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日志

 
 

北京:地下大洋不解决水资源问题  

2007-03-13 15:54:00|  分类: 封面故事 |  标签: |举报 |字号 订阅

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北京:地下大洋不解决水资源问题  

中美科学家解析“北京异常”地下大洋无法直接利用

 
www.thebeijingnews.com · 2007-3-12 11:38:10 · 来源: 新京报  
 
 

  “北京异常”(TheBeijinganomaly),圣路易斯华盛顿大学的迈克尔·维瑟逊在其最近的一篇论文中发明了这样一个术语。这篇论文发表在《美国地球物理学会》上,由维瑟逊领导的一个小组完成。论文中描述,在东亚地区,在700千米至1400千米的地幔深处,发现了大量的水。观测结果表明,北京地区的这种地幔中含水的现象尤为明显。换句话说,北京,这座水资源日益紧张的城市之下,潜藏着一个海洋。

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“挪亚洪水”藏在北京?



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维瑟逊的研究成果发表后,引起公众的兴趣:难道北京地下的大洋就是当年“挪亚洪水”的遗迹吗?

  亚洲东部地下数百公里的深处,一个奇怪的信号已经连续发送了数亿年。解读这个信号的结果令科学家大吃一惊:欧亚板块的东部,太平洋板块的边缘,存在着一个巨大的海洋。科学家估算了这个大洋的面积与水量,发现它竟然与北冰洋大致相当。

  这个信号就是地震波,一种由地震震源发出在地球内部传播的波。美国圣路易斯华盛顿大学的地震学家迈克尔·维瑟逊(Michael Wysession)与加州大学的另一位研究者耶西·劳伦斯(JesseLawrence)组成的研究小组就是这个奇怪信号的解读者。

  一开始,迈克尔·维瑟逊等研究者只是在观测地震波穿过地幔的过程。研究小组陆续分析了60多万份地震图表,发现其中有8万份图表显示,地震波有异常情况,受到了干扰。而这种干扰来自水对波的影响。研究者们因此得出结论,在穿越地幔的过程中,一些地震波途径了一个非常特别的区域。为此,维瑟逊等研究者还专门制作了地震波的3D模型,分析地震波的变化情况。这一模型清楚地勾勒出了地震波呈现的曲线形:由强变弱,然后再逐渐加强。数据显示,地震波变弱的位置主要是在东亚:从印度尼西亚一直延伸至俄罗斯北端。

  地幔构造研究主要通过对地震波的分析来进行。通过测定地震波的传播速度、强度,科研人员就能给地球的地壳及地幔做一个计算机轴向断层扫描(CAT)。当然,仅应用地震波就希望探测到地下深处的各种动态情况,并不是件容易的事情。科学家还需要结合地幔温度变化、地下物质(比如矿藏)分布对地震波造成的影响。

  此次,维瑟逊研究小组综合考虑了地震波衰减的情况。地震波起伏不平的波动,可以让我们知道这个地区的岩石硬度如何。根据实验结果,维瑟逊指出,地震波在一个岩石相对脆弱的区域逐渐变弱。这个区域富含水分,能迅速减弱地震强度。根据这一区域的范围,维瑟逊推断它所含有的总水量可能相当于一个北冰洋。需要强调的是,这些可能存在的水体并不像我们日常所见的地表水,呈现液态,能够自由流动。它们被封闭在地下700千米到1400千米的岩石之中。

  维瑟逊的研究成果也带来一些有趣的想象。他抱怨说论文发表后,自己收到了无数电子邮件,相当部分读者迫切想知道,当年是否就是这些水体,造成了挪亚时代的大洪水。“它不是真正的大洋,只是含有水分的岩石———而且可能的含水量不到0.1%.”不过尽管含水量只有不到0.1%,但是如果这些水能被“释放”出,总量却是惊人的。维瑟逊设想了一个利用这些水资源的方法:把这些位于地下700千米深处的岩石开采出来,并在密闭容器中加热,这时岩石中的水分就会蒸发,可供收集利用。

  维瑟逊表示在此前对地球深处的探索中,从未发现过此类现象。他将这个新发现的地下结构称之为“北京异常”———因为他发现在北京附近的地幔中地震波的衰退表现出最大值。衰退值越大,这个地区下面便越潮湿。

  这就说明在北京的地下深处,岩石的含水量最为丰富。

  地球内部的管道泄漏

  连日来,中科院地质与地球物理研究所一些研究人员的谈话中也时不时涉及到北京附近地质结构的一些特殊现象。事实上,中国的科研人员并不是第一次听到“北京异常”这个新词。去年,在北京大学举行的地球物理科学研讨会上,中国学者首次听到维瑟逊使用了这个新名词———不过那只是在学术范围内的一点小轰动而已。

  中国科学院地质与地球物理研究所的研究员庞忠和一直在做有关水资源的研究。

  在了解了维瑟逊的研究工作后,他迅速与之取得了联系,并向其通报了自己在去年发表的一篇英文论文。

  这篇发表在《地球化学探索》上的论文关注的就是地球深部水循环的问题。我们生活在地球表层,看到的也只是地球表层的水循环。事实上,水循环与碳循环一样,一直深入到地球内部。只是水在地球内部的循环速度比在地球表层系统中循环的速度慢得多。庞忠和指出,地壳中有水是个常识,上地幔100千米以内有水在科学上也讲得通。不过维瑟逊所说的700千米以下属于地幔深部,这是目前科学技术手段下无法观测的深度。科学家现在只能用波的办法,收集天然地下波,借此对地下的情况进行分析。

  所以,严格地说,北京地区地幔深处有水只是一种科学推断。然而,这种科学推断却对地球动力学和地球演化研究有一定帮助。

  此前,国际原子能机构(IAEA)曾展开对全球大气降水中的同位素监测,提供了详尽的水和大气中水同位素情况。这一项目的研究对象,包括氧的较重稳定同位素18O.研究人员发现,在环太平洋,特别是日本与菲律宾一带,大气水(包括在地面及以上循环的水)的PH值偏小,呈弱酸性,同时,水中所含有的氧的较重同位素18O较正常水平偏高。究竟是什么原因使日本、菲律宾一带的大气水呈现这些特异情况呢?

  庞忠和解释说,地球深部水循环是一个整体过程:大陆板块俯冲到海洋底部时,将大量的海水带入大陆板块之下,并逐渐冲到了下地幔。这并不是一个封闭的过程,而是开放的,水在从板块边缘到达地幔的路上,可能会出现“泄漏”。

  而那些富含同位素18O的大气水就是来自于岩浆中的水。

  这便意味着北京以东的地区,在地球深部水循环过程中,一些水以岩浆水的形式被泄漏了出来。另外,庞忠和等研究人员还发现,在日本俯冲带的火山面里有大量的热泉。热泉样本甚至可以达到24%。这些大量出现的热泉,就是泄漏的岩浆水。“维瑟逊抓住的是最后到达目的地的那部分水,而我们观测到的是在这个运输过程中水的泄漏情况。整个过程就相当于地球深部水循环所用的管道,出现了泄漏。”庞忠和用了一个简单的比喻。

  板块运动在作祟

  究竟是什么原因造成了地幔内部活动的这个异常情况?

  维瑟逊等科研人员推断,如果地幔深处真的含有水,那么最大的可能还是板块运动在“作祟”。大陆板块、海洋板块始终处于相互运动过程中。在东亚一带,太平洋板块与大陆板块在这个过程中相互挤压,海洋板块俯冲到大陆板块以下。大量的海水因此深入地下,并进而俯冲到了下地幔以下。

  20世纪60年代关于“海洋—大陆板块”的碰撞过程已经有了一些基本结论。随后,科学研究人员根据震源分布和地壳上地幔构造的研究结果得出一些新的认识,“海洋—大陆板块”的碰撞过程是由海洋的整个岩石圈向大陆板块的上地幔俯冲。中国科学院地质与地球物理研究所张毅刚研究员表示,一般来说,“海洋—大陆板块”俯冲过程中,海洋板块甚至可以深入到地下660千米的地幔深处。因此,地下700千米以上部分岩石含水的现象也早已有了科学定论。

  大量地震观测资料表明,地下410千米和660千米的地震波速度间断面是两个全球性的上地幔构造,它们之间的区域被称为“地幔过渡带”。地壳和上地幔在俯冲的过程中,由于矿物的化学作用或是摩擦生热,可以引起周围介质的变化或部分熔融。因此,人们对俯冲板块和上地幔间断面410千米和660千米的相互作用进行了大量的研究。研究人员还发现,410千米至660千米之间的地幔转换带的水的质量百分比为0.1至0.2wt%,远远高于上地幔的含水量。“所以,地幔中有水。地幔水含量比海洋中的水量还大。”张毅刚表示这种地幔中含水的认识,一般只限于在地幔下面660千米深处。而被维瑟逊命名为“北京异常”的下地幔含水区域,还是科学界的首次发现。“700千米深处以下的情况就更复杂了”张毅刚还无法给出“北京异常”的一个准确原因。

  当然,对于张毅刚的看法,庞忠和也并不是完全认同。在庞忠和看来,造成“北京异常”现象的原因完全可以用维瑟逊等人的板块运动学说来解释。毕竟地球运动构造过程中,主要是板块运动所形成的。


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地震波3D模型显示亚洲东部的地下存在一个巨大的水体。

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地下水循环成因示意图。亚欧板块和太平洋板块发生碰撞,亚欧板块插入太平洋板块下部,并带入大量海水。这些海水中的一部分逃逸出,成为热泉,另一部分则造成了北京地区的“地下大洋”。

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城市的扩张使北京的水资源日益紧张,但地下大洋的发现并不能解决这一问题。

  ■关注

地幔水解决水资源问题?

  地幔含水。

  即使不考虑被命名为“北京异常”,那些深达700千米以下的地幔水,我们也还可以想象660千米以上地幔及地壳中的巨大水量。

  那么,这些地幔中的水究竟有什么作用呢?它们是否有助于解决华北地区水资源紧张的现状呢?

  地球表面的70%被水覆盖。这些水有着许多的作用,其中一项就是作为润滑剂,从而使得大陆板块移动的过程更为“顺畅”。“看看我们的姐妹星———金星。”维瑟逊在文章中指出,由于金星内部非常热,因此无法保留液态水,显得异常干燥。所以,金星地壳系统是封闭的,没有板块构造。由此可知,水对于地球的板块运动来说是必不可少的。

  而在地幔中的水一般被“搅拌”进岩石中。科学研究表明,在地下410千米的深处,由于巨大的压力作用,地幔的岩石已经出现了复杂的物理过程。岩石在这里可能发生了部分熔融,大量水的介入可能对于地幔矿物的相变和力学强度产生很大影响。因为热液与成矿有着紧密的联系,而水是热液中的重要组成部分,所以在庞忠和看来,“北京异常”现象中的地幔水能给热液矿床的研究提供宝贵的线索。

  在漫长的地球演化史中,最早形成地球的物质中有2%的重量是水,但在今天表层系统中的水只占地球重量的0.02%.科学家推测除去逸失外,其余的水分应当还留在地球的深部。所以,地幔中含有异常丰富的水资源。有科学家估计,地球下地幔中储存的水就相当于地表大洋总水量的50倍。不过如此庞大的水量却无法成为日常用水。庞忠和指出,由于受到目前研究能力的限制,我们无法直接观察到地幔岩石样本,因此只能依靠推测来了解地幔内发生的情况。在这种情况下,讨论如何开发利用地幔水资源显然为时过早。

  即使人类有能力直接开采地幔水,其成本也将是惊人的。“听到北京下面有个大洋的消息,可别高兴得太早,因为那与我们的生活用水无关。”

  ■延伸

北京的水资源并不宽裕

  北京市属海河流域,是300多万年前由永定河和潮白河冲积形成的倾斜平原。北京市的水资源主要储存在第四系松散孔隙含水层中。东到西分布有蓟运河、潮白河、北运河、永定河和大清河5大水系。

  北京市国土资源局的资料显示,北京地区地下水平原区深度150米以上的第四系孔隙水的储存量,至1997年底为650.83亿立方米,其中城区及近郊区约99.26亿立方米。

  北京地下水天然资源量39.51亿立方米,其中平原区29.61亿立方米。北京地下水开采资源量为26.33亿立方米,其中平原区地下水多年平均开采资源为24.55亿立方米,山区地下水资源年开采量1.5亿至2亿立方米。北京市人均水资源占有量仅约300立方米,是全国平均水平的1/8,是世界人均水平的1/30,远低于国际公认的人均1000立方米下限。

  北京市水利局曾根据1997年至2001年的统计数据,调查得出北京全市水污染的总体情况。全市年污水排放量高达12亿立方米,其中市区就有8亿立方米。水污染一定程度上加剧了北京市水资源紧张的局面。

  在过去的数百年中,如何保证北京的城市供水始终是个重要问题。在古代,引水工程就是保证北京地区供水的重要措施。公元1205年(金章宗泰和五年),城西北郊玉泉山流泉下游的翁山泊(昆明湖前身),就已被开渠引水向东南以接高梁河上游,从而补充了北京城的水源。不久,南水北调工程也即将发挥其重要作用,解决北京水资源紧张的问题。南水北调中线工程将在房山区北拒马河进入北京境内,终点至颐和园团城湖,全长约80千米,工程建成后每年可向京城供水12亿立方米。但专家表示,引来的长江水不能完全让北京“解渴”。对此,庞忠和认为确实能解决北京水资源紧张的问题,然而这样的解决方案也是付出了巨大代价才换得的。要缓解北京用水问题还要从节水做起。

  ■新知补丁

第四系松散孔隙含水层

  在地壳发展过程中所形成的各种成层岩石(包括松散沉积层)及其间的非成层岩石的系统总称,叫做地层系统。地层系统分类的第一级是“宇”,分为太古宇、元古宇和显生宇。显生宇又可分为古生界、中生界和新生界。

  新生界则被分为古近系、新近系和第四系。第四系是新生代的最后一个系,也是地层系统的最后一个系。所以,第四系是最接近地表的一个地层。在这一系的松散沉积孔隙中含有大量水分,称“第四系松散孔隙含水层”。

  本专题感谢:庞忠和(中科院地质与地球物理研究所研究员)

  张毅刚(中科院地质与地球物理研究所研究员)

  专题采写本报记李健亚
 
 

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