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让岩溶地质科学造福人类

2016-12-27 09:43:27    来源: 中国国土资源报    作者:高慧丽 苏橹萱

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致力于促进全球岩溶资源可持续利用和环境可持续发展的“全球岩溶动力系统资源环境效应”国际大科学计划,前不久在广西桂林正式启动。

该计划由国土资源部中国地质调查局提出实施,旨在建立全球岩溶环境监测网络,攻克岩溶关键带科学难题,各国共绘全球岩溶一张图,为人类利用岩溶资源、保护岩溶生态提供科学方案和公共信息服务。

国土资源部部长姜大明在贺信中称,这是一项雄心勃勃的大科学计划,更是一幅岩溶地质科学造福人类的宏伟蓝图。联合国教科文组织总干事伊琳娜·博科娃则通过贺信表示,国际大科学计划中提出的研究领域,对克服我们人类共同面临的难题来说是非常重要的,非常期待能听到关于项目实施取得进展并获得成功的好消息。

中国为“全球岩溶”国际大科学计划实施奠定坚实基础

阅读提示:中国取得了一系列具有全球视野的岩溶研究成果,并为国际大科学计划的实施提供了理论基础、科学思路、人才队伍、技术条件以及国际合作经验。

目前,世界上的岩溶区分布面积约为2200万平方千米,约占世界陆地总面积的15%。我国的岩溶面积约为344万平方千米,约占国土面积的1/3。其中,我国西南裸露岩溶面积达54万平方千米,涉及贵州、广西、湖北、湖南、云南、四川、重庆和广东等8省(区、市),是我国碳酸盐岩层分布最为集中的地区,也是世界三大岩溶集中连片区中面积最大、岩溶作用发育最强烈的典型地区。

岩溶地区山水奇特,水资源和油气资源丰富,为人类生产生活提供了得天独厚的物质资源和精神享受。但是,岩溶地区面临的干旱、石漠化、水污染、水土漏失等环境问题,也已成为当今制约经济社会可持续发展的全球性问题。

近年来引发关注的是,岩溶作用在应对气候变化中可发挥重要作用。已有研究发现,全球的岩溶作用能够吸收与全球森林植被比例相当的大气二氧化碳,而且岩溶洞穴石笋可以年际分辨率记录气候环境变化,与黄土、冰芯、湖泊沉积及树轮等古气候环境记录比较,具有记录时间跨度大、年代记录准、分辨率高等优势。

为有效解决岩溶地区的资源环境问题,促进全球岩溶资源的可持续利用和环境的可持续发展,科学应对全球气候变化,中国地质调查局倡导设立了“全球岩溶动力系统资源环境效应”国际大科学计划(以下简称“全球岩溶”国际大科学计划),依托联合国教科文组织国际岩溶研究中心和中国地质调查局岩溶地质研究所,以地球系统科学和岩溶动力学理论为指导,利用10~12年时间,建立全球岩溶生态环境监测网络,研究和查明全球不同岩溶动力系统类型的碳—水—钙循环规律和资源环境效应,突破岩溶关键带资源环境科学问题的瓶颈,创新岩溶资源勘探开发和岩溶环境治理与保护科学技术体系,创建全球岩溶资源环境信息平台,各国共绘全球岩溶一张图。

据该计划负责人、联合国教科文组织国际岩溶研究中心常务副主任曹建华介绍,目前,国际岩溶研究中心及其依托单位中国地质调查局岩溶地质研究所,已经为计划的实施奠定了坚实基础。

以中国科学院院士袁道先为首的科研团队建立了以碳—水—钙循环为核心、以岩石圈、水圈、大气圈、生物圈四大圈层为主体结构的地球系统科学观下的岩溶动力学理论,为计划的实施奠定了理论基础。在国际地球科学计划(IGCP)中国国家全委会支持下,我国科学家牵头连续主持实施了5个岩溶领域国际地质对比计划,储备了40个国家200多名优秀的专业技术人才,为计划实施提供了科学思路和人才队伍。国际岩溶研究中心7年的高效运行,已与15个国家和国际科研机构签订了合作备忘录,推动了8个国家间岩溶领域的深入合作研究,成功联合国际著名岩溶学者举办了7次国际培训班,为计划的组织实施提供了国际经验和基础。国际岩溶研究中心在中国、美国、泰国、斯洛文尼亚等岩溶国家建立了岩溶生态环境监测站,并与东亚东南亚地学计划协调委员会(CCOP)国家、东南亚国家合作开展了岩溶地质和跨界含水层编图,建立了全球岩溶科技创新平台和编图技术方法,为计划实施提供了技术条件。

更为重要的是,我国在岩溶作用与碳循环、洞穴石笋古环境重建、岩溶生态系统与石漠化治理、岩溶地质公园和世界自然遗产申报与保护,岩溶地下河和表层岩溶水探测与开发、碳酸盐岩油气储存区古岩溶刻画等方面取得了一系列具有全球视野的岩溶研究成果,奠定了我国岩溶研究的国际领先地位,使中国地质调查局牵头组织实施“全球岩溶”国际大科学计划顺理成章。

建立全球岩溶生态环境监测网,因地制宜修复和保护岩溶生态

阅读提示:只有揭示全球不同类型岩溶动力系统的演化、形成过程、结构功能和运行机制,因地制宜运用各国经验,才能科学、合理地修复和保护岩溶地区生态,并实现其可持续发展。

我国岩溶动力学理论的发展历史,可以追溯到20多年前对岩溶地球化学的研究。

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2015年中国西南岩溶石漠化分布图

国土资源部岩溶动力学重点实验室的研究团队,在中国科学院院士袁道先的带领下自1990年以来连续实施的国际岩溶对比计划项目,在岩溶形成演化、碳循环、岩溶生态和水资源等领域,为国际岩溶学术界提供了共同解决岩溶地区资源环境问题的平台,将地球系统科学思想引入现代岩溶学,建立了岩溶动力学理论,有力推动了国际岩溶学科的发展。

曹建华介绍说,在岩溶地区,岩石圈、水圈、大气圈、生物圈界面上的碳—水—钙和其他元素之间的物质、能量传输与转换,构成了岩溶动力系统。由于岩溶动力系统同时受到地质、水文、大气和生物过程的影响,因此岩溶动力系统有各种不同的类型。在上世纪90年代,我国岩溶地质学家开展了一系列研究,提出了将“岩溶形态组合”(即在相同环境下形成的宏观的微观的、地表的地下的、溶蚀的和沉积的岩溶形态的配套组合)作为全球岩溶对比的基础,推动了全球岩溶对比的顺利进行,并揭示出在世界上具有不同地质环境背景的岩溶区,其岩溶系统与人类活动的相互作用是极不相同的。因此,只有对全球不同类型的岩溶动力系统进行对比,揭示其不同的演化、形成过程,及结构功能和运行机制,因地制宜地运用各国经验,才能更加科学、合理地修复和保护岩溶地区的生态,并实现其可持续发展。

为进一步开展国际合作与对比研究,“全球岩溶”国际大科学计划将针对全球岩溶主要类型,重点在中国西南与中南半岛热带亚热带岩溶区、北美亚热带温带岩溶区(美国)、 加勒比海地区和印尼热带新生代孔隙碳酸盐岩岩溶区、中东干旱岩溶区(伊朗、土耳其)、地中海型气候岩溶区(斯洛文尼亚、塞尔维亚等)、冈瓦纳大陆岩溶区(巴西、澳大利亚)设置岩溶环境监测站,逐步实现典型地区连续高分辨率监测,建成覆盖全球的岩溶环境监测网络。

为保证全球数据统一及不同比例尺数据的交互使用,还将建设分布式全球岩溶数据平台。

创新资源勘探开发和环境治理技术体系,应对岩溶区生态环境面临的挑战

阅读提示:瞄准碳循环与人为干预、固碳增汇,洞穴石笋与年际尺度过去气候变化,水循环与地表地下水时空调配与管理,钙循环与岩溶生态系统评价,岩溶塌陷预警等进行技术创新。

“让我们共同协商,推进国际大科学计划的完善和实施,为应对岩溶地区脆弱的生态环境面临的诸多挑战,为全球岩溶地区的资源合理利用、经济社会发展贡献岩溶地质科学家的智慧与才华。”在“全球岩溶”国际大科学计划启动仪式上,中国地质调查局岩溶地质研究所所长刘同良代表中国岩溶地质科学家,向全球从事岩溶科学研究的同行们发出倡议。

推动岩溶科技创新,切实改善岩溶地区居民生活质量,是全世界岩溶国家和广大岩溶科技工作者的一致目标。为此,“全球岩溶”国际大科学计划瞄准碳循环与人为干预、固碳增汇,洞穴石笋与年际尺度过去气候变化,水循环与地表地下水时空调配与管理,钙循环与岩溶生态系统评价,岩溶塌陷预警等领域,发挥国际岩溶研究中心国际平台作用,充分利用各岩溶国家的技术及资源优势,创新科学技术体系,应对岩溶区脆弱生态环境面临的挑战。

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贵州巨木地下河出口筑坝拦蓄地下水

已有的研究数据表明,随着植被的恢复、岩溶作用强度的增加,近10年中国西南岩溶区石漠化综合治理工程增加了2500万吨的岩溶碳汇量。中国地质调查局岩溶地质研究所创新流域尺度岩溶碳循环研究方法,研发的陆地植被、土壤改良、引入外源水和沉水植物等人工干预固碳增汇技术,引领了国际岩溶地质碳汇研究新方向。此外,利用微区取样技术,通过同位素微量测试,准确获得了石笋记录的年际尺度历史气候变化信息,恢复重建了高精度的古气候和古环境变化历史,为预测未来气候变化趋势提供了科学依据。为科学应对气候变化,“全球岩溶”国际大科学计划将着重开展岩溶环境二氧化碳增汇效应研究,在查明流域水文地质、环境地质条件基础上,对比研究植被变化、土壤改良、土地整理等人工干预措施对流域碳通量的影响,进而创建人工干预增加岩溶碳汇技术体系。

岩溶区地下水的开发利用,为世界约25%的人口提供了饮用水源。但岩溶地区孔、隙、缝、管、洞并存,岩溶地下水流运动规律复杂,时空分布极不均匀,使得岩溶地下水的开采难度大大增加。对此,“全球岩溶”国际大科学计划将选择典型岩溶水系统,开展不同类型岩溶地下水开发利用技术与方法研究,形成岩溶水开发利用模式和高效利用技术集成。针对典型岩溶地区岩溶干旱、内涝、石漠化、水污染、水土漏失等问题,建立岩溶地区水土耦合调控信息平台,形成岩溶地区水土耦合调控技术体系。

岩溶石漠化是岩溶生态系统在特定条件下运行的产物,其分布具有区域性。针对全球不同岩溶环境类型区,“全球岩溶”国际大科学计划将研发适宜各种类型的石漠化综合防治和岩溶生态修复模式及技术体系,阐明生态环境对水资源的调蓄功能,研发生态与工程联合调蓄岩溶水资源的技术,并开展试验示范。在岩溶含水层水质详细调查的基础上,选择已经发生污染的地下河(泉)系统或子系统为典型案例区,开展岩溶地下水环境修复技术及工程研究。

旱涝、石漠化、水污染、水土漏失、岩溶塌陷等在全球岩溶区普遍发生,更令人担忧的是,这些环境问题和岩溶地质灾害形成演变过程十分复杂,而且具有隐蔽性,难以防治和预测,严重威胁着岩溶区水安全、生态安全、乃至当地居民的生命安全。对此,“全球岩溶”国际大科学计划将瞄准建立岩溶塌陷调查、风险评价和监测预警方法,重点研究大型岩溶塌陷风险评价、监测预警、早期识别与防控技术。

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中国西南地区岩溶景观

在六大领域引领国际研究方向,建立“岩溶地球”大数据平台

阅读提示:直击全球岩溶碳循环调查与全球气候变化、全球岩溶水文地质调查与水资源开发、全球岩溶石漠化调查与生态修复、全球岩溶景观与地质公园建设、全球岩溶塌陷调查与防控及服务岩溶区油气资源高效低污染调查等重大岩溶科学问题。

据曹建华介绍,“全球岩溶”国际大科学计划主要依托联合国教科文组织国际岩溶研究中心和岩溶动力系统与全球变化国际联合研究中心,破解重大岩溶科学问题,在全球岩溶碳循环调查与全球气候变化、全球岩溶水文地质调查与水资源开发、全球岩溶石漠化调查与生态修复、全球岩溶景观与地质公园建设、全球岩溶塌陷调查与防控及服务岩溶区油气资源高效低污染调查等领域,引领国际研究方向,建立“岩溶地球”大数据平台。

在岩溶作用与碳循环调查研究方面,将重点研究碳在岩溶动力系统中的迁移过程与土地利用、水生植物光合作用的关系,水库或湖泊等水体中的碳汇效应;调查研究不同水体的生物地球化学变化规律,利用水化学与碳同位素技术厘定碳的来源、不同碳形态之间的转换与通量估算,分析不同水体碳汇与生物地球化学效应,研究碳酸盐岩沉积/溶蚀、脱气与水生植物光合作用之间的相互关系,进而为科学应对全球气候变化提供依据和支撑。

为提高岩溶水的开发利用效率和效果,“全球岩溶”国际大科学计划将选择全球典型岩溶水系统,开展岩溶地下河管道和含水介质探测,岩溶地下水循环的水动力对比试验,以及降水、地表水、土壤水、表层岩溶水与地下河水“五水”转化机制和过程研究,揭示不同类型岩溶水循环模式,建立不同岩溶水系统水资源评价模型,进行水质、水量定量评价,阐明岩溶关键带对水资源的调蓄功能和地下水资源动态变化规律。同时,开展生态环境对岩溶水资源的影响调查研究,岩溶含水层水质和污染调查研究,进行岩溶含水层防污性能评价,建立岩溶地下水水质监测网,尤其是加强对地下河和岩溶大泉的监测,并对已被污染的地下河和岩溶大泉进行修复示范。

中国在西南岩溶地区开展的石漠化综合治理地质调查工作,建立10处石漠化综合治理示范区,形成了4种可复制、可推广的石漠化综合治理模式:岩溶峰丛洼地区土地整理与生态产业协调模式,解决了石漠化区无地可用的问题;岩溶高原区地表水地下水联合调度模式,解决了石漠化区无水可用的问题;岩溶地质景观区土地流转与生态旅游模式,促进了石漠化生态修复景观产业化;岩溶断陷盆地区流域尺度综合治理模式,力促县域生态产业可持续发展。目前,中国岩溶石漠化研究与治理示范,已在新西兰、坦桑尼亚等6个国家推广应用。

全球有具有岩溶特征的世界遗产47处、世界地质公园46处。但迄今为止,国际上一直没有反映全球岩溶资源与环境的系统数据与专题图件,缺乏普及全球岩溶知识的信息数据平台。为科学评价和保护岩溶地质景观,“全球岩溶”国际大科学计划将开展全球岩溶地质景观调查评价,划分涵盖全球岩溶地质景观类型,进行全球尺度岩溶地质景观区划,提出岩溶地质景观设立世界遗产、世界地质公园、国家公园、地质保护区、旅游开发景区等方面的开发利用与保护规划建议。在此基础上,编制全球性岩溶景观与洞穴资源分布图集开发利用保护图件,建立全球岩溶地质景观信息系统,面向全球提供检索、咨询与开发规划等应用服务。

为摸清全球岩溶塌陷发生规律,“全球岩溶”国际大科学计划将从23个岩溶塌陷国家的岩溶塌陷发育现状、地质背景、水文工程地质特征分析入手,结合岩溶塌陷动力条件监测,深入研究岩溶塌陷形成演化的地质环境模式,建立全球岩溶塌陷发育的动力模型,重点研究极端气候特别是极端暴雨影响下岩溶塌陷形成演化机理,提出国际岩溶塌陷发育态势与对策。

岩溶区的油气资源具有很大的勘探开发潜力。世界碳酸盐岩大型油气田有321个,其油气资源量占全球油气资源总量的50%,产量占到60%以上。为认识油气储存与岩溶介质内在关系。“全球岩溶”国际大科学计划将以“将今论古”的方法,在对现代岩溶发育特征、规律认识的基础上,开展古岩溶、深部岩溶发育的科学研究,探索古岩溶在区域差异、垂向上分带、时代分期发育特征,揭示古岩溶发育对油气储存岩溶介质的控制作用,建立岩溶油气储层地质模型。

实现全球岩溶信息社会共享服务,支撑岩溶区资源与环境可持续发展

阅读提示:全球岩溶国家密切合作,建立实时更新的全球岩溶网络信息平台,促进岩溶学技术进步。

“全球岩溶”国际大科学计划的实施,不但需要有科学的理论基础、先进的技术支撑,还需要全球岩溶国家的共同参与和密切合作。目前,国际岩溶中心已经收到了来自15个国家的23名资深专家学者签署的支持函。

通过“全球岩溶”国际大科学计划的实施,国际岩溶研究中心将编制全球岩溶地质、岩溶地貌、岩溶水文地质和岩溶环境地质图,编制“一带一路”岩溶地区和重点岩溶区专题图件,查明全球岩溶动力系统的碳—水—钙循环规律,科学评价全球岩溶资源和岩溶环境,编制典型岩溶类型区资源开发与环境综合整治区划;研发具有国际先进水平的岩溶动力条件快速捕捉、岩溶资源勘探利用和环境治理关键技术方法;在岩溶地下水、石漠化、岩溶塌陷、应对全球气候变化、岩溶地质景观等领域形成4~5项国际领先水平大成果。

同时,通过计划的实施,进一步建实建强国际岩溶研究中心,建立完善全球岩溶环境监测网点,建立定时更新的全球岩溶网络信息平台;在我国,建设岩溶动力学国家重点实验室,建强岩溶动力系统与全球变化国家级国际联合研究中心,建实国际一流岩溶地质调查研究机构,建强岩溶环境监测野外台站和研究基地。

通过国际大科学计划的实施,全球岩溶科技成果不仅可促进岩溶学的跨越式发展、技术进步和多种形式的国际合作,实现全球岩溶信息社会共享服务,而且可提升我国的国际地位和话语权,培养我国的国际领军人才,并为“一带一路”战略决策和实施提供科学依据及资源环境保障。

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