2018-05-22

长白山天池的水当真来自遥远的青藏高原吗？

遥远的1200万年前，复杂的地质运动与火山活动在中国东北这片土地上频繁的上演。在漫长的地质历史的进程里，1200万年转瞬即逝，一切归于沉寂。留下了烟波浩渺的长白山天池，向每一个来此朝圣的游客述说曾经发生于此的种种（图1）。

图1.长白山天池（图 百度）

长白山天池是中国最大的火山湖，也是世界上最深的高山湖泊。天池海拔2189米，仅在天豁峰和龙门峰之间有一道狭长的池水溢出形成瀑布，也是天池地表唯一的排泄口（图2）。

图2 长白山瀑布，位于天豁峰和龙门峰之间（摄影 扬眉）

问题来了，长白山天池是东北地区最高的湖泊，远东地区并无高于这个高程的水源地。现在排泄途径弄清楚了，天池瀑布最小径流量为0.8m3/s，天池按理说应该很快就会干涸。难道但靠降雨进行补给吗？显然不是的，江巧宁通过对长白山地区的降雨量与天池的排泄量进行计算，得出降雨补给仅占天池的35%。那既然降雨不够，周围也没其他水源地进行补给，这么多年过去天池为什么不干涸呢？河海大学的陈建生教授在很多学术会议中提出了他的观点，长白山的水很可能来自青藏高原（图3）。

图3 天池地下水运移通道假想图

学者是不会信口开河的，提出这个假想，一切要从陈建生教授在阿拉善巴丹吉林沙漠的一次研究说起。

巴丹吉林沙漠位于内蒙古境内，沙漠东部高大的沙丘与湖泊共存，高大的沙丘都是固定的，平均高度达到330m，最高达500m。沙丘之间点缀着144个湖泊，湖泊总水域面积达到33km2。沙漠地区年降水量仅50mm，潜在蒸发量是降雨量的100倍以上，如果没有足够的补充水源，这些湖泊不可能存在这么久。更令人称奇的是，巴丹吉林沙漠的湖泊，常有泉水汨汨流出，泉水就像喷泉一样，冲出湖面，喷涌而出，在湖面溅起晶莹的水花。当地居民也表示在沙漠地区取水并非难事，有经验的师傅一口井打不到10米深就会有高质量的淡水挖出。这一切现象与我们所熟知的沙漠是相悖的。究竟是怎样的地下水系统维持了巴丹吉林沙丘与湖水共存的奇妙景观呢？

这些水可能来自黄河源头的扎陵湖和鄂陵湖。陈建生这样提出了自己的观点。

等等，我们先看看这两个地方有多远。（图4）

图4 黄河流域范围图

且不说巴丹吉林沙漠与两湖之间有巨大的祁连山阻隔，况且黄河流域也并为覆盖到该地区，这种跨流域的补给猜想一出来就立马受到了很多水文地质学者的强烈反对。当然，补给来源这个课题，要解决的是两个问题，一是通道在哪？二是水源在哪？回答这两个问题又是一系列有趣的过程。

一、野外现象来带的思考

陈在野外发现了沙丘上的钙华层（图5），并论证了钙华或者碳酸钙结核与形成高大沙丘之间的联系。他发现在地下水位下降区，干沙丘被吹走留下钙华，而钙华的形成离不开泉水的排泄。并且钙华一般会在泉水出口处形成，从而得出地下水是维系沙丘形态的重要原因。（图6）

图5 湖泊中心和沙丘中发现的钙华 图6 沙漠高大沙丘形成模式示意图

二、运移通道的问题

陈对巴丹吉林沙漠的地下水进行87Sr/86Sr同位素分析，指示其经过了海相地层，结合在地表发现的碳酸钙结核，说明这些地下水经过了沙漠深处的碳酸盐岩地层，而并非只在浅表进行运移。为地下水在深部停留过提供了证据。同时由于地层中不存在20Ne的同位素，而在巴丹吉林沙漠中测到4He/20Ne在0.9~42之间，原高于正常空气中0.3左右的比值，说明这一带的地下水受大气影响极小。与此同时也检测到地下水中4He的浓度值比空气中的值高出了约1个数量级，这说明地下水中的铀元素和钍元素发生了衰变，衰变过程中释放出的4He使地下水中的4He浓度升高，而构造断裂带又是放射性元素富集区，进而论证了地下水经过了构造断裂带，找到了地下水的运移途径。那么地下水难道就不能通过传统的多孔介质进行补给吗？可能还真不行，对当地地下水的年龄进行检测的结果表明，当地地下水年龄普遍较小，在30年左右。而通过多孔介质补给的速度缓慢，与年轻的地下水相悖，反而是通过断裂带补给的速度很快，与地下水年龄相符，从侧面论证了通过断裂带进行补给的正确性。

对于沙丘当地是否主要由降雨进行补给，除了当地的年均降雨量数据外，陈还提供了同位素证据。通过绘制沙漠地区沙丘水和湖水的氢氧同位素δ18O~δD的关系图，证实了沙丘水和湖水有相同的补给来源，并且都偏离大气降水的氢氧同位素关系曲线。这就反映出大气降水的确不是当地地下水的主要补给来源。（图7）

图7 巴丹吉林沙漠地下水与全球雨水线中δ18O~δD关系分布

这条断裂带究竟在哪呢？在青藏高原存在一条NNE向日客则-狼山隐伏断裂带，是两个克拉通的连接处，属于基底断裂带。在喜山期随着印度板块与欧亚板块的碰撞和青藏高原隆起而发生塑性变形，目前仍以10mm/a的速率在持续变形。它沿着NNE向切穿了北大山、龙首山、祁连山和西秦岭造山带。陈认为，来自黄河源头的地下水正是通过这条断裂带源源不断的补给到巴丹吉林沙漠的。由于断裂带的交汇形成地热，正常情况下断裂带附近应该出现温泉才对，偏偏沿着这条断裂带附近出露的泉水都是冷泉，很显然是经过了大量地下水的循环之后，降低了地热点的温度，并根据等水位线与断裂带的分布特征绘制了沿构造分布的地下水流向图（图8）

图8 阿拉善高原的地下水通过断裂段补给

三、同位素给阿拉善的水找到了源头

    在黄河源头点缀着两颗明珠，分别是扎陵湖和鄂陵湖。陈在对两湖的流入量和蒸发量进行计算后，发现有大量的水莫名其妙的不见了，唯一的解释就是这些水通过湖底的断裂带渗漏走了。并且同样在两湖中进行了与巴丹吉林沙漠地下水相同的同位素分析，也证实了湖中的水经过了深部断裂带的循环。两湖中δ18O与δD的同位素含量也与巴丹吉林沙漠地下水的值保持一致。同时，在黄河源头的3H值为23TU，而扎陵湖和鄂陵湖中的3H为4.13TU，结合3H约12.36年的半衰期，黄河源头的水经过了近30年才从扎陵湖和鄂陵湖流出，这个时间与通过断裂带进行补给的时间一致。各个证据加起来，共同证实了巴丹吉林的地下水的确来自于黄河扎陵湖和鄂陵湖。

四、其他证据

    在巴丹吉林琢磨钙华的时候，陈还发现一个有趣的现象，这些钙华的沉积存在明显的间断，即说明地下水的补给在某个时期存在显著减少的现象。而这个时间点偏偏对应上了冰期。在冰期，青藏高原扎陵湖和鄂陵湖大范围结冰，湖水渗漏减少，直接导致阿拉善地区地下水补给减少，并中断了钙华的连续沉积。这也从一个方面加强了两地之间的因果联系。

五、反对的声音

陈教授的观点虽然大量发表在高水平学术期刊上，但质疑的声音从来没有断绝过。对于深循环跨流域补给这种模式，可能水文地质学家们真没有这个想象力。在写这篇文章的过程中同几位水文地质的博士和老同学们都聊过，没有一个同意这个观点的，但也的确给不出到底不对在哪里。我把这归因于他们对科学“可证伪性”的执着，即一个课题只有在具备“可证伪性”的前提下才有讨论的意义。从这个角度来看，陈教授的想法的确过于天马行空，但要真的找个证据来证明他是错误的也的确很难。

六、结语

总的来说，陈教授从沙丘形成机理出发，在同位素微观层面到板块运动和气候变化的宏观尺度都对其观点进行了论证，至少在自圆其说上做到了完满，我本人还是比较倾向于同意的，但由于也并非水文科班出身，对这个学科的理解难免浅薄。写本文纯粹因为一个偶然的机会听到了这么一个有趣的观点，当时我简单写了几句话发在朋友圈里，引起了同行们的激烈讨论，也包括我的导师对我直言不讳的批评，认为我存在猎奇心理。当时的确没有好好的读陈教授的文章，十分草率。就现阶段而言，这样的观点很难得到水文地质领域同行的认同，但我认为科学是需要辩论的。写此文就是希望能通过对一些问题的探讨，增进我们对科学的认知。我在认真拜读陈教授的若干论文后，试图用通俗的语言将其表述出来，由于并非水文专业出身，难免有诸多不足之处，期待在评论中得到诸位的指导。

本文在撰写过程中得到了水文地质学龙翔博士、林丹博士，古生物学常珊博士和于鑫博士的指导，在此感谢。

参考文献

[1]江巧宁, 陈建生. 深循环地下水补给长白山天池的水量平衡分析[J]. 水资源保护, 2015,31(5):7-13.

[2]陈建生, 江巧宁. 地下水深循环研究进展[J]. 水资源保护, 2015, 31(6):8-17.

[3]Chen J S, Li L, Wang J Y, et al. Groundwatermaintains dune landscape[J]. Nature, 2004, 432(7016):459-60.

[4]Chen J, Xia Z, Sheng X, et al. Geochemical Information Indicating theWater Recharge to Lakes and Immovable Megadunes in the Badain Jaran Desert[J].,2005, 79(4):540-546.

[5]陈建生, 赵霞, 汪集旸,等. 巴丹吉林沙漠湖泊钙华与根状结核的发现对研究湖泊水补给的意义[J]. 中国岩溶, 2004,23(4):277-282.

[6]陈建生, 赵霞, 盛雪芬,等. 同位素地球化学方法研究巴丹吉林沙漠高大沙山与湖泊水补给源[J]. 地质学报,2005(4):576-576.

[7]陈建生, 赵霞, 盛雪芬,等. 巴丹吉林沙漠湖泊群与沙山形成机理研究[J]. 科学通报, 2006, 51(23):2789-2796.