我院科研团队在深循环地下水成因机制研究领域取得重要进展

发布时间： 2024-08-10

近日，我院陈嘉琪教授团队，在深循环地下水导水通道成因及沙漠干旱区地下水补径排关系中取得重要成果，研究成果以“Basalt and Dune:Critical Factors in Desert Water Resource Development”和“Floating on Groundwater:Insight of Multi-Source Remote Sensing for Qaidam Basin”为题论文分别发表在高水平国际期刊《ACS ES&T Water》和《Journal of Environmental Management》，其中ACS ES&T Water是美国化学会(ACS)环境领域旗舰期刊Environmental Science&Technology(ES&T)推出的家族新刊，聚焦于水的综合科学研究及公正政策研究，有着广泛的国际影响力。

深循环地下水概念是2004年河海大学陈建生教授在《Nature》上发表论文中首次提出，20年来，研究团队将星载合成孔径雷达、水文遥感、同位素示踪等技术综合运用于研究中，通过多学科交叉大数据模型，结合沙漠找水实践，揭示了深循环地下水导水通道的成因，提出并完善了地下水深循环理论，取得的一系列重要研究成果，先后再在《Geology》、《Geophysical Research Letters》、《Journal of Hydrology》国际知名期刊发表系列研究论文。

沙漠曾被认为是“死亡之海”，但是通过调查发现，沙漠中普遍存在湖泊、泉水、绿洲与湿地。沙漠的形成不但与干旱的气候有关，而且还与火山活动相关。火山停息后，深循环地下水通过火山口上涌形成火山湖，上涌的地下水将风积沙粘滞堆积，形成了沙漠景观。深循环地下水不但维持了沙漠景观还为当地人民带来了丰富的地下水资源。在世界大型沙漠中都存在丰富的地下水，图1。例如，在撒哈拉沙漠发现了巨厚的含水层，地下水甘甜清澈，达到了直接饮用标准。地下水已经成为埃及、利比亚、乍得、苏丹等撒哈拉沙漠国家最重要的水资源。

图1 全球大型沙漠、新生代玄武岩、沙漠地下水氧与锶同位素分布图

研究发现，在地幔岩石圈中存在着熔岩管道型导水通道——玄武质岩浆在冷却成岩过程中出现的收缩缝。高原及高海拔地区河流与湖泊的渗漏水通过导水通道快速传输到低海拔地区（如沙漠，自流盆地等），可实现跨流域的补给。深循环与浅循环构成了完整的地下水循环系统。深循环导水通道的形成与火山喷发有关。例如，印度板块与亚欧大陆板块碰撞不但造就了青藏高原隆升，而且还引起了岩浆活动，在青藏高原及周边地区发生火山喷发。火山喷发停息后，残留在岩石圈下部的岩浆流在围岩的降温作用下冷却成岩。在岩浆岩中出现的冷却收缩缝，逐渐演变成为深循环导水通道（图2）。深循环地下水是水资源的重要组成部分，与上地壳的孔隙、裂隙、岩溶水之间存在补给与排泄关系，构成了跨越流域的水循环系统。

图2 地幔岩浆岩冷却形成的收缩缝演变成为导水通道示意图

羌塘盆地的渗漏水达到了一条黄河的年流量，渗漏水分别通过北、东、南三条路径向外传输，塔里木盆地、柴达木盆地、巴丹吉林沙漠、张掖盆地、鄂尔多斯盆地、二连浩特盆地、呼伦湖流域和长白山山区等自流区属于西藏高原渗漏水的排泄区。根据地下水深循环理论，研究团队为阿拉善右旗、二连浩特、杭锦旗沿河三镇、塔里木盆地36团等干旱半干旱区找到了优质的水源地。此外，该项研究还帮助地方政府在涟水、松原、鄂尔多斯、阿拉善等地找到了优质的矿泉水，其中涟水被相关部门授予“中国矿泉水之乡”称号。研究显示，江苏省“三沟一河”白酒都是采用优质的深循环地下水酿制而成。研究团队突破传统水文的流域水量平衡理论，提出跨流域地下水补给机制，是空天信息大数据赋能水文新质生产力的重要范例。

论文的通讯作者均为陈嘉琪教授，两篇论文的第一作者分别为博士生王王、博士生刘祥梅，论文合作者还包括河海大学深循环研究中心陈建生教授、詹泸成副教授、王涛副教授以及博士生张一彤等。该研究得到了科技部重点研发项目（518056012）和国家自然科学基金委（61771183）等项目支持。