青藏高原是由不同地质历史时期的地块拼接而成，高耸入云的喜马拉雅山脉也是历经了几千万年时间才从海洋中隆起。科学家们之所以能够解析青藏高原的形成演变过程，是因为他们成功重建了青藏高原不同地块、不同地质历史时期的古高程。在今天，测量山脉的高程不是一件困难的事情，但是要重建古高程则不是一件容易的事情。

古高程不能直接测量，而是需要通过一些间接的指标来推测，这些间接的指标被称为代理指标。比如说我们在海拔3900米的地方，发现了仅能分布于海拔3000米以下的植物化石，此时，这块植物化石就可以作为一种代理指标，也可以叫做古高度计。为了重建古高程，科学家们想尽各种办法开发古高度计。

能作为古高度计的代理指标有几十种之多，比如玄武岩熔岩流顶部及底部气泡的压力差、宇宙成因核素的产率、稳定同位素、低温热年代学、基于化石的共存分析法、以及利用大气二氧化碳分压的变化重建古高程等各种不同的古高度计。

这些不同的古高度计既有各自的优势，也有各自的局限。比如基于化石的共存分析法，是根据将今论古的原则，利用一种或几种化石最近亲缘种的共同海拔分布范围来推算古高程。利用这种方法的关键在于对化石的准确鉴定和对其最近亲缘种的准确推演。首先，最近亲缘种主要是依据形态学特征的相似性进行推演，这就需要保存较好的化石及一定的分类学经验。比如在我们利用青冈化石重建芒康古高程的研究中，由于化石保存的状况欠佳，导致了一些关键区别性状的缺失，我们只能把黄毛青冈等6个现代种划为化石的最近亲缘种，这些现代种的海拔分布范围是95-3000米，因而根据青冈化石最近亲缘种的分布数据，我们只能推测这个地方的海拔不高于3000米。其次，对最近亲缘种范围的精准界定也会影响最终的重建结果。若把最近亲缘种的范围定得太窄，会缺乏可靠性；但若把最近亲缘种的范围定得太宽，误差会变大。 

温度递减率也可以作为一种古高度计，通常情况下，气温随海拔的增加而降低，平均每升高100米气温下降0.65℃。如果知道海平面的古温度和需要重建古高程点的古温度，利用温度递减率的公式，就能推算古高程。这个方法看似简单，实则暗藏玄机。首先，获知海平面的古温度和重建点的古温度本身就是一件困难的事情，且不同地形地貌、不同小环境及不同地质时代的温度递减率间也是存在很大差别的。

图1同位素测量古高程原理示意图（山脉使气团上升、降水减少，从而形成山脚和山顶温度、降水和同位素梯度）

     稳定同位素是运用最为广泛的一种古高度计，在青藏高原、安第斯山、阿尔卑斯山等地的古高程重建中都得到了广泛的运用。运用这种方法的基本原理是：随着海拔的增高，大气降水中的水蒸气会冷缩，氧18（¹⁸O）、氘2（²H）等重同位素会首先沉降，因此海拔越高的地点其重同位素的含量也越少，测量不同高程中重同位素的比例即可获得古高程（图3.1.1）。这种方法虽然运用广泛，但是也有其局限性，比如在地形地貌较为复杂的地区，水汽的来源和性质很难确定。

        物理学是研究物质基本结构和物质运动一般规律的学科。作为驱动自然科学向前发展的关键学科，物理学研究大至宇宙，小至基本粒子等一切物质最基本的运动形式和规律，因而成为各自然科学学科的研究基础。古高程的变化说到底也是一个物理过程，那么我们能不能从物理学的基本原理中找到答案呢？

众所周知，能量守恒定律是物理学中最重要也最基本的定律之一，简单来说就是指能量既不会自行产生，也不会凭空消失。作为物理学的奠基石，它既能很好的解释许多物理学现象，也能被广泛地应用于我们的生活。根据能量守恒定律，人们制造出了空调机；根据能量守恒定律，人们知道可以通过降低能耗来节能减排；根据能量守恒定律，人们识破了暗藏在永动机背后骗人的把戏。

既然古高程的变化是一个物理过程，那么用物理学的原理就应该能解释。但是，如何将一个普遍的原理变得具体化、可操作化呢？这可不是一件简单的事情。1975年，《自然》（Nature）发表了一篇题为：《从能量守恒到古高程重建》（“Palaeoaltimetry from energy conservation principles”）的论文，提出了利用能量守恒定律重建古高程的具体设想，把普遍的原理转变为了可运用的公式。在这篇文章中，作者根据能量守恒定律，将热焓作为重建古高程的代理指标，即“古高度计”。

根据能量守恒定律，湿静态能（h）为感热（c’_p T）、潜热（L_vq）及重力势能（gZ）三者之和，其中感热与潜热之和被称为热焓（H），即h= c’_p T + L_vq + gZ = H+gZ。简单说明一下构成湿静态能3个术语各自的含义：1kg水分别为1℃和50℃时的能量之差为感热；1kg水从未结冰的临界点（0℃）变为冰（固态），在这个相变的过程中放出的热量为潜热；1kg水在1km高时具有的由于高度形成的势能则称为重力势能。空气在海平面时的重力势能为0，此时的湿静态能等于热焓，即h= H。当海拔升高时，部分热焓转化为重力势能，此时的湿静态能（h’）就等于热焓（H’）加重力势能（gZ），即：h’= H’+gZ。这里的能量转化同样遵守能量守恒定律。以上公式可以变形为：Z=（h’-H’）/g, 此处h’是海平面的湿静态能也就是海平面的热焓。因此，只要知道海平面的热焓和拟重建古高程地点的热焓就能够重建古高程（图 2）。

图2 利用能量守恒定律重建古高程原理示意图

地质历史时期海平面的热焓可通过两种方式获得，一是通过古气候模型模拟获得，二是通过海平面植物群中叶片化石的组合特征来获取。那么叶片化石的组合特征又是如何跟热焓扯上关系的呢？

这又得从叶相组合特征与气候要素的相关性说起。观察从热带、亚热带、到温带森林群落中双子叶植物的叶片，你会发现不同气候带植物群落的叶相组合特征也不同（图3，图 4），而且呈现出一定的规律。比如，从热带到温带叶片的面积在总体趋势上是减小的，而具齿叶的比例则在增加；在热带大多数的叶都有“滴水叶尖”（叶先端长渐尖），而且不同群落的叶相组合特征与气候要素具有一定的相关性。这种相关性，就使得利用叶相组合特征重建古气候成为了一种可能。

图 3 亚热带常绿阔叶林的叶相组合

图 4 石灰岩群落的叶相组合特征

 然而，要让这种可能具有可操作性，就需要有一个包含全球森林叶相组合特征与气候要素相关资料的数据库来做支撑，著名地质学和古植物学家Bob Spicer把这个数据库称为气候-叶相多变量分析程序(Climate Leaf Analysis Multivariate Program, CLAMP)。为了建立这个数据库，Bob和他的同事跑遍了全球大部分的森林收集叶片的样品，通过十几年的努力，逐步建立和完善了这个数据库。

 有了这个数据库，只要知道了一个化石群落的叶相组合特征，再根据该组合特征所对应的气候要素数据，就可以重建包括热焓、年均温、年降雨等十几个气候要素。具体的操作步骤如下：（1）采集植物化石；（2）对叶片化石进行划分和打分，这一步需要至少20种不同叶形的叶片使其结果具有统计学意义；（3）通过对比，在数据库中寻找最接近的叶相组合特征；（4）获取与该叶相组合特征相关的气候要素，此时所获得的气候要素即代表了化石植物群的古气候要素。利用此方法重建古气候还有一个优点，即不需要对化石进行分类鉴定，这既避免了由于鉴定错误带来的误差，又降低了这个方法的运用门槛，毕竟对许多人来说化石的鉴定是一个难于逾越的障碍。

图 5 区域性热焓分布及芒康古高程重建示意图

下面让我们以芒康卡均植物群为例，重现一下这个化石群的古高程重建过程（图 5）。

西藏芒康卡均植物群有两层主要的层位，分别被称为MK3和MK1。根据同位素氩-氩法的定年结果，MK3层位的绝对地质年代为3400万年，而MK1层位的绝对地质年代则为3300万年。MK3层位出产的化石较多，用于研究的有2630多块，我们将其分为了36个形态型；MK1层位出产的化石虽然相对较少，我们也从中分出了24个形态型。从CLAMP数据库中，我们分别获得了MK3层和MK1层的气候要素及热焓，前者的热焓为330.2±1.1 kJ /kg，后者为320.9±1.1 kJ /kg。在此研究中，与芒康卡均村完全同时代的海平面的植物群缺失，于是我们通过重建印度几个不同时代海平面植物群的热焓，得知了这些不同时代海平面的热焓是在一个较小的范围内（353-357 kJ /kg）变化。据此，我们借用区域性海平面的热焓值作为这项研究中海平面的热焓。根据已发表植物群的文献资料，我们得知区域性平均海平面的热焓值为：358.7±1kJ/kg，平均为358.7 kJ /kg。然后带入公式Z=（h-H）/g，得到MK3层位的古高程约为3000米，而MK1层位的古高程则约为3850米。通过古高程的重建结果，我们得出了两个结论：（1）在早渐新世（约3300万年前）芒康的高程为3850米，已经接近现在的高程（3900米）；（2）从晚始新世（约3400万年前）到早渐新世（约3300万年前），这个区域的海拔抬升了近1000米。

创新是科学研究的灵魂，而从0到1的创新往往源自不同学科间的交叉融合。这种跨学科的结合，反过来有推动了学科的发展。化石和能量守恒的联姻，无疑是古植物学一次从零到1的创新。

创新既要有思想的提出，也要有实现创新思想的路径建设和运用空间的创造，三者缺一不可。以这次古高程重建方法的创新来说，1975年Chris等人提出了利用能量守恒定律重建古高程的思想， 2003年Bob等人利用这种方法建立全球叶相数据库，使创新的思想的运用成为可能，接着在南木林古高程这个具体案例中加以检验，最后才使该创新思想的落地使得广泛运用成为可能，从而在古高程重建的研究中变得闻名遐迩。而青藏高原二次科考古高程重建的研究，为这一创新的思想和方法，提供了一个广阔的运用空间。

在青藏高原二次科考中，我们研究组利用这个方法相继重建了蒋浪、达玉、芒康和吕合等多地的古高程，也正是因为有了这些古高程的重建结果，我们才得以窥豹青藏高原地形地貌的演变过程。