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王煜:以实验为履 向地球深部进军
——记中国科学院广州地球化学研究所特任研究员王煜

作者:李 刚    发布时间:2021-01-25

导读:  为了读懂地球深部的奥秘,近10年来,中国科学院广州地球化学研究所特任研究员王煜始终致力于实验岩石学及地球化学的研究,以实验为履,向地球深部这一前沿课题发起了冲锋。他在利用高温高压实验,研究再循环地壳熔融过程、壳幔相互作用及钾质-超钾质岩成因等方面取得了突出的创新性成果,为了解地球深部物质循环、元素分配行为、岩石成因及不同岩石系统下熔融过程提供了重要的实验依据,多项研究成果发表在国际一流学术期刊上,受到了国内外同行的高度关注。   
  
  地球,是人类及万物赖以生存的家园。揭示地球深部奥秘,是解决人类能源、资源和生存空间等问题的必由之路。
  然而,由于地球深部充斥着坚硬的岩石,处于高温高压极端环境,深地探测技术不成熟,致使人类对地球深部仍知之甚少。地球内部物质是怎么分布和运动的?能量是怎么转移的?对人类生存的表生环境将产生怎样的影响?……一系列基础问题仍悬而未决,从根本上制约着人类对地球深部的探索和应用。因此,2010年,联合国“国际行星地球年”将地球深部作为地球科学的最后前沿。
  为了读懂地球深部的奥秘,近10年来,中国科学院广州地球化学研究所特任研究员王煜始终致力于实验岩石学及地球化学的研究,以实验为履,向地球深部这一前沿课题发起了冲锋。他在利用高温高压实验,研究再循环地壳熔融过程、壳幔相互作用及钾质-超钾质岩成因等方面取得了突出的创新性成果,为了解地球深部物质循环、元素分配行为、岩石成因及不同岩石系统下熔融过程提供了重要的实验依据,多项研究成果发表在国际一流学术期刊上,受到了国内外同行的高度关注。
  
一次偶然
——“到了实验岩石学的摇篮”
  2011年,克拉通形成与破坏国际学术研讨会在北京召开。带着对我国华北克拉通研究的浓厚兴趣,26岁的中国地质大学研究生王煜,也有幸参加了这一吸引了诸多全球顶尖地球科学家的盛会。其中一位,就是世界著名的高温高压实验学家、德国美因茨大学Stephen Foley教授。在闲聊时,Foley教授向王煜介绍了高温高压实验岩石学的发展情况,他与王煜越聊越投机,主动邀请王煜去德国美因茨大学攻读博士学位,开展高温高压实验的相关研究。
  “我一直对高温高压实验岩石学很感兴趣,因为一切科学研究最终还是要根植到实验中去,地学也同样如此,而Steve又是这个领域做得最好的几个人之一,尤其是碱性岩方面。”王煜回忆。于是,他毅然决定申请国家留学基金委的海外博士留学资助,并十分幸运地拿到了赴德留学的奖学金,于2011年前往德国,跟随Foley教授,从此正式开始了实验岩石学的研究。
  实验岩石学是一门研究岩石和矿物在高温、高压条件下的各种特征和变化,模拟各种熔融变质过程、地幔和地壳各层圈物质组成和相变的科学,在研究岩浆成因演化规律及地球深部动力学方面有重要意义。同时,实验岩石学的研究成果、思想还是理论岩石学的精髓。地质界著名的“花岗岩成因”的争论,最终就是通过Tuttle和Bowen的“Qz-Ab-Or”三元系的实验成果平息的。事实上,岩石学领域内重要的理论问题最后能得以解决,为人们所公认,无不与创造性的成岩模拟实验的成功有关。因此,实验岩石学也被称为是地质学领域的“硬科学”。
  因此,开展实验岩石学的研究,既要求研究者具有深厚扎实的理论基础,从而做到有的放矢,又要求其熟练掌握各种高精尖的实验设备,从而可以有效开展各类实验操作,对研究人员的理论素养和实践能力提出了双重要求。这注定是一条难走的科研之路。对半路出家的王煜来说,崎岖指数更是飙升。无限风光在险峰,年轻的他以初生牛犊不怕虎的勇气,斗志昂扬地踏上了新的征程。
  然而,好事多磨。让人意外的是,到德国的第二年,王煜就面临着“被转学”的困境。原来Foley教授“跳槽”到了澳大利亚的麦考瑞大学。在征得王煜的同意后,Foley教授将王煜也“打包”带到了悉尼。作为唯一被带过去的博士生,王煜在澳洲跟随导师Foley教授开启了第二段求学生涯。
  也算是“因祸得福”。在地球科学领域,麦考瑞大学在全球拥有着较高的知名度和学术地位,诞生了数位全球顶尖的科学家,加上Stephen Foley教授的加盟,研究实力更是如虎添翼,俨然是实验岩石学的摇篮。在麦考瑞大学的实验室里,实验岩石学的鼻祖留下的实验仪器,在历经半个多世纪的洗礼后,依然能够稳定运行。“去实验室,感觉跟去博物馆一样。”王煜惊叹。
  国际一流的科研平台,国际知名的导师和研究团队,活跃开放的研究氛围,让王煜快速成长起来,他心无旁骛地恶补专业理论知识,熟练掌握了各种高端实验设备的操作方法和注意事项。在此基础上,设计了大量科学实验,取得了多个重大发现,从实验岩石学的“门外汉”逐渐成长为年轻的技术骨干。
  5年时间,倏忽而过。在两个国家、两所高校攻读博士学位,这样的经历可以说是独一无二的。对王煜来说,也是难能可贵的。“我感受到了两个洲不同的学术氛围和文化,这非常有意思。”王煜说道,对其中的辛苦却闭口不提。
  
终成必然
——“在世界发出中国声音”
  俯冲作用是地壳运动的主要形式之一,指一板块沿汇聚板块边界向相邻板块下方潜入的过程。它的发生,实现了地壳与地幔之间物质和能量的交换,引发了地壳和地幔的重塑、改造、构造-岩浆作用和大规模成矿作用,对地球的形成与演化有着深远影响。俯冲板块如何影响作为岩浆岩源区的深部地幔物质组成,是固体地球科学界长期关注的焦点科学问题,也是困扰科学界数十年之久的难题。
  在地质学上,根据相互作用的两个板块性质的不同,俯冲作用可分为大洋板块向大陆板块之下的俯冲、陆内俯冲和洋内俯冲3种。长久以来,大洋俯冲带被认为是壳幔相互作用最为活跃的区域,吸引了众多科研人员的目光。然而,大陆俯冲带虽然温度较低且缺乏同俯冲脱水部分熔融作用,但也发生了显著的壳幔相互作用,并形成折返的超高压岩片和同折返或碰撞后岩浆作用。“由于再循环物质(洋壳和陆壳)组成上的差异,必然造成陆壳物质和洋壳物质与岩石圈地幔相互作用性质上的差异。”王煜断言,探索和研究大陆俯冲带壳幔相互作用成为必然。
  另外,大量地球化学证据已经证实,大陆地壳不仅是大陆俯冲带中主要的再循环组分,也普遍存在于洋陆俯冲带基性岩浆的地幔源区。但是,橄榄岩的熔融过程会稀释大陆地壳物质携带的地球化学信息,使得大陆沉积物组分主要发现于地幔低程度部分熔融成因的碱性岩浆,而在其他幔源岩浆中较难被识别出来。“大陆地壳沉积物组分,很可能广泛存在于镁铁质岩浆的地幔源区。”王煜猜测。
  但是,国际上关注大陆俯冲带以及大陆地壳再循环及壳幔相互作用,并且有针对性地、系统地展开实验岩石学研究的研究人员却少之又少,要在一个几乎空白的研究领域,蹚出一条新路,谈何容易。
  明知山有虎,偏向虎山行。从2011年起,王煜就开始了再循环大陆地壳熔融过程方面的高温高压实验研究工作,通过引入新思路与新方法,针对再循环大陆地壳-地幔橄榄岩反应实验研究的薄弱环节,开展了一系列的高温高压实验研究。
  功夫不负有心人。通过长期扎实细致的研究工作,王煜和团队成功揭示了俯冲陆源物质的熔融行为及物质循环机制,第一次在阿尔卑斯-喜马拉雅造山带幔源岩浆岩中识别出一种独特的地球化学特征,即极高Th/La比值,全球任何其他地质构造环境下的岩石中均未见这一特征。而后,结合陆壳熔融实验结果,他还第一次利用Th/La比值这一地球化学探针,去验证是否这种极高Th/La比值是通过大陆地壳的直接熔融得来的,进而证实俯冲陆壳直接熔融模型不能解释阿尔卑斯-喜马拉雅造山带钾质岩成因。
  在钾质岩成因研究上,钾质岩浆源区中(无论橄榄岩还是混入的超基性岩中)一般都需要金云母为岩浆提供钾,已经成为学界共识。然而,一次实验中,王煜却意外地发现钾质熔体(4.5wt%K2O)可以直接从大陆地壳沉积物-地幔难熔橄榄岩相互反应中得到,并不需要残余物中含有金云母或者其他任何钾质相。一开始,由于这一观念已经在地学界根深蒂固,因此他也怀疑过实验结果,然而,后续的数次实验,又证实了他的发现。这一创造性成果的发现,颠覆了学术界一直以来的刻板印象,为理解钾质岩成因和大陆地壳-地幔橄榄岩相互反应提供了全新的视角。此外,王煜还发现壳幔相互作用形成的熔体与后碰撞钾质岩的微量元素含量高度相似,以此证实了后碰撞钾质岩的形成很有可能与俯冲陆壳与地幔橄榄岩相互作用密切相关。
  造山带岩浆作用的成因研究是重建造山带演化历史的关键。然而,这些岩浆的成分复杂、成因多样并受多重因素制约,因而,要准确地识别其来源及形成机制相当困难。阿尔卑斯-喜马拉雅造山带作为典型的弧-陆碰撞造山带,因其独特的地学特征,一直是探寻钾质-超钾质岩浆作用机制的理想场所。
  然而,对于阿尔卑斯-喜马拉雅造山带的构造机制和地球动力学研究,及其如何引起该造山带广泛分布的钾质-超钾质岩浆作用,以及它如何影响并造成了一些典型山峦地块(如青藏高原和门德斯地块)的抬高,在学界却始终充满争议。“尤其令人困惑的是,在阿尔卑斯-喜马拉雅造山带幔源岩浆岩中,识别出的一种独特的,但是普遍存在的地球化学特征,即极高Th/La比值,全球任何其他地质构造环境下的岩石中均未见这一特征。”王煜补充道。
  针对这一科学难题,王煜和团队利用在土耳其Tav.anl.地区识别出的一套硬柱石蓝片岩,对其开展了一系列系统的矿物学、岩石学及地球化学研究,并统计整合了阿尔卑斯-喜马拉雅造山带现存的几乎全部钾质-超钾质岩的数据库。通过分析对比,他们成功找到了破解困扰学术界很久的阿尔卑斯-喜马拉雅造山带钾质岩“Th/La难题”的“钥匙”,即在俯冲大洋板片和地幔楔交界面形成的混杂岩中伴生的硬柱石蓝片岩;并提出了阿尔卑斯-喜马拉雅造山带后碰撞钾质岩成因新模型,证实了浅俯冲模型对于阿尔卑斯-喜马拉雅造山带钾质岩成因的约束,以及混杂岩中伴生的蓝片岩在造山带后碰撞钾质岩成岩过程中的重要作用。“这些过程对于理解现代地球上的弧岩浆和造山带岩浆作用非常关键,但是可能在地球形成早期(如晚太古宙)尤为重要,因为由众多弧拼接合并而形成的原始地壳可能广泛分布在这一地球演化时期。”王煜补充说道。
  不鸣则已,一鸣惊人。短短几年时间,王煜就取得了众多开创性的研究成果,这些研究为了解地球深部物质循环、元素分配行为、岩石成因及不同岩石系统下熔融过程提供了重要的实验依据。相关成果发表在Geology、Journal of Geophysical Research: Solid Earth、Chemical Geology、American Mineralogist等国际著名SCI期刊上。他成功地在实验岩石学领域开辟出了一条新路,开始在国际实验岩石学界崭露头角,响亮地发出了中国声音。
  然而,王煜并不满足已取得的成绩,他已经开始向更高难度、更深广度的难题发起了攻关。地幔转换带(Mantle Transition Zone,简称MTZ)是位于地球深部410km和660km两个不连续面之间的地幔部分。作为联系上下地幔的纽带,它不仅是地球深部结构中具有特殊意义的圈层,也是地球动力学中的重要界面。大量地球物理探测显示俯冲板块可俯冲至地幔转换带深度并滞留在其中(如环太平洋俯冲带及地中海地区),形成特殊的“大地幔楔”结构(如东亚)。MTZ中滞留板块的行为和命运是理解大地幔楔化学不均一性和动力学的关键。
  但是,由于缺乏直接来自于地幔转换带的天然样品,有关地幔转换带中滞留板块的信息均是通过地球物理和地球化学方法间接推断的。“若要更清楚、更直接地了解地球深部结构和物质状态,必须依靠高温高压实验模拟来了解滞留板块的行为。”王煜告诉记者,虽然近年来高温高压实验技术、模拟能力和分析测试水平的不断提高,极大地促进了深部地球科学的发展。但令人遗憾的是,有关俯冲板块在MTZ条件下的熔融行为以及俯冲板块(及其衍生物)与MTZ周边地幔相互作用的研究却极少,严重制约了人们对大地幔楔动力体系的认识。为此,王煜正和团队一起利用高温高压实验技术,系统地研究地幔转换带的熔融过程,开展熔体和地幔橄榄岩的相互反应实验研究,约束与其相关的幔源岩浆活动的成因,为提高人们对板块俯冲和地幔转换带的认识而努力。
  据了解,上述研究具有从“0到1”属性,对揭示和建立大地幔楔动力理论框架,丰富和发展板块构造学说体系具有重要意义。如能成功实施,将有助于促进高温高压模拟这一地学前沿学科在我国的发展。正是因为项目意义重大,影响深远,王煜和团队正以时不我待的干劲奋发作为。
  
未来可期
——“大家一起把事干好”
  实验岩石学发轫于20世纪初,作为一门新兴的学科,在欧美、日本等地区和国家发展迅速。而在我国,却面临着起步晚、基础差、设备差、从业人员奇缺等困境。虽然近年来情况稍有好转,但较国际先进水平仍有较大差距。
  “比方说,我们现在做的是‘1+1’的问题,而国外,有些团队和实验室已经做到了‘10的N次方’的问题。”对于差距,王煜毫不讳言。也正是因为对差距有着清醒的认知,2016年,获得博士学位后,王煜毅然按照预定计划回到了国内,希望为我国实验岩石学的发展贡献力量。
  位于广州的中国科学院广州地球化学研究所是王煜的首选。这不仅因为广州地化所是国内专门从事地球化学研究的机构之一,科研实力雄厚,学科门类健全,实验设施完备,人才济济。更重要的是,研究所所长徐义刚院士很早就意识到高温高压对地球科学,尤其是地幔地球化学研究的重要性,他非常支持实验岩石学的学科建设和发展,并且高瞻远瞩地认为其将是未来的学科发展方向,搭建了平台,引进了数位优秀的研究人员,厚植了一方发展的沃土。在这样富含机遇和挑战的环境下,王煜很幸运地加入到了徐义刚院士所在的地幔地球化学课题组中,得以和众多十分优秀的岩石地球化学领域的老师们学习和共事。
  回国后,王煜在徐义刚院士的带领和指导下,与所内众多研究人员一道,以国家自然科学基金和广东省自然科学基金等项目为依托,开展了卓有成效的研究工作,取得了让学界称道的研究成果。因出色的研究工作,2019年,他获得了中国科学院广州地球化学研究所“涂光炽优秀青年学者”A类特别资助,2020年入选中国科学院“青年创新促进会”会员并担任青促会广州分会秘书长。这些资助项目,又反过来助推其科研工作继续向前迈进。
  地球深部有太多的不确定性,没有人知道在我们的脚底下到底在发生着什么,没有人知道那里曾经发生过什么。而高温高压实验,就像是给探索地球深部的人穿上了一双无往而不至的鞋子,只要认真寻觅,就会有所发现。这些发现既能验证理论岩石学的成果,又能对其他学科提供参考和借鉴。
  而这也正是吸引王煜不断前进之处。至今,他还记得,在澳洲攻读博士学位时,一次做实验时意外地发现一种独特的地球化学特征。“当时没意识到,但是导师眼光很敏锐,说‘这个地方很有意思,你可以去挖一挖’,结果,还真的让我给挖出来了。”王煜回忆。也正是这次意外的发现,让他成功证实了俯冲陆壳直接熔融模型不能解释阿尔卑斯-喜马拉雅造山带钾质岩成因,研究成果发表在学界顶级期刊上。
  近年来,在国际上,实验岩石学的发展步入了新的阶段,越来越注重对实验结果的分析,对科研人员提出更高的要求。尽管挑战越来越大,王煜身上的担子也越来越重,但他对学科发展前景依然十分看好。他告诉记者,在国内,实验岩石学越来越受到重视,一个又一个高温高压实验室正在建立,越来越多的年轻人开始投身这一领域,国内实验岩石学的发展呈现了可喜的局面。更激动人心的是,年轻的科研人员们非常有劲头,“还是挺想大家一块把这个事儿干好,争取在国际上发出属于中国的声音”。“未来可期。”王煜最后说,眼神里充满喜悦和坚毅。
  
记者手记
  王煜是一名85后,热爱生活,乐观开朗且心态平和,非常善于用幽默化解生活和工作中的压力。会为了做一个实验“熬上几天几夜”,也会在完成重要任务后,和好友彻夜弹琴、把酒当歌。户外运动、健身、玩音乐、打篮球等,样样不落,谈不上精通,却也自得其乐。爱玩爱闹,爱说爱笑。在采访中,他金句频出,段子不断。上一句,他还在认真地回答:“我的兴趣爱好太多了。”结果下一句,就调转枪头:“曾经科研其实算是兴趣爱好,剩下的都是我的主业。”上一句,他还在说:“做科研无非就是认真踏实,坐得住冷板凳。”下一句,就冒出:“但是,还是得整张好点的椅子,要不腰疼。”
  认真工作,认真生活,做一个真正的“科学人”,做一个热爱生活的人。也许这就是年轻一代科研人员的一个缩影。
  
  
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