青藏高原，世界的屋脊，平均海拔4500米。極端的自然環境，讓所有生命對這裡都充滿敬畏。青藏高原的出現，改變了地球的氣候系統，影響著自然環境的格局和人類文明的發展。
打加錯，海拔約5000米，地處藏西，沒有遊人光顧，非常安靜。打加錯名氣遠不如納木錯和羊卓雍錯，但風景一點不輸。湖很大，湖面的天氣變化莫測，有時湖的一邊在下雨，一邊是晴天，晴天那邊能看到奶牛色的雪山
40多年前，在經濟、技術等各方麵條件都非常落後的情況下，中國科學院組織了全國各個領域約2000名研究人員，開展了我國第一次青藏綜合科考，考察範圍涉及環境、地質、動植物、資源、水文、氣象等。40多年前的西藏，大面積的無人區，交通條件惡劣，野外裝備、通訊技術匱乏，有時候連地圖都沒有，但就是在這樣艱苦卓絕的條件下，這些青藏科考的先驅們獲得了大量的一手資料，第一次為人類揭開高原的神秘面紗。
70年代青藏科考歷史照片
40多年過去了，青藏高原不再是遙不可及，我們對青藏高原也不再是一無所知，青藏高原各方面的研究都有了長足的進步。但是青藏高原依舊神秘，40多年的研究為我們積累了大量的觀測數據，但是青藏高原的形成和演化依舊有太多未解之謎。
青藏高原是何時隆升的，如何隆升的，青藏高原的形成與印度-歐亞大陸的碰撞有怎樣的聯繫？
青藏高原的高海拔，很大程度上是由於高原的地殼極厚。一般大陸的地殼厚度在30-40公裡，而青藏高原，尤其是其南緣的岡底斯山脈，地殼厚度達到了60-80公裡。要想解決高原的隆升問題，關鍵是弄明白青藏地區的地殼厚度是如何演化。
獲得高原今天的地殼厚度可以用地球物理的方法。地震波速在地殼和地幔的界面會有一個突增，找到突增的深度便可以確定地殼厚度。但是地球物理的方法只能用於今天的地殼，對過去時束手無策。近幾年來，通過地球化學手段計算地殼厚度的方法逐漸成熟，日內瓦大學的Chiaradia課題組和亞利桑那大學的Ducea課題組分別用自然樣品校準了基於巖漿Sr/Y和La/Yb計算地殼厚度的經驗公式。化學方法的原理很簡單，地殼的厚度會影響巖漿化學分異的深度，從而影響分異的礦物種類，這樣的影響最終會體現在巖漿的Sr/Y和La/Yb元素比值上。這樣一來，哪怕滄海桑田，當時的地殼早已被構造運動改造得面目全非，只要還有巖石樣品保存下來，我們就可以知道幾百萬年甚至幾億年前的地殼厚度。
巖石化學的方法雖然好，但是每一塊巖石樣品的時空代表性非常有限。一個大型山脈，乃至一個高原，要想知道它的全貌，要獲得大範圍、跨越億年時間尺度的演化信息，需要的巖石樣本的數量是巨大的。
青藏高原的研究已經有半個世紀的歷史，幾代中外科學家在這裡翻山越嶺，頂著高反、誇張的紫外線輻射，冒著塌方、地震、泥石流等各種難以預測的風險採集樣品，付出了巨大的努力。但是至今，我們仍然不敢說，我們掌握的樣品能夠準確反映青藏高原過去一億年的演化全貌。還有太多的山沒能上去，太多的無人區至今未能涉足。
難忘的芝麻茶館一夜，讓我這個常年在實驗室工作的感受了一次硬核野外。這個芝麻茶館海拔5200米，位於藏西，離邊境不遠，前不著村後不著店，來這裡住宿的主要是長途跋涉的貨車司機。由於海拔高，即使是夏天，夜間氣溫也會降到只有幾度。茶館的被褥估計從未洗過，氣味感人，讓缺氧的問題更加嚴重。整個晚上我都在輾轉反側，每個姿勢都不能保持順暢的呼吸。本以為就我一個人一晚沒睡，第二天起床一問，屋裡四個人都沒有睡著，每個人都在盼著黎明的到來。芝麻茶館的條件，相對真正硬核的西藏野外根本不算什麼
海拔5500米鑽孔取樣。由於氧氣濃度太低，鑽機「缺氧「罷工了。樸素的藏族司機師傅看我們取樣不順利，比我們還著急，拼命地幫我們拉火花塞打火
18年，我第一次參加西藏野外考察，走的是最簡單的路線，紀老師以他十多年的經驗，給我們野外提供最好的吃住行條件，但即使這樣，仍能感受到西藏野外的不易。下高原後，我就一直在想，研究青藏高原的隆升過程，有沒有捷徑？有沒有什麼方法，樣品可以輕易獲得，同時樣品本身又能代表大規模的高原地殼？
在地質時間尺度上，高原的地形變化很快，物理剝蝕速率非常高。大塊的巖石經歷數萬年的風吹日曬，最終在重力的影響下，脫離山體，破碎成小石塊。冰川融水和降水在山裡形成了很多的小河，小河隨機地捕獲破碎的小石塊，進行搬運，河流搬運過程中，石塊進一步破碎，磨圓，最終形成沙子，隨著支流一起進入大江大河。大河的沙子，來自數不盡的小河小溪，這些河流網絡結合起來，高密度地來回穿切高原的山脈，所以河沙本身提供了採樣大面積高原的樣本載體。
從藏南岡底斯山脈裡流出的一條小河。山溝裡的任何巖石類型都可以在這條小河裡找到
河沙本身是由巖石破碎、風化後留下的碎屑礦物組成。沙子肉眼看，土黃土黃的，沒什麼美感，但是在顯微鏡下，一個個碎屑礦物呈現在眼前，五顏六色，晶瑩剔透，很漂亮。這些碎屑礦物，保存著消逝的地殼的記憶。
藏南拉薩-林芝地區的河流網絡
這些碎屑礦物裡，有一種礦物尤為重要，甚至地球最早期的信息，都是從這個礦物裡間接獲得的，這個礦物是鋯石。鋯石非常穩定，可以在各種複雜的環境中保存幾億年甚至幾十億年。鋯石很小，一般直徑不超過200個微米，兩三根髮絲合起來就這麼大。鋯石的化學成分是矽酸鋯，但是鋯石裡有很多微量的雜誌元素，而正是這些微量元素，記錄著地殼的各種信息。相對其他碎屑礦物，鋯石一個關鍵優勢是它含有可觀的鈾和釷，這些放射性元素衰變形成鉛。鋯石形成後，鈾和釷的衰變就會在鋯石晶格裡不斷地產生鉛，我們只要分析它們衰變形成的鉛的濃度，就可以讀出每一顆鋯石形成的時間。這些優點結合起來，讓碎屑鋯石成了一個個時間膠囊，每一個時間膠囊裡都包含著地殼的記憶片段。
藏南河沙裡的碎屑鋯石透射顯微照片
但是要解讀這些時間膠囊裡的記憶並不容易。鋯石裡微量元素的化學組成就像一段段的密碼，要獲得地殼信息，首先要破解密碼。
在整理18年樣品數據的時候，我發現一個很有意思的規律，每顆鋯石都會或多或少表現出銪元素（Eu）虧損異常。銪是一個稀土元素，銪元素的異常是相對和它相鄰的稀土元素釤（Sm）和釓（Gd）而言。銪異常在自然樣品裡非常常見，這是因為銪會存在兩個價態（+2和+3），而釤和釓只有+3價。+2價銪的存在導致銪的化學行為會一定程度地偏離釤和釓。從初步的數據發現，鋯石的銪異常和鋯石所來自的巖石的La/Yb有很好的相關性。這個規律非常有用，因為巖漿的La/Yb可以用來計算地殼厚度，這意味著我們通過巖石La/Yb與地殼厚度的關係，然後直接用鋯石的銪異常來計算地殼厚度。
為了進一步驗證這個想法，我又去收集了全球其他地方的樣品數據，大量的配對鋯石銪異常與全巖的La/Yb數據證實了這個關係的普遍性。這樣一來，我們就成功地破解了鋯石裡記錄地殼厚度的那一段密碼（銪異常）。
這是一個讓人激動的想法，這意味著，我們可以不必翻山越嶺，滿高原地去採集巖石樣品，不必冒著各種危險去無人區。我們讓大自然幫我們完成所有高難度的大規模採樣任務。我們需要做的，就是在山腳的河流裡，優雅地捧起一把河沙，帶回實驗室分選出鋯石，分析它們的U-Pb年齡和銪異常，這些時間膠囊就會毫無保留地告訴我們高原起落的歷史。
筆者在雅魯藏布江的一條大型支流採集河沙，這條支流由北向南穿切了整個藏南的岡底斯山脈
所有的想法都需要數據支撐。19年夏天，我們再一次進藏。這一次的採樣任務非常輕鬆，我們沿著雅魯藏布江，開著車，愜意地跑在318國道上，沿途採集匯入雅魯藏布江的支流的河沙。我們買了很多的脈動來裝沙子，因為脈動的瓶口大，裝起來容易。這一路，我就忙著發動大家一起喝脈動。
基於河沙碎屑鋯石重建的藏南岡底斯山脈地殼厚度。數據顯示了兩次造山事件
回去後，我們很快完成了碎屑鋯石的分析工作，並以此重建了藏南的岡底斯山脈在過於一億五千萬年時間裡地殼厚度的變化。重建的曲線和零散的野外沉積記錄吻合的很好，而且重建的現今地殼厚度也和地球物理觀測一致，大大增加了我們對重建結果的信心。我們的數據顯示，藏南的岡底斯山脈在過於一億五千萬年經歷了兩次造山，第一次在距今約一億年開始，在七千萬至八千萬年間達到峰期，地殼厚度達到了60千米，對應海拔約4千米；第二次造山在近三千萬年，地殼增厚到60-70公裡之間，海拔4-5千米。這樣的結果和很多人預想的不太一樣，學界普遍認為藏南的大規模造山發生在印度大陸和歐亞大陸碰撞後，但是我們發現，在碰撞前，岡底斯山脈就已經拔地而起，高原可能已經初具規模。更有意思的是，大陸碰撞期間，剛剛起來的岡底斯山脈卻經歷了一次垮塌，而不是大家預期的造山，碰撞引發的造山來得比想像的晚很多，滯後了兩千萬年。
一把沙，讓我們看清了高原的起落，但同時又拋出更多的問題。一億年，高原的岡底斯山脈兩起一落。七千萬年前，岡底斯山脈為何而起？大陸碰撞的瞬間，為什麼沒有發生造山，反而讓原始高原垮塌了？碰撞造山為什麼遲到了？這些問題，我們留給未來。
文獻信息：Tang, M., et al., 2020, Reconstructing crustal thickness evolution from europium anomalies in detrital zircons: Geology, v. 49, p. XXX–XXX, https://doi.org/10.1130/G47745.1