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黄河,你从哪里来?——科学家揭示百万年来黄河的“前世今生”

时间:  来源:中国科学报  作者:温才妃 孔子俊 法伊莎

对中国人而言,黄河的起源与治理有着特殊的重要意义。近日,习近平总书记在宁夏考察时特别指出,要更加珍惜黄河,精心呵护黄河。

在漫长的历史中,九曲黄河什么时候开始出现?她的形成与当时的气候环境有什么关系?黄河中上游的泥沙从哪里来?兰州大学教授潘保田带领该校地貌与第四纪环境研究团队,经过近30年的深入研究,回答了上述问题。由潘保田领衔完成的“黄河中上游水系发育与环境变化研究”也获得2019年度高等学校科学研究优秀成果奖(科学技术)自然科学奖一等奖。

黄河中上游如何形成

黄河的形成演化过程在学术界一直存在较大争议。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、兰州大学教授李吉均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’。”潘保田说,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。

“河流阶地是过去的古河漫滩,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。

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”。

最终团队发现,黄河的形成经历了四个阶段:在大约370万年—180万年前,伴随青藏高原东北缘平坦地形抬升和解体,河湖水系袭夺重组获得强大能量,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,在120万年前将河湖系统串联,形成连接河套盆地、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,黄河进一步向青藏高原内部延伸袭夺,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,基本形成今天的样子。

形成演化的驱动力从何而来

2000年前后,随着研究深入,潘保田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。他们发现,在约370万年前地质构造抬升强烈,变湿的气候环境对黄河形成有重要贡献。

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)。发现在460万年—270万年前,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,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。

北方气候为何在460万年—270万年前变得冷湿?对此,团队又潜心研究多年,提出了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不能相互流通、盐度降低,北太平洋形成大规模海冰使其表面温度下降,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,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。

泥沙来自何方去向何处

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,黄河上游的内蒙古段也迅速发展成“新悬河”,其潜在的洪凌灾害已经成为国家的“心腹大患”。

“要想解决黄河泥沙淤积问题,关键在于搞清泥沙到底从哪里来。”潘保田认为,黄河宁—内蒙古段河道泥沙的来源在不同时间尺度上呈现不同的格局。

聂军胜在对黄河上、中、下游河道泥沙的物源特征对比分析后发现,第四纪早期黄河从青藏高原搬运下来的物质主要沉积在银川—河套盆地内。

在现代工程时间尺度下,高红山和管清玉通过对地表物质大样本、多指标的分析发现,黄河宁—内蒙古段现代河道淤积泥沙主要来自沿线各支流和沙漠。

其中在前套盆地,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%。

研究发现,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。周而复始,风、沙、水相互交织,构成了现代工程时间尺度下黄河宁—内蒙古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地联系在一起,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。

(编辑:逍遥客)

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