——记中国科学院地质与地球物理研究所古地磁与年代学实验室研究团队

本刊记者　朱刚刚

　　
　　地磁场是地球最重要的物理场之一，它起源于地球外核磁流体运动，因此，地磁场演化蕴含着丰富的地球内部动力学信息；其次，记录在岩石和沉积物中的古地磁信息还可以用来研究地球板块的运动历史。20世纪初科学家发现了地磁极性倒转行为，为随后板块构造理论和全球古海洋学的发展奠定了基础。此外，地磁场可以有效地屏蔽宇宙射线，保护地球生命，在地球生命演化历程中起着至关重要的作用。随着科学技术的发展，通过与其它学科交叉结合，地磁学的研究领域不断扩展。目前古地磁学的研究范畴已经从传统的板块构造和地磁场强度演化研究，拓宽到岩石磁学、环境磁学、理论磁学、生物磁学、海洋磁学以及环境污染等多个研究领域，显出很强的生命力和创造力。
　　在近年来新一轮的学科发展中，中国科学院古地磁与年代学实验室(PGL)研究团队获得基金委创新研究群体以及中科院创新团队项目资助，立足学科前沿，在古地磁学与年代学以及相关研究的领域取得了丰硕的成果。
　　
科学利器：建设国际一流的实验室
　　
　　古地磁学是一门集成野外与实验观测以及理论模拟的综合学科，而实验室平台建设是学科发展的前提与依托，尤其是PGL科研领域的发展与实验平台建设密切相关。在过去十几年中，PGL的平台建设发生了质的飞跃，研究领域不断拓宽。
　　PGL的前身是中国科学院原地球物理研究所的“古地磁实验室”，其研究内容主要涉及古地磁的传统领域。中国科学院地球物理研究所与地质研究所合并之后，PGL增加了岩石磁学实验、地磁场古强度测定、同位素定年、生物地磁学和稀有气体等实验研究平台，成为国际上仅有的能开展古地磁、环境磁学、年代学和稀有气体示踪地球深部过程的综合性实验室，大大拓展了传统古地磁的研究领域。
　　目前PGL的研究方向有地磁场演化与地球内部动力学、板块运动学、综合地质年代学、生物地磁学、岩石磁学与环境磁学以及稀有气体研究等领域。研究的介质从地球各种岩石，到行星陨石，大到行星尺度，小到微生物体内的纳米级磁性颗粒。PGL实验室综合平台的建设极大地促进了不同学科的交叉与研究成果的产出。
　　
和谐团队：人才梯队建设与学科互补的优势
　　
　　自实验室创建以来，PGL研究团队吸收了来自地球物理学、地质学、地球化学、生物学、地理学与物理学等多个学科的人才，为开展学科交叉研究提供了基础与保障。该团队拥有研究员5名，副研究员4名（包括1名英国学者），开发技术员1名，研究梯队与研究内容相辅相成。目前，研究团队成员刘青松研究员侧重于基础岩石磁学、沉积物复杂磁性机理以及海洋磁学的研究；潘永信研究员从事地磁场与地球内部动力学以及生物地磁学方面研究；邓成龙研究员的研究重点在于沉积盆地定年和中、新生代陆地生物群年代学及其沉积环境背景演变；王非研究员的研究特色是氩-氩年代学与热年代学及其在地学中的应用，目前正在拓展建立U-Th/He低温热年代学实验平台；贺怀宇副研究员的研究侧重地幔稀有气体同位素组成，为大陆岩石圈地幔性质等重大基础地质问题提供了有效的研究方法；田兰香副研究员主要从事生物地磁学研究；秦华峰副研究员和Paterson副研究员主要从事地磁场古强度研究和仪器研发。
　　PGL团队的贡献充分地得到国际同行的认可。目前，潘永信研究员任国际地球深部研究（SEDI）咨询委员以及国际知名地球物理杂志<Physics of Earth and Planetary Interiors>的编委；刘青松研究员任国际地磁学与高空物理学协会（IAGA）岩石磁学工作组主席。
　　PGL目前已经逐渐发展成为一个多学科交叉的联合实验大平台。在未来的5年中，PGL将组建两个相互联系的学科组：古地磁与年代学学科组以及地磁学与内部动力学学科组。各个分支方向的学术带头人在和谐的科研气氛，侧重各自重点，同时围绕地球与行星磁场演化核心主题联合攻关。
　　
前沿理念：开放、创新、育人、快乐科研
　　
　　如果说先进的仪器是基础，高素质的团队是源动力，那么前沿的理念便是整个实验室团队的灵魂与核心，是引领实验室的发展方向，培养创新人才，推动前沿学科发展的关键所在。PGL在发展历程中，始终秉承开放、创新和育人的前沿理念，在经验中积累，在积累中前行。
　　古语说“流水不腐，户枢不蠹”，PGL的第一个重要理念就是“开放”。实验室每天24小时，全年运转，其中有三分之一的时间开放给国内外的研究人员进行相关研究。进入实验室所有科研人员自己亲自做实验，并负责值班期间实验室的卫生与安全。实验室有完善的仪器预约、由学生当研究助理并操作培训的管理体系。
　　在PGL的开放体系下，这里成为了来自各地科研工作者思想交流的场所。PGL研究团队定期举办各种层次的会议，从团队内部例行的周会，到3年一次的地球行星内部国际研讨会（BEPIS），帮助团队内部及国内外团队之间的交流讨论。在PGL，最大的感触就是国际化的研究氛围，这里有来自世界各地优秀科研工作者的身影。目前PGL团队已经创建了中-法生物矿化与纳米结构联合实验室（LIA_BioMNSL）和中-法季风-海洋-气候联合实验室(LIA_MONOCL)，分别在生物矿化、生物地磁学，以及海洋地质与地球物理学方面开展卓有成效的国际合作。这种开放化的管理体系不仅极大地促进了科研人员之间思维的碰撞和新思想的产生，而且成为不同国度和不同领域研究人员之间的纽带。实验室已成功举办了两届地球与行星内部国际研讨会和第2届趋磁细菌与生物矿化国际研讨会。
　　PGL的第二个理念就是坚持创新。PGL团队在不同学科知识体系的交叉下，把握学科交叉机遇，开辟了生物地磁学研究新方向，拓宽了古地磁学的传统研究领域。先进的设备和实验手段是保持实验室长久站在研究领域前沿的基础，也是推动整个领域发展的客观条件。针对实验研究的需求，实验室已经成功研发古地磁领域新一代热退磁炉，目前正在积极开发变频磁化率仪、自动磁化率仪等。此外，通过建立新的生物磁学、矿物磁学、稀有气体等技术平台，保证实验室在技术创新方面的优势地位。
　　实验室发展的目标之一是培养一流科学家。PGL的育人理念分为两部分：育才和育德。科学研究与教学活动相结合，是PGL主要的育才理念。在科学研究方面，鼓励学生在实践中学习，创造宽松自由的学术环境，提供高水平的交流平台和合作机会。PGL团队最具特色的育才理念是培养学生对仪器的了解，每台仪器都有学生做仪器助理，负责日常的仪器监控和维护。在此过程中，学生不仅加深了对仪器原理的了解，也培养了作为实验室成员的责任心。PGL团队也为其他机构研究工作者提供培训，比如PGL开设的“古地磁与年代学及地质应用”培训班，除了为学员提供高质量的课程外，也提供给了一个共同交流的平台。
　　在育德方面，PGL制定了明确的规章制度规范和监督学生的实验态度和行为。育德育才，方能育人。正是由于坚持自己的育才理念，PGL团队才能坚实迈出每一步，拥有今天的发展。迄今为止，PGL为古地磁学及相关地学领域培养了大量的优秀青年人才，成为名副其实的科研与教育基地，实验室已经毕业研究生50余人，其中有8人获得教授/研究员职位、10人获得副教授/副研究员职位、7人获得国家杰出青年科学基金资助、3人获得中科院青年科学家奖。
　　人才培养是实验室持续发展的动力源泉，实验室为青年人才的成长和科研提供了紧张而又有张力的环境，并且这股年轻的力量也充分发挥了他们的能动性。为了加强学生们的凝聚力，实验室非常注重实验室文化和体育建设，营造健康快乐的工作学习氛围，在实验室上下形成了良好的精神面貌。他们拥有自己的民族乐队、足球联盟、篮球团体、攀岩小队。极具特色的咖啡角更是成为实验室成员休闲、聊天、分享新闻的天地。PGL推出了自己的学术生活杂志“PGL Letters”，展示出了实验室的精神面貌。这种时尚气息使PGL团队充满快乐与激情，大大改善了实验室的科研创新氛围，促进了团队的建设与发展。
　　
地磁场演化：穿凿时空的钥匙
　　
　　古地磁信息是穿凿时空的一把钥匙，其研究涉及多重领域，可以从磁性物理学研究跨越到地质学应用研究。古地磁信息的载体是磁性矿物，我们可以从如下多个角度去研究：1)自然介质中所含磁性在地磁场中会定向排列，从而记录地质历史时期的地磁场信息。样品携带的剩磁我们称之为天然剩磁。在实验室中，对天然剩磁进行退磁，可以获得地磁场的方向和强度信息；2)磁性矿物作为一类特殊的矿物，它的生成、运移、沉积以及后期改造与各种地质环境过程相关，从而样品的磁性可以被有效地用来研究地质历史时期中相关的气候与环境演化过程; 3)磁性矿物的磁性变化机理研究。通过综合计算机模拟与先进的岩石磁学方法，研究模式磁性矿物（包括实验室合成的标准磁性矿物以及磁细菌体内外合成的磁性矿物）的磁性与控制因素，为判别古地磁信息可靠性、正确解译环境磁学信息以及研究生物矿化与生物医学等提供基础。
　　在地质历史时期中，地磁场并非一成不变，而是在不同的时间尺度上变化。地磁极性曾发生过频繁的倒转，但其倒转过程和机制并不清楚。为了解释这个谜底，在上世纪末期，我们对中国黄土-古土壤序列开展了高分辨率的古地磁研究。结果表明，发生在78万年的最后一次地磁极性倒转(松山-布容倒转)持续了几千年的时间，一个完整的地磁极性转换包含了多次快速倒转过程，同时伴生着地磁场强度的大幅度降低。如果把在转换过程中的地磁极投影在地球上，会进一步发现地磁极的运动轨迹不仅存在环太平洋分布的特征，而且还常常在一些特定的地点(如澳大利亚)聚集成簇，暗示着倒转过程与地球内部结构密切相关。这些发现极大地加深我们极性倒转这一神秘现象的理解。
　　在地质历史时期中，发生了很多次的极性倒转行为，我们把1百万年发生的地磁极性倒转次数定义为地磁极性倒频率。在白垩纪中期的121-83百万年间，地磁场极性没发生倒转，看上去非常平静，这一现象被称之为白垩纪正极性超时(CNS)，或白垩纪超静磁期。对于形成CNS的机制在国际上一直存在争议，其核心问题在于CNS期间地球磁场的强度到底是高还是低。我国东部分布着大量的白垩纪火山岩，它是记录地磁场信息的最有效的介质之一。PGL团队通过深入研究这些火山岩记录的古地磁场信息，揭示出了在CNS之前地磁场地磁强度在升高，与地磁极性倒转频率的降低呈负相关关系；而在CNS期间地磁古强度并非单一的高或者低，而是在一个较高的值附近波动，这些研究发现为揭示CNS发生机制提供了重要的约束，具有重要地球内部动力学意义。
　　地磁极性倒转具有全球统一性，把过去165百万年以来所有的地磁极性倒转时间排在一起，可以建立一个全球标准的地磁极性年表(GPTS)。如果把沉积物记录的地磁极性序列与GPTS相对比，就能获得沉积物序列的年代框架，这个研究方向称之为磁极性地层学。比如，中国北方著名的泥河湾盆地发育了良好的晚新生代河湖相地层，并且其中包含有丰富的哺乳动物化石和旧石器遗址，是研究中国北方第四纪环境、旧石器考古和早期人类演化的一个关键地区。然而由于这套沉积物中缺乏适合进行同位素精确定年的材料，致使该盆地内诸多旧石器地点的年代问题一直存在争议。PGL团队首先深入研究了泥河湾盆地复杂沉积物记录弱剩磁的机理和研发了新的实验方法，在此基础上，综合岩石地层学和生物地层学研究，建立了该盆地的磁性地层年代框架，厘定了泥河湾动物群的时代，并在国际上首次确定了争论已久的小长梁、马圈沟等著名旧石器遗址的年代，建立了泥河湾地区早期人类活动年代序列，为早期人类演化研究提供了新思路。
　　近些年，PGL的研究思路在于逐步拓宽其研究领域，在中国黄土的磁性机理、生物磁学及应用、化学合成磁性材料的性质研究、氩氩热年代学以及稀有气体在地幔演化与比较行星学领域应用方面也取得了瞩目的成绩。地磁场影响生物圈是地球深部制约地球浅层环境和宜居性的重要形式之一，根据科学发展趋势，PGL团队率先开展了地磁场对动物到微生物影响的学科交叉研究，在动物地磁导航、微生物趋磁性和矿化、以及生物磁性纳米颗粒应用方面做出了一系列创新性成果。
　　展望未来，PGL团队将继续坚持现有的实验室（实验室网站：http://www.paleomag.net/）管理与人才培养理念，面向学科前沿，继续拓宽研究思路，走出国门，以全球视野关注地球科学重大问题，为进一步推动学科发展而努力。古地磁场研究方面，进一步结合理论模拟与实验观测，探索自地球形成以来地磁场的演化历史及其内部动力学过程。构造磁学方面，将关注重要构造单元的运动历史，为古大陆再造、古地理重建提供有力的运动学约束。年代学方面，将古地磁学与同位素年代学有机结合，为重要地质事件提供坚实的年代学制约。在岩石磁学方面，将结合微磁模拟与先进的岩石磁学技术，系统地厘定自然界中不同磁性矿物间的复杂磁性机理及相互转换关系；环境磁学方面，综合海陆记录，关注全球粉尘运输与大气演化模式。惰性气体研究方面，将不仅关注地幔演化，并跳出地球的圈层，从比较行星学角度看地球演化的独特性。总之，PGL团队通过集成多学科的优势，希望为研究地球的长期演化提供一把真正穿凿时空的钥匙。