中科院地球环境研究所对陕南石笋最新研究成果显示—— “引汉济渭”未来依然有水可调

  谭亮成在塔吉克斯坦帕米尔高原考察洞穴。(受访者供图)

  ■记者 张潇

  “简单来说,北方的水少,汉江水资源丰富,南水北调中线工程和引汉济渭工程都投资巨大,但是汉江未来有没有水可以引?要知道这一点,必须了解过去的降雨变化,探究规律,这是预估汉江未来水量变化的基础。所以,我们要做这样的工作。” 中国科学院地球环境研究所谭亮成研究员联合国内外同行,以陕南祥龙洞的4根石笋为研究对象,最近重建了该地区过去6650年以来的高分辨率季风降雨变化历史。

  原来,汉江上游地区是我国南水北调中线工程的水文补给区,也是陕西省引汉济渭工程的水源补给区。“引汉济渭”被称作陕西省的“南水北调”工程。该工程将汉江水引入渭河,以补充西安、宝鸡、咸阳等5个大中城市的给水量。引汉济渭工程是由汉江向渭河关中地区调水的省内南水北调骨干工程,是缓解近期关中渭河沿线城市和工业缺水问题的根本性措施。要调水,自然要先有水可调。谭亮成就是做这样的研究——根据气候变化规律,预测未来汉江上游降水量变化。汉江水资源变化不仅与陕南的环境及经济发展密切相关,也对南水北调中线工程和引汉济渭工程的水安全有重要影响。

  美丽石笋如何隐藏着气候变化的秘密?

  那么,为何要从石笋中研究气候变化?谭亮成解释说,我们有气象站的历史不长,想要知道久远的过去的气候情况就要依据地质、生物载体等,它们是大自然忠实的记录者。

  对此,该所的薛刚博士专门做过一个有趣科普。他幽默地说,提到石笋,有人就会说,我只知道莴笋、竹笋,什么是石笋啊?是吃火锅的时候涮一下的蔬菜吗?原来,气候研究要用到的石笋,是生长在洞穴中的一种碳酸钙次生沉积物。洞穴通常分布在喀斯特地貌区(岩溶地貌区),地表水从碳酸盐岩(石灰岩/白云岩)裂隙进入到岩体的过程中,水对石灰岩有溶解作用,导致裂隙扩大从而形成了大大小小的溶洞。岩溶洞穴分布于我国的大江南北,但主要集中在西南地区。洞穴中常常分布着多种多样的岩溶景观,包括钟乳石、石笋、石柱等等,就像是柞水溶洞里看到的一样。这些景观的形成,主要是由于降水与洞穴上方土壤中的二氧化碳结合形成具有酸性的溶液,该溶液流经碳酸盐岩的裂隙并溶解了一部分碳酸钙最终到达洞穴内部,由于洞穴内部环境条件与外界不同,使得原本溶液中的二氧化碳溢出导致碳酸钙重新析出,一部分形成从洞顶向下生长的钟乳石,另一部分由于滴水从洞顶滴到洞底,形成从下向上生长的石笋。

  薛刚博士介绍,这些石笋不仅仅是漂亮的景观,还蕴藏着许多“秘密”。那到底什么是石笋的秘密呢?从地球上海洋诞生以来,时时刻刻都发生着冷暖干湿的变化。石笋的生长离不开滴水的作用,而每一滴滴水都携带着当时的气候信息,并把这些秘密悄然“锁”在了石笋中的矿物晶格当中。为了探索它的秘密,首先需要知道石笋有多少岁?从哪一年“活”到了哪一年?通过放射性同位素测年就可以得到石笋的年龄。然后,利用物理化学手段,从石笋中可以提取出其每一时间段内的“秘密”,便可以知道在它生长时间段内的气候变化状况。

  知道这些气候变化的状况又有什么用呢?俗话说,读史才能明智,知过去方可看未来。目前,西安交通大学的程海教授已经利用石笋重现了过去64万年的季风变化,这为预测未来季风变化提供了非常坚实的基础。薛刚博士举例说,喜欢看电影的应该都知道有一部美国大片叫《后天》,讲的就是温室效应带来的全球变暖将会引发地球空前灾难。杰克博士曾警告政府官员采取预防行动,但警告显然已经太晚,最终还是造成了巨大灾难。为了不让电影中的悲剧上演,科学家们就需要了解过去气候变化的状况,进而结合计算机模拟等手段,科学地预估未来可能的气候变化。

  研究结果和历史记录对比比较准确

  谭亮成的研究对象正是这样的石笋。矿物质不断沉淀,石笋一年一年往上长,那么,选择哪里的石笋来研究呢?鉴于汉江上游气候变化的重要性,谭亮成选择陕南地区进行研究,最终经过艰苦的野外调查工作,在宁强祥龙洞和大鱼洞获取了数根石笋,重建了汉江上游过去6650年以来的高分辨率季风降雨变化历史。研究显示,该区石笋氧同位素记录在轨道-亚轨道尺度反映了东亚夏季风强度的变化,而在百到十年尺度上代表当地季风降雨的变化。那么,碳同位素、氧同位素为何就能反应气候变化?谭老师介绍,简单来说,一段时间降水越多,气候越适宜,地表植被越茂盛,土壤微生物活动就越强,滴水中溶解的碳同位素和氧同位素就偏负,这在石笋碳酸钙晶体中被忠实记录下来。反过来,气候干燥,微生物活性差,滴水中溶解的碳同位素就偏正,同时滴水氧同位素也偏负。

  中国科学院地球环境研究所研究显示,过去6650年以来,伴随着北半球夏季太阳辐射的减弱,祥龙洞石笋氧同位素有逐步偏正趋势,这和季风区其他石笋记录一致,揭示东亚夏季风强度的逐渐衰弱。在更短的时间尺度上,谭亮成等发现了一系列的准千年-、准百年-、57年-、36年-、22年-等不同时间段的季风降水的变化周期。降水增多的时候,就可能造成汉江的洪水事件。这个结论准确吗?和汉江支流已有的洪水沉积记录比较,发现是比较准确的,史前时期至少四个时间段的降雨增多导致了汉江上游的4次特大洪水事件。

  未来汉江水资源不太可能存在不够“调度”的问题

  除了这个跨度6650年的研究,谭亮成还做过汉江500年的气候研究,并用来预测未来几十年的降水变化。为何要做不同时间尺度的研究?谭亮成举例说,就像股票有年线、月线变化,气候变化大周期套小周期,研究的周期越多,预测就越准确。

  这样的预测工作得出了一些初步结论。他预测了1982年到2042年的降水,发现低于过去500年的平均水平。那么,预测结果准确吗?目前,根据从1982年到2018年的观测记录对比发现,吻合的很好,可信度比较高。也就是说,从数年平均的角度看,未来不大可能出现降雨低于过去60年极端干旱年的情况。也就是说从几十年的长期趋势来看,汉江水资源不太可能存在不够“调度”的问题。不过降水也没有上世纪五六十年代那么丰富。

  “当然,我们的预测不可能像天气预报那么准确。只能说,未来20年不大可能发生长期的极端大干旱事件。”但是谭老师也强调,由于研究方法很新,这个结论还需继续检验。


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