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研究方法_生物地质学

时间:2020-02-09百科知识联系我们
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1.2.2 研究方法

地球系统科学可分为研究、观测、信息、管理四个体系,作为其组成部分的生物地质学也可分为相应的四个体系。

1.2.2.1 研究体系

1.多学科综合研究 生物地质学过程是在一个很宽的时空尺度上进行的,从池沼蓝藻快速释放氧气,到海洋浮游生物群落和热带雨林中碳的循环,再到大灭绝后生态系统的重建。对发生在这样一种宽广时空尺度中的复杂相互作用,需要采用多学科综合方法,将生态系统及其各组分当作整个地球系统的组成部分加以研究。

多学科包括分子生物学、古生物学、地质学、地层学、沉积学、地球化学及生物地球化学、(古)海洋学、(古)气候学、大地构造学等。由于地球是非线性、多重耦合的复杂系统,对这些学科要注意应用耗散结构、分形几何及混沌动力学等非线性科学,从整体及各子系统的行为与过程中探索众多地质及生态因子间的相互作用,及各种非线性耦合与相关效应。只有依靠生物学、地质学和地球化学等领域多学科的理论探讨,以及下述新技术发展及多种方法的应用,才能取得重要的科学突破。

2.应用当代实证科学方法——观察、分析阐述、建模、确证和预测

(1)观察和分析。充分利用当代全球变化研究所获实际数据,根据相应条件将今论古;坚持定量化,许多假说只有定量地确定各种作用的强度和影响,才能得出较明确的结论。在方法上要注意建立高精度的时空框架,这在地史时期的生物地质学研究中特别重要。要在比较精确的生物地层、磁性地层、同位素年代学对比基础上,按最细分层测量取样,利用层序地层学方法、米兰柯维奇旋回方法(磁化率等)、事件地层学方法(凝灰岩层等)建立10年至万年级别的时空框架,并进行高精度的国际对比。

在研究的各环节坚持半定量和定量化。具体途径是:充分收集和利用现代研究所获的实际数据;充分使用已证明可行的定量方法,如在生态地层学中发展的群落-水深-环境转换法、国际上新兴的古生态函数转换法(测古水温)、平衡剖面法等。

(2)模式检验和模拟研究。充分利用当代实证科学建立的模式:海洋透光带模式、水文循环的生物学模式、陆地生态系统模式、全球生物地球化学循环模式等,对照古代条件加以检验、改进,建立古代模式,利用上述模式进行实验室模拟和计算机的模拟,半定量至定量地再造古环境,如生物成岩、成矿实验及盆地模拟。

(3)设定多参数、动态、开放系统,进行验证和预测。地球表层是高速变化、并向宇宙和全地球开放的,相关的现象具有复杂的因果关系,故需对研究对象设定多参数的开放环境,按不同情况建立多种模式并进行相应的验证和预测。

3.将今论古,以古启今 生物地质学研究的时间尺度分为长过程(数千年至数百万年的过程,由地球内能和太阳辐射的外能所驱动)和短过程(数十年至数世纪的过程,由物理气候系统、生物地球化学循环和日益增长的人类活动所主宰)。生物地质学研究既可以就短过程——现代生物圈—地圈进行,也应当从古今比较研究入手。后者之所以需要,是因为地质时期和现代的生物圈与地球的关系,在研究方法和目的方面有相互依存性。长过程——地质时期各圈层变化的相互作用及因果关系很难实验,需要用短过程——现代生物圈与其他圈层相互作用的实际过程对比、加以论证。现代各圈层的相互作用只代表地质一瞬间,它的时间效应及中、长期后果,需要与地史变化作比较才能预测。有些生物地质学问题,仅靠对现代系统的年度或10年观测结果,加上理论分析,不可能解决,而通过地质记录,却可在较长的时间尺度和与现代不同的多种地球系统状态中,使这些问题得到解释。

例如,许多人认为当代已进入又一个灭绝期,但对进入的程度、长期后果等均不清楚;而古、中生代之交却显示了生物群衰退—灭绝—复苏的全过程,以及整个过程中的环境剧变;这可以为当代提供多方面的参照系。又如,北美许多物种是独立地迁徙的,并不是与其他生物结合成一个群落,为响应末次冰期鼎盛期以来的气候变化而进行迁徙的。这只能通过化石记录而显示出来,而该结果对了解自然和农业系统对气候变化的响应具有重要意义。可见,通过古今互补才能达到阐明生物圈地史演变规律和当代全球变化趋势这一目的。(www.anred.net.cn)

因此,生物地质学研究仍需借助传统的地质学和古生物学方法,如对区域性的和重要的地层层段的野外研究,对重要生物门类进行系统分类和种系发育研究,对博物馆、书面记录和电子媒介中保存的现有资料和数据进行重新鉴定、评估和开发,以取得新的关于生物类别和生态系的组成、地理位置、环境、年代和演化史等方面的信息。

1.2.2.2 观测体系

近年来涌现的新技术、新方法已使我们能进入过去不可想像的研究领域,应当注意应用它们为生物地质学服务。

1.生物技术 它是应用自然科学及工程学原理,依靠微生物、动物、植物体作为反应体,对物料加工以提供产品的技术,如基因工程、蛋白质工程以及其他分子技术。它为开展下列生物地质学研究提供了手段:①评价现代和古代环境中生物和新陈代谢的多样性;②追踪与生命进化相关的物种间基因转变的作用;③评估主要微生物、植物和动物种群之间及其内部种系的发生关系;④解释形态变革的力学基础。

2.化学和地球化学技术 固体、表面、溶液和有机分析技术与传统方法和分子生物学方法的结合,可被用来:①处理痕量元素和有毒元素在溶液、固体和生物圈储层之间循环的动力学问题;②解释生物成矿作用的机制和有机体的微生物降解作用的途径;③研究宏观生物的生态学问题(通过分析骨骼、牙齿和壳);④开发生物地球化学作用过程的运动学模型。

生物遗骸和化石分析的分子和同位素技术,可用于追溯大气中CO2和O2的浓度,并区分海洋中的水量及其在地质历史中的运动。这些技术与扩展的计算机模型相结合以及对海洋和大气环流更深刻的认识,将极大提高对有关影响气候以及影响环境中重要元素和分子的地球化学和生物学循环因素的认识。

3.地质学方法 一方面,高精度、微量和超微量的放射和稳定同位素测定,再配以年代内插(如根据周期性轨道驱动函数)、数据综合、间隙效果的量化等新方法,可大大提高地质年代测定的精确度。另一方面,第四纪的深海沉积、冰芯、黄土-古土壤、石笋,提供了精细定年的材料,现在已有可能对第四纪进行千年级、百年级以及更精细的定年。前第四纪的地层,依靠同位素测年、化石带、旋回地层学(米兰柯维奇旋回)、磁性地层学等的结合,亦可提供精确到万年级的时间框架。

1.2.2.3 信息体系

作为地球系统科学组成部分的生物地质学,其研究必须建立和依靠全球性、全国性和区域性的信息体系。国际的信息体系已经由诸多国际计划建立。例如,全球变化计划框架包括国际地圈—生物圈计划、国际生物多样性计划、全球变化与陆地生态系统计划(GCTE)等,生物地质学信息可以通过它们的出版物及其网站获得。我国也正在建设可以资源共享的地学信息系统平台。我们自身要建立相应的数据库,并使之汇入上述信息体系。同时又要及时充分地利用上述信息体系。否则其工作将事倍功半,会日益拉开我国与国际的差距,同时又不能为人类和国家的目标服务,失去其工作的意义。

1.2.2.4 管理体系

基于对地球系统及其生物地质作用的科学认识,人类应当从人文社会科学角度研究对策,例如上述全球变化计划框架还包括全球变化的法制因素(IDGEC)等诸计划,它们形成第四个体系,即管理体系。限于篇幅,本书将不涉及这方面内容。

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