【科学头条】黄河你从哪里来?——兰州大学科研成果揭示百万年来黄河的“前世今生”

日期: 2020-05-15 阅读: 来源: 关键词:

[开栏的话]高水平科研创新是一流大学的显著特征,是一流学科的重要支撑,也是一流人才培养的根本保障。当前,兰州大学坚持扎根中国大地,瞄准国家和地方需求,紧盯国际学术前沿,以世界眼光和战略思维,致力于研究解决人类共同面对的科学问题,在服务国家、创新发展中建设中国特色世界一流大学。

从即日起,兰州大学党委宣传部(新闻中心)开设“科学头条”专栏,聚焦学校重大科学前沿问题、关键核心技术突破和转化应用,报道学校在基础研究、应用研究等方面的重要创新成果,以及服务国家战略和地方经济社会发展所做出的突出贡献,激励科研人员弘扬爱国、创新、求实、奉献、协同、育人的新时代科学家精神,不断提升科研创新能力,为建设创新型国家和世界科技强国作出更大贡献。

课题组在野外考察

就像汪洋大海由一条条河流汇聚而成,黄河也是这样。一条条涓涓细流、小型湖泊在地壳运动、气候环境的推动下逐渐汇聚,最终成长为世界第五、中国第二的5464公里长的大河,也孕育了五千年华夏文明。

在漫长的历史中,九曲黄河是什么时候开始出现的?她又经历了怎样的“命运”?她的形成与当时的气候环境有什么样的关系?黄河中上游的泥沙从哪里来?

由潘保田教授领衔的兰州大学地貌与第四纪环境研究团队经过近30年的深入研究,回答了这一系列问题。日前,该团队成果“黄河中上游水系发育与环境变化研究”荣获2019年度高等学校科学研究优秀成果奖(科学技术)一等奖。

黄河中上游如何形成?

黄河中上游水系发育过程与区域构造和地貌演化概念模型

事实上,关于黄河的形成演化过程学术界一直存在较大争议。作为一条几乎横跨整个中国北方的巨型河流,黄河流经了三大地貌阶梯以及多个构造单元,复杂的流域地质地貌使得不同学者在研究过程中采用不同研究方法和理论依据,从而得出了不同的结论。一直以来,研究者们多以宏观地貌分析与定性沉积描述作为观点支撑,而对黄河形成时间缺乏系统研究。

上世纪80年代末,在中国科学院院士、兰州大学李吉均教授门下攻读博士学位的潘保田开始从事“黄河发育与青藏高原隆起问题”研究,也由此开启了他近30年的“黄河梦”。

“要想知道黄河出现的时间,首先要找到‘河流阶地’。”项目负责人潘保田说,判定黄河的出现时间,就像法医破案一样,需要从证据入手,河流阶地是其中最为直接的证据。

由于流域植被退化,导致大量侵蚀物质进入黄河不同河段,并被搬运至下游。每当下游河道比降减小,这些被携带的泥沙、砾石等物质又会沉积下来,最终表现出加积的特征。

随着地面抬升和气候变湿,黄河水动力增加并开始下切侵蚀,导致原河床被遗弃而出露于一般洪水水位之上,最终形成了阶梯状的地形,在地貌学里被称为“河流阶地”。

“河流阶地是过去的古河漫滩,是河流形成演化最直接的证据,只要能测定最早的河流阶地形成年代,就能大致推断出黄河各段的出现时间。”潘保田说。

在黄河兰州段,团队经过测量发现,该段黄河最高级阶地高出目前水位近300米。他们通过测定该级黄河阶地上覆黄土的底界年龄,限定了它的形成年代大约为180万年前,“由此可以推断出兰州段黄河在180万年前就已经出现。”

根据这一思路,项目组通过对黄河中上游沿程多达9个盆地以及17个关键河段的河流阶地、夷平面等地貌记录的系统研究,利用古地磁、宇生核素、释光、14C等测年方法,构建了较精准的河谷发育年代学框架。

研究发现,黄河流域370万年前以侵蚀夷平为主,发育了一级夷平面。“其上的水系可能仅是一个个独立存在的河湖系统,如占据河套盆地的河套古湖、占据汾渭盆地的三门古湖等。”团队成员胡振波副教授介绍,“而现代黄河最上游的水系,反倒是距今约1万年前才出现”。

就像动物用群居来维持自己的繁衍生存,小型的湖泊、河流也会进行组合连接,“这一系列的合并连通就是黄河形成过程中的‘袭夺重组’。”

黄河的形成经历了四个阶段:在大约370-180万年,伴随青藏高原东北缘平坦地形(主夷平面)抬升和解体,地势出现强烈反差,为河湖水系袭夺重组注入强大能量,兰州至河套段黄河最先出现。黄土高原南部和崤山东麓的局地河流也开始分别向北和向西溯源袭夺吕梁山西麓系列山前河湖系统和占据汾渭盆地的三门古湖,并最终在120万年前将这些河湖系统串联,形成了连接河套盆地、汾渭盆地和华北平原的现代黄河东流水系格局。120万年以来,黄河水系进一步向青藏高原内部延伸,袭夺了高原内部系列局地河湖系统,黄河中上游水系格局逐渐形成。至1万多年前,若尔盖以上河段被纳入黄河水系,才基本形成了我们现今看到的黄河样子。

“我们的研究工作为认识巨型水系发育和流域地貌演化提供了年代学数据和研究范式,阐明了河流系统响应构造活动的典型模式。”潘保田介绍。

黄河中上游水系形成演化的驱动力从何而来?

黄河中上游地区朝那红粘土剖面上新世的气候变化趋势与相关机制

水系的演化总是和区域的构造运动、气候变化相关联。在初期研究中,潘保田课题组主要从构造运动的角度分析了水系重新组合驱动力。

2000年前后,随着研究的深入,潘保田教授对黄河的形成演化驱动力研究也从最初的构造运动扩展至构造-气候耦合方面,聂军胜、胡振波、胡小飞、高红山、管清玉先后加入研究团队,从构造运动、气候变化、水系演化、构造地貌、阶地发育、现代环境等方面深入合作,全方位探寻黄河中上游水系演化的原因。

他们发现,370万年左右,不但构造抬升强烈,驱动着黄河中上游水系开始重新组织,而且从气候上来看,此时变湿的气候环境也对此有重要贡献。

通过对比分析表土磁化率和现代气候记录,团队构建了新的古气候代用指标(即环境磁学参数),从红粘土中成功区分出温度和降水变化信息,恢复了晚新生代黄河中上游地区降水的变化记录。

他们发现,在460万年前,黄河中上游地区气候相对较干,致使河流径流量较小,因此局部地区只是存在一些相互独立的河湖系统。而在460-270万年间,流域气候整体上趋于冷湿,径流量增加,再加上此时构造抬升加剧,导致地形起伏加大,在构造-气候耦合作用下,河流的侵蚀能力得到提升,开始袭夺、重组,最终驱动了黄河水系发育。

北方气候在460万年前和现代不都是干燥寒冷吗?为什么偏偏在中间变得冷湿呢?面对数据分析后得出的结果,团队成员聂军胜教授的脑海中浮现出这样一个疑问。

对此,团队又潜心研究多年,在综合分析了东亚气候记录、太平洋温度与盐度变化、大气二氧化碳浓度演化和气候模拟等相关工作基础上,提出了一个北半球冰盖大幅度增长的新假说。

他们认为,南美板块向北漂移导致巴拿马地峡闭合,大西洋和太平洋的海水因此不能相互流通,海水盐度也随之降低并造成北太平洋形成大规模海冰,海洋表面温度下降,最终导致北太平洋高压增强和东亚夏季风强度增加。在强大夏季风的推动下,赤道太平洋的水汽持续向北输送,从而增强了东亚季风降水,形成了一个海气耦合的反馈系统。因此北太平洋海水持续变淡,造成海水上下分层明显,即表层海水的密度明显低于深层海水密度,而深层海水中的二氧化碳在“封存”效应作用下难以进入大气圈,从而引起全球气候变冷并诱发北半球冰盖的快速发育。

黄河中上游水系孕育重组的时代与全球气候冷湿的时间吻合,这也让团队进一步认识了水系演化背后的气候动力因素。

黄河中上游泥沙从哪里来到哪里去?

不同时空尺度下宁夏-内蒙段黄河河道淤积泥沙的源区示踪与其贡献率

作为世界上含沙量最大的河流,黄河每年都会产生大量的泥沙,其中一部分流入大海,还有另一部分堆积在黄河下游,形成了肥沃的冲积平原,丰富的泥沙滋养了璀璨的华夏文明,同时频繁的泛滥又铸就了民族的苦难记忆。

近年来,在气候变化、沙漠扩张、水库调蓄和用水过度等影响下,除下游河道外,黄河上游的内蒙段也迅速发展成“新悬河”,其潜在的洪凌灾害已成为国家的“心腹大患”。因此,探讨黄河流域的泥沙来源以及输移过程不但有重要理论价值,在流域生态治理上更具实践指导意义。

“要想解决黄河泥沙淤积问题,关键在于搞清它们到底从哪里来,只有这样才能有针对性的重点治理,从根源上解决泥沙淤积问题。”潘保田认为,黄河宁夏—内蒙段河道泥沙的来源在不同时间尺度上呈现不同的格局。

团队成员聂军胜教授在对黄河上、中、下游河道泥沙的物源特征对比分析后发现,黄土高原黄土的物质特征与黄河上游搬运的泥沙相似,而与中游河道泥沙显著不同,这说明第四纪早期黄河从青藏高原搬运下来的物质大部分没有到达中游,主要沉积在银川—河套盆地内,“因此黄河上游的物质对于华北平原的泥沙淤积贡献不大。”

在现代工程时间尺度下,团队成员高红山和管清玉教授通过对地表物质大样本、多指标的分析发现,黄河宁-蒙段现代河道淤积泥沙主要来自沿线各支流和沙漠,并在此基础上定量估算了其贡献率。结果显示,在后套盆地,乌兰布和与库布齐沙漠的局地相对贡献量分别为70%和60%;在前套盆地,十大孔兑对河道淤积泥沙的平均贡献率为35%,个别时期最高可达87%。

那么孔兑的物质又是如何汇聚到河套盆地中的呢?层层剥茧抽丝,他们发现,前套盆地以南的10条黄河支流(孔兑)水量因季节不同发生着变化,在汛期成为河道而在旱期成为裸露的河床。

冬春旱期,来自乌兰布和沙漠、库布齐沙漠等的物质被风吹入孔兑地区。到了夏秋汛期,暴雨增加,孔兑形成的洪流再将河床中的泥沙冲入黄河河道。

周而复始,风、沙、水相互交织,“大风吹动+水流搬运”,构成了现代工程时间尺度下黄河宁-蒙段河道泥沙淤积的主要原因。

“我们的研究将整个黄河中上游水系形成演化过程与流域环境变化有机的联系在一起,可为国家黄河流域生态保护和高质量发展提供科学支撑。”潘保田说。

团队表示,未来将进一步深化对黄河水系发育与流域环境变化的集成研究,加强黄河中上游不同历史阶段水沙与风沙相互作用过程及其环境背景的研究,力求为中上游泥沙灾害治理提供更科学决策的依据。

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文:孔子俊,法伊莎
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编辑:韩晶晶
责任编辑:许文艳

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