“嘿，就是它了。”来自中国科学院地质研究所（中国科学院地质与地球物理研究所前身）和北京地质调查所（北京地质调查院前身）的几位专家，在北京房山区石花洞里探寻，终于在地下第三层岩洞里，找到一根近20厘米高、顶面湿润尚有滴水的圆柱体石笋。他们对这根石笋很满意，小心地取下来，带回实验室。这一场景发生在1995年。当时参与采集石笋、正在中科院地质研究所做博士后的谭明，如今已是中国科学院地质与地球物理研究所的研究员。

    2007年1月28日，北京房山区政府以此作为旅游契机，举行了新闻发布会，把谭明和他的研究领域——石笋微层气候学推到公众面前。发布会的重点是：根据对那块石笋的研究，科学家们重建了2650年来（公元前665年~公元1985年）北京夏季气温（5~8月的平均温度）曲线，这是迄今世界上最长的石笋逐年温度记录。

    自然界的“时钟”

    深藏地下的石笋，怎能记录气候变化？道理很简单，洞穴石笋是滴水带来碳酸盐矿物沉积形成的，而洞穴滴水是雨水通过石灰岩从地表渗透下来的。在从地表向地下传递的过程中，水流不但带有大气温度或降水变化的信号，还加入了许多地质、土壤环境变化的信号。当水最后到达洞里，从滴水沉积出来的石笋也就成了一个气候（环境）变化的记录器。

    很早以前，科学家就猜想，洞穴里的沉积物（如石笋）很可能像树轮、冰芯、珊瑚一样，能够记录气候的变化。但由于难以确定其准确年代和分层，无法开展精细的古气候研究。我国著名的第四纪地质学家和环境地质学家刘东生院士，早在20世纪80年代就注意到洞穴沉积物的古气候研究价值。在他的指导下，中国有了第一批专门从事高分辨率石笋古气候定量的研究人员，谭明即是其中之一。

    “所谓‘高分辨’，在地质年代上是一个相对概念。相对于十万年跨度的记录，时间分辨率达到千年可称高分辨；而对于千年跨度的时间记录，时间分辨率达到十年就算高分辨了。”谭明介绍说，目前我们所知的自然界，有两种自然时钟——放射元素时钟和年／季旋回生长／沉淀时钟。前者必须通过专门的放射性元素衰变检测测量，后者可以通过视觉直接观察。

    “我们将取回的石笋切开并磨制成薄片后，在显微镜下用普通透射光进行了观察，竟然发现如树木年轮一样清晰的生长层。这些生长层的厚度大约为几微米到几十微米不等，连续的层序仿佛是一部没有断代的编年史书。”这一发现让研究人员惊喜不已。然而在上世纪90年代,科学家们除了知道石笋年层可以告诉我们层厚变化的年代之外，并不知道能从年层的厚度变化中提取什么样的气候变化信号，由此催生了一门新兴的学科分支——石笋微层气候学。

    石笋之谜

    这门学科的建立，并非一帆风顺。2001年，美国科学家泊利阿克（Polyak）在《科学》杂志上发表了未经观测记录校准、作为干湿变化指标的石笋微层厚度。文章既没有介绍年层计数和测量的方法，也没有列出层厚测量误差，甚至没有交代序列的起始年代是如何确立的。一年后，这个数据序列招致树轮学者贝藤夸特（Betancourt）等人的严厉质疑，因为他们用同一地区代表降水的树轮系列对石笋序列进行检验，发现二者差别很大，从而认为石笋微层序列的年旋回性质不可信。也就是说，石笋不能作为研究古气候的参考依据。之后，在石笋学者和树轮学者之间，进行了多次论战。

    “这场争论提出的问题是严肃的，而且对石笋重建气候历史的工作来说是严重的，因为它对石笋微层气候学重建气候方法的存在基础，具有颠覆的性质。”谭明在他的学术论文中，回顾了这段历史。

    事实上，在贝藤夸特的质疑文章发表前三个月，谭明等人已在中国的学术刊物《第四纪研究》上发表文章，提出对石笋年层是否包含气候信号，必须“用仪器记录作气候学检验”。这场论战，使谭明和他的同行们认识到“精确定年”和“定量重建”对这项研究意义重大。也使谭明想到，自己最初靠“眼对曲线”而非“步步证明”，导致了对北京一些石笋微层信号认识的失误。

    中国科学院地质与地球物理研究所博士后蔡炳贵回忆说，研究初期，我们猜想石笋年层的厚度变化可能代表降水多少的变化。因为按常识，人们一般都认为形成石笋的碳酸盐矿物质由水带来，水多，矿物质自然也多。这一想法一度主导研究方向。然而，事实并非如此。通过在石花洞内数年的实验观测，专家们发现，一年中，雨季并不是沉积最多的季节，大量的降水对碳酸钙溶液反而起到稀释的作用。通过借鉴树轮气候学的研究思路，才找到了正确的层厚量测和数学统计的方法，并发现在石花洞地区，夏季温度信号通过土壤二氧化碳“放大器”，在夏季之后的季节中被逐渐增加的碳酸钙沉积记录下来。

    那么，科学家是如何找到石笋和气温的这种对应关系的呢？

    北京市政府顾问、北京市气象局研究员吴正华解释说，北京地区早在乾隆年间就利用国外的技术进行气象记录。1840年前后，开始有每年每天连续的气象文字记录。通过把石笋研究数据跟这些数据进行比对，建立一个转换方程，就能推算出更远年代的气候状况。

    根据这个记录，在战国中期、两汉、隋、盛唐、宋、元、清代晚期以后，北京地区的夏季比较温暖。此外，自1600年以来，北京地区的气温一直呈现上升趋势。

    气温为何仅仅重建到1985年？科学家解释说，这是因为北京石花洞在1986年向游客开放，洞穴内空气中的二氧化碳浓度上升，影响了石笋的沉积。因此，1986年后的石笋年层虽然也有数据，但其厚度已经不能代表气候变化，所以在温度重建中没有采用。

    几度弯路

    谭明的实验室里，陈列着研究人员从全国各地的溶洞甚至泰国的溶洞里获取的石笋标本。石花洞石笋，只是他们研究的对象之一。

    “石笋的硬度并不高，主要是方解石结晶体，比较脆，有时拿硬物敲击一下，就会折断。”蔡炳贵介绍说，对石笋的研究方式仍在摸索中。对于取到的样本，通常要进行纵向切割，然后用胶固定在玻璃上，打磨成不到一毫米的薄片，还要抛光处理，最后放到显微镜下观测。“这个过程要非常小心，避免出现裂纹影响研究。”

    蔡炳贵举起一张石笋显微薄片，让记者观察。上面有由亮变暗的沉积，形成层层相叠的图案。“开始，我们认为这表明每一个微层的初始沉积物是比较纯净的碳酸钙，到后期有机质才逐渐增加。后来想到，如果这种层内亮、暗的灰度变化是由物质内容改变造成的，那么将石笋显微薄片翻过来时，这种灰度变化不应该改变。”

    然而，当研究人员将显微薄片翻过来后，发现灰度变化的上下关系也随之颠倒，这样就推翻了原来的设想。进一步的研究发现，石笋微层界面通常是与薄片斜交的，这种斜交造成透光量差异，形成虚假的灰度变化。

    “很多科学研究都始于科学假设，而科学研究的过程就是设计一种科学方法去对假设进行证明，不管结果是肯定的还是否定的，只要对事实有进一步了解，都是一个好的结果。”谭明说。

    为了让石笋研究做到“定量”，研究人员专程飞赴美国，到明尼苏达大学同位素实验室学习TIMS和ICP－MS铀系年代测定方法，并利用该实验室的先进仪器，测定石笋的年代。这一方法推翻了一个“经验论”——刚开始研究时，研究人员凭经验，将取样时石笋是否接受滴水、石笋顶面是否新鲜作为是否正在沉积的依据，然而通过铀系年代测定方法，发现有的石笋顶面，其实是较早年代沉积的，之后没有更新的沉积了。由此，研究人员决定，必须用实验的方法，来确认石笋是否仍在沉积——他们用载玻片接纳滴水，然后在显微镜下观察，玻片上有碳酸钙晶体的，才能确认此处石笋仍在沉积。

    “中国人不再脸红”

    2001年，政府间气候变化专门委员会（IPCC）发表了第三次工作报告，报告中所引用的最近千年来高分辨率气候集成序列（主要为树轮，其次是冰芯）所揭示的20世纪“异常”快速变暖，给人类排放温室气体提出了严正警告。但这个集成序列所引用的36个千年记录中，没有一个来自中国。也就是说，中国人在这个领域基本没有话语权。

    2003年6月，谭明的研究小组在美国《地球物理研究通讯》上发表了题为《2650年石笋夏季温度记录揭示的百年尺度旋回快速变暖》的研究成果。2003年7月，在美国国会关于气候变化的听证会上，石花洞的研究成果作为科学证据首次被科学家引用。美国国家海洋大气局主办的国际数据中心、美国航空航天局的网站等先后公布了石花洞石笋的重建温度数据，自此，石花洞的科研成果成为全球共享的科学财富。其后，《科学》和《自然》等国际顶尖科学杂志陆续引用了石花洞的这项科研成果。

    “现在，世界数据中心（WorldDateCenter，简称WDC）已经有很多中国科学家建立的记录，我们从上面下载数据时，再不会脸红了。”谭明说。

    然而，在WDC上各种高分辨气候代用资料的数据中，石笋仅有包括石花洞序列在内的少数几个，而冰芯和树轮序列很多。谭明解释说，石笋虽然有很多优势，比如时间延伸比树轮长，研究成本又比冰芯低得多，但是，气候信号和沉积之间存在复杂的关联，致使在很多情况下，“噪音”掩盖了信号。“石笋微层气候学目前急需解决的一个重要而基本的问题是，气候信号和沉积之间在何种条件下存在简单关联。只有揭示了这种简单关联的机理或条件，才能有意识而不是盲目地靠运气增加记录并延长记录。”

    有关科研人员告诉记者，石笋微层气候学，是一门比较新的科学，其成果需要被更多的同行检验。让谭明等人欣慰的是，他们的研究成果发表后，已为国内外其他同行广泛引用，对这项科学研究来说，这是最好的回报。

    照片：研究人员在做洞内现场水化学测定