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浩瀚的宇宙中,各種元素都在不斷地生成和消亡,形成了一個復(fù)雜的元素循環(huán)過程。根據(jù)宇宙大爆炸理論,宇宙在起源時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?這一切都離不開同位素地球化學(xué)提供的理論依據(jù)。
▲張普為了探究這一奧秘,成都理工大學(xué)行星科學(xué)國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)方法開發(fā)及在地球和行星科學(xué)研究的應(yīng)用中,開展了一系列科研探索。十多年來,她將自己的研究串聯(lián)成一條完整的譜系,以研發(fā)國內(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,一步一步夯實科研基礎(chǔ)
地質(zhì)過程反映了地球的規(guī)律。自古以來,地質(zhì)學(xué)研究就跟人類的生存關(guān)系密切。而張普對于地質(zhì)學(xué)的認知,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,打下了堅實的地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)。如今,張普回憶起在西北大學(xué)的求學(xué)時光,仍舊十分感慨?!昂芏鄷r候研究做到一定程度,就會發(fā)現(xiàn)都回到了本科的教材上。而未來想要實現(xiàn)從0~1的成果突破時,就會發(fā)現(xiàn)這些基礎(chǔ)是極為重要的?!彼f。
本科期間的學(xué)習(xí)讓張普對地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域的興趣愈加強烈。當(dāng)時,她就下定決心,一定要深入地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域繼續(xù)深造,通過探索揭開這一領(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)說對冰川作用、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,放射性碳、鉀氬法、鈾系法、裂變徑跡法測年及氧同位素測溫等技術(shù)的應(yīng)用,使第四紀(jì)地質(zhì)研究達到新水平。在中國科學(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,打下了堅實的基礎(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。
深耕,創(chuàng)新同位素地球化學(xué)研究
科學(xué)研究沒有捷徑,只能不斷地尋找新的證據(jù),用事實說話,對于同位素地球化學(xué)領(lǐng)域更是如此。
在張普看來,地球經(jīng)過了40多億年地質(zhì)、環(huán)境、氣候、生物等協(xié)同演化過程,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。對于張普而言,用這些理論基礎(chǔ)解決一個完全未知領(lǐng)域的科學(xué)問題,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內(nèi)外多所高校,在流域表層風(fēng)化過程鈾釷地球化學(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,張普在美國明尼蘇達大學(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)過程。鈾系測年法是由地質(zhì)學(xué)家開發(fā)出來的,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,它會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)無論對于古氣候、古環(huán)境還是相關(guān)資源的開發(fā)都具有十分重要的科學(xué)價值與應(yīng)用前景。
回國后,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絕對年代,為促進我國早第四紀(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。
在張普主持的國家自然科學(xué)基金面上項目“三寶洞石筍碳酸鹽第四紀(jì)以來高精度高分辨率稀釋劑法U-Pb年代學(xué)研究”中,她針對低含量高精度碳酸鹽稀釋劑法U-Pb測年技術(shù)難題,經(jīng)過一系列條件實驗和優(yōu)化儀器參數(shù)建立適用于石筍樣品的U-Pb稀釋劑測年方法,有望將2.5Ma以來的石筍年代精度達到2000~2400年,并將之應(yīng)用于構(gòu)建第四紀(jì)以來湖北三寶洞石筍精度高分辨率年代框架?!斑@個項目的整個研究過程是一個將古論今、逐漸完善的過程,未來可以應(yīng)用于氣候變化的預(yù)測,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。
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)化歷史評估和湖泊年代學(xué)的倡導(dǎo)者和實踐者。青藏高原是中國湖泊分布最多的地區(qū),這里的湖泊受人類活動干擾較少,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區(qū)域乃至全球氣候、環(huán)境變化的研究具有深遠意義。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展,鈾系測年技術(shù)方法經(jīng)歷了不同發(fā)展階段,而這些技術(shù)方法在不同時期和階段對青藏高原地區(qū)湖泊古風(fēng)化歷史評估和湖泊年代學(xué)研究作出了一定的貢獻。通過這一方向的研究,張普希望不僅能夠更好地評估青藏高原地區(qū)湖泊現(xiàn)在的問題,也為研究未來的氣候環(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,行則將至;事雖難,做則必成。張普的科研成果都是通過多年的科研實踐而誕生的?!坝浀卯?dāng)初去鹽湖采樣的時候,我們的車必須繞過一大片鹽堿地,才能到達研究的地點,因為地面泥濘濕滑,車輛經(jīng)歷了360度旋轉(zhuǎn),幾乎無法停下來?!睆埰照f,這些珍貴的科研實踐經(jīng)歷,不僅磨練了她的意志和心智,也讓她對科學(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,科學(xué)研究最困難的時候,可能就是身在其中的每個人都沒有答案的時候,但是這個從0~1的過程,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,張普來到了成都理工大學(xué)行星科學(xué)國際研究中心工作。在這里,她延續(xù)自己之前同位素地球化學(xué)和年代學(xué)方法開發(fā)等領(lǐng)域的研究工作的同時,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)過渡到行星尺度的研究,讓張普有些不適應(yīng),但隨著研究進程的逐漸推進,她完美地找到了這兩項研究的契合點,并開展了諸多創(chuàng)新性探索。
未來,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)同演化這兩個方向,尋找地球之外的宜居星球。張普說:“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)生的營養(yǎng)鹽跟生命起源是有必然聯(lián)系的。”未來,她將從這一角度出發(fā),用U、Th同位素示蹤地表過程及粉塵通量,示蹤地球氧化還原特征,示蹤冰凍融過程U遷移轉(zhuǎn)化機制及研究行星演化過程。而在氣候環(huán)境生物協(xié)同演化方向,她將通過揭示宜居星球表面水體的演化,為相關(guān)的科學(xué)問題尋找到新的突破口,為未來選擇合適的宜居星球提供科研證據(jù)。
行遠自邇,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。
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