性岩的同位素及地球化学特征对比现代大洋MORB,则可以将DUPAL异常由现代大洋地幔追踪到更早地质历史时期的古洋地幔,进而限定DUPAL地幔随时间的演化进程。
  DUPAL异常在现代地幔中表现为南—北半球的差异,那么这一南—北半球的地幔同位素差异在地球历史上是否也是一样存在呢?特提斯洋的古洋壳的残余——特提斯蛇绿岩保留在我国西南、中部和西藏地区的缝合带中;古亚洲洋洋壳残片——古亚洲洋蛇绿岩出露于我国新疆、内蒙和东北等地区的中亚造山带的缝合带中。虽然古亚洲洋比特提斯洋出现早,但它们在古生代期间同时存在过,并且分别位于南—北半球,所以古亚洲洋和特提斯洋蛇绿岩为我们研究地球历史上南—北半球地幔同位素组成以及从时间尺度上追踪研究地幔DUPAL异常提供了天然的实验室。
  特提斯洋地幔是否存在DUPAL异常,刘希军导师许继峰教授的研究已经给出答案,在地球历史上位于南半球的特提斯洋地幔确实也存在DUPAL异常,然而目前,关于古亚洲洋地幔属性的研究相对比较薄弱,特别是地幔Sr-Nd-Pb-Os多元同位素体系研究较少。刘希军对新疆东、西准噶尔地区保存的年代上小于4亿年的古亚洲蛇绿岩进行的Sr-Nd-Pb同位素研究也发现具有DUPAL异常;然而对古亚洲洋大于4亿年蛇绿岩研究却发现它们并不具有地幔DUPAL同位素异常,这一研究初步给出了一个重要线索,在地球历史上很可能位于北半球的古亚洲洋地幔不具有DUPAL异常,对此,2017年刘希军进一步申请了国家自然科学基金面上项目“古亚洲洋早古生代太平洋型地幔:来自新疆北部蛇绿岩Sr-Nd-Pb-Hf同位素的限定”,来深入研究古亚洲洋地幔是否大规模地不具有DUPAL异常特征。他对新疆北部蛇绿岩中广泛分布的具有MORB特征的基性岩展开了大时的全岩和单矿物的Sr-Nd-Pb同位素示踪研究,这些研究可以从时间尺度上限定古亚洲洋地幔域西南段是否存在“DUPAL异常”,同时,他还对古亚洲洋地幔域东南段的内蒙古地幔蛇绿岩也展开研究,他最新的研究通过对古亚洲洋内蒙古及新疆中天山冰达坂蛇绿岩的Sr、Nd、Pb同位素研究发现:与DUPAL地幔相比,内蒙古及新疆中天山蛇绿岩代表的古亚洲洋地幔具有更低的208Pb/204Pb比值,并不具有DUPAL地幔异常特征,而是具有太平洋型地幔特征。对比特提斯蛇绿岩,古亚洲洋地幔域与特提斯地幔域存在一个同位素构造界限。他的研究认为古亚洲洋地幔比特提斯地幔具有更低Th/Pb比值,这两种地幔域的Pb同位素差异可能是因为古亚洲洋和特提斯洋在演化过程中引起的不同的岩浆—构造模式造成的。根据古亚洲洋和特提斯洋的古板块构造演化格局,古亚洲洋的演化过程类似于环太平洋造山带,相应地其地幔也具有低Th/Pb特征;相反,特提斯洋地幔具有高Th/Pb特征或DUPAL异常特征,是由特提斯洋演化过程中,其大量的特提斯小洋壳频繁地打开—俯冲—关闭这一板块运动过程引起的整个特提斯地幔长时间大范围地存在DUPAL异常,这也可能是现今地球的地幔存在南—北差异的根源。
  
探索——立足实际创新开拓
  刘希军自扎根于广西从事教育科研工作以来,通过研究广西的地质演化历史,对约2.5亿年前的晚二叠纪时,盘古大陆南部(后来的冈瓦纳大陆,即联合古陆)的北缘的古特提斯大洋东段的构造演化产生了浓厚的兴趣,如今的世界地质构造格局均在特提斯构造的基础上形成,广西正好位于特提斯洋构造域与太平洋构造域的转换部位,是全球地幔对流环的两个会聚中心之一,该地区基性岩浆活动频繁,是成矿条件很有利的地区。
  地质历史上,华南大陆西南缘的桂西地区发生了很多大规模的岩浆作用和成矿事件,如峨眉山大火成岩省以及重要的金属矿床成矿作用等,特别是该地区的金矿与其赋存的基性岩有着密切的联系,然而,它们之间存在什么样的成因联系,成矿物质究竟来自哪里?该区岩浆—构造—地幔过程对成矿的制约关系如何?这些重要的科学问题还缺乏清晰的地球动力学框架。桂西地区分布的大量基性岩石为研究这些重要科学问题提供了重要的研究对象,因此,桂西地区是理解印支期特提斯洋俯冲作用与华南大地构造演化及相关岩浆作用等问题的最佳区域。
  多年来,扎根于广西从事科研工作,这一地区的地质问题吸引着刘希军。2015年,他申请获批了国家自然科学基金“华南西缘桂西晚古生代基性岩浆成因机制与成矿背景研究”,在此前后,他还获得了广西科技厅的自然科学基金资助,针对该地区的基性岩浆作用及地幔动力学过程及成矿背景进行了研究,他以桂西地区“基性岩浆作用”为重点研究目标,选取若干晚古生代基性玄武岩和辉绿岩,以基性岩成因、地幔属性与动力学背景为主线,应用矿物学、岩石学、铂族元素及Sr-Nd-Pb-Os同位素地球化学,探讨基性岩成因及地幔源区特征,最终来揭示基性岩浆作用与该地区成矿之间的关系,这一研究将有利于人们更好地理解桂西地区晚古生代深部地球动力学过程与成矿动力学背景,也将为华南晚古生代大地构造演化提供重要的科学依据。
  向前——不忘初心砥砺行
  “在科学研究中,我从不苛求自己取得怎样大的科研成果,我只希望能随着自己的兴趣多做一点,而不是非要功利性地达到某种目的。”多年来,刘希军保持着这种“顺其自然”的研究状态,而这也促使他在古地幔地球化学研究中取得了具有国际意义的代表性科研成果。
  铅同位素是地幔同位素地质学研究中的一项异常重要的元素,但是其要求的实验条件相对苛刻,特别是对实验室的干净程序要求比较高,基于国内实验室的超净程度水平,能准确测量出这一同位素的实验室屈指可数。然而在地幔研究样品中,铅同位素的含量很低,如果测试技术水平达不到,很可能导致研究数据的不准确,进而对整个研究成果造成影响。在美国从事科研工作时,刘希军就与导师遇到了这一问题。当时,他们花费9个月的时间,在Scripps海洋研究所同位素实验室建立了双稀释剂法高精度Pb同位素测试技术,通过对该方法的改进,比国际上其他实验室的测试精度提高了3~5倍,这一同位素测试技术方法是专门测定低含量铅同位素的方法,在其地幔研究中发挥了很重要的作用。如今,刘希军也将这一技术带到了国内,就目前来讲,刘希军团队在国内测低含量铅的数据质量仍处于领先地位。
  
教学——薪火相传育人才
  科技创新,关键在人;发展之要,人才为本。大学是培养中国新一代人才的殿堂,为人师者,能否不忘初心而坚守师道折射境界高低。从一名普通的教师成长为桂林理工大学地球科学学院副院长,再到如今的“有色及贵金属隐伏矿床勘查”教育部工程中心主任和广西隐伏金属矿产勘查重点实验室主任,刘希军时刻没有忘怀身上所肩负的职责——教书育人。
  “从事教学工作,肯定要经历一个逐步成熟的过程。从学生时代一路走来,我深知师门传承的关键。”刘希军说。对于科研工作来说,自由的创新氛围更有利于科研灵感的迸发。但是,有时过于自由的氛围会让一部分学生产生懈怠。因为经历过东西方科研文化的熏陶,刘希军对此感触颇深。所以,在日常的科研生活中,刘希军更倾向于对学生进行引导。他告诉记者,在硕士与博士期间,他学到最多的就是如何在一个新的领域自学、去挖掘新的知识。而最初接触到这一领域研究的学生就像一张白纸,在向前摸索的过程中,可能会走许多弯路,这个时候导师的引导与指点就起着至关重要的作用。
  所以,每两周他都会召开组会,来询问学生的研究进度以及在研究中遇到了哪些问题。平时,他也经常给学生介绍相关领域的文献论著,指定他们一定要在那段时间内看什么、学习什么。等学生们进入学习状态之后,他教学生如何查找自己需要的文献,利用网络去学习,如何利用好实验中获取的数据;让学生汇报自己的阶段性成果,以便给予他们更好的指导。
  “人和”是促成一件事情成功的关键因素。在科学研究中,研究团队的同心协力起着至关重要的作用。刘希军经常说:“一路走来,自己师出同门的师兄弟们关系都非常和谐,这已然成了我人生中的宝贵财富。”所以,在日常生活中,他十分注重培养与学生之间的感情。每隔一段时间,他经常会组织学生聚在一起聊聊天,谈一谈自己的生活与工作,每逢中秋节、教师节等节日,他们也经常会一起度过,经年累月,这也无形中拉近了他与学生之间的距离。“师生之间的感情拉近了,彼此之间更加了解,学生也就会更愿意听从老师的意见,学习的主动性也会提高。”刘希军说。
  不管是为人师还是做科研,刘希军始终孜孜不倦,用心去诠释自己的每一个角色。在他身上,我们可以看到新时期科研人的缩影。山一程水一程,心向科研,步履不停。从海外到归国,刘希军在不倦的探索中,丰富了自己的人生,感到了内在的充实和价值。他常说“路漫漫其修远兮,吾将上下而求索”,他一直以求知求识为人生乐趣,让自己不断进步,利用丰富的科研经历来反哺教学。如今,他仍用科技创新的优异成绩,践行着对于科学研究的深情与壮志,谱写着一名新时代科研人的光辉华章。科
  
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