科學家致力於汶川地震環境效應研究
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①水深90 多米的紫坪鋪庫水庫保存了岷江帶下來的地震滑坡物質，科研人員艱難地採集到水庫沉積物後異常興奮。
②在龍門山區因滑坡造成的堵車天天有，地震後更加嚴重。
③一連數十天劃著小皮筏艇在煙霧撩人的紫坪鋪庫區進行不間斷觀察和採樣。
④不時運動變化的近六萬個滑坡是科學家的工作場地。
⑤2008 年汶川地震造成的成片滑坡。
■本報記者 張行勇 通訊員 仉天聰
2008年5月12日的汶川地震，是人們心中無法忘卻的巨痛。
八年來，金章東領導的研究團隊一直在汶川震區從事著地震與環境的研究工作。
近日，國際知名學術期刊——Geology在線發表了中國科學院地球環境研究所金章東領導的研究團隊有關2008年汶川地震前後岷江區域地表腐殖質與河流顆粒有機碳輸移和歸宿的最新研究結果。
這是2015年以來這個國際研究團隊發表在Geology雜誌上的第三篇有關汶川地震環境效應研究論文。
這一系列研究成果是中國科學院地球環境研究所金章東研究團隊，聯合英國杜倫大學Robert Hilton和Alexander Densmore、美國南加州大學Joshua West和Gen Li、澳大利亞國立大學Jimin Yu等人共同獲得。這些研究得到科技部全球變化專項、黃土與第四紀地質國家重點實驗室、中國和美國國家自然科學基金、英國皇家學會等共同資助。
創新為民
心繫震區，克難攻堅
八年來，在各級政府及社會的幫助下，包括房屋、道路、水利等震區的硬體設施基本已重建完成，汶川、映秀、青川、北川等新城拔地而起！可謂舊貌換新顏，有些地方甚至成了景區，人民的生活進入了美好「新常態」。
然而，每次進入龍門山區，對中國科學院地球環境研究所研究員金章東及其團隊來說，汶川地震的「創傷」還遠未撫平，因為他們關注的是震區的滑坡。每一年，這個團隊都來到震區進行實地考察和監測，幾萬個滑坡猶如大山瘡口的「痂」，看一次，痛一次。
「任何滑坡就如一個瘡口，不知什麼時候就可能產生次生災難。」金章東不無擔心地說。龍門山地區本以險峻聞名，那裡有因地質災害聞名的映卧公路，被稱為「四川最危險公路」，「蜀道難，難於上青天」是真實的體驗。這裡的地勢落差巨大，海拔從500多米的四川盆地，在幾十公里內快速上升到4000~5000米，最高峰超過6000米。2008年汶川特大地震產生的近六萬個滑坡更使龍門山一帶滿目瘡痍。在考察的過程中，滑坡造成的堵車年年有，從汶川到鎮江關一帶的道路常常處於癱瘓狀態，一堵就是好幾個小時，甚至更長。
據團隊成員汪進博士講，在2014年7月的一個大晴天，他們從松潘考察返回時，車前方突然發生山體滑坡，大小滾石掉落在200米範圍內的公路上，近30輛車被砸受損，約200人受困、多人遇難……
震區滑坡區域的科考，生死驚險往往就在那一瞬間。汶川地震除了造成大量的山體滑坡及直接災害以外，包括植被剝離、道路和建築物損壞、阻斷河流形成堰塞湖等，地震產生的泥沙和岩石碎屑可能會誘發各類嚴重的次生災害，也將對流域水資源、水利發電等造成影響。
「我們以後每年都還要去，用科學數據去真正了解這片神秘的土地，更深地認識地震的影響，以及這樣的影響將持續多長時間！」金章東語氣堅定地表示。過去的八年時間，在金章東的辦公室里，團隊成員討論最多的就是2008年汶川地震及滑坡帶來的環境影響。他們通過對汶川地震前後河流的物理、化學和生物組成的對比研究，深層次地感受到了汶川地震這一「創傷」的影響，其範圍和可能持續的時間遠比我們想像的要大得多、長得多。
「劍橋鷹之隊」
飛越萬里，觸摸國際難題脈絡
說起開展這項工作的動因，金章東至今還覺得有些不好意思提及，談起來還有點臉紅。
汶川地震發生後，雖然通過網路、報紙和電視等媒體，他對災區的情況進行一些關注，甚至在成都的一次會議後到映秀有過一次會議考察，但是真正讓他頓悟到相關研究重要性和緊迫性的是一位老朋友的來訪。
那是2009年8月份，美國南加州大學的Joshua West博士到四川進行野外科考活動，在野外工作後又來西安訪問。金章東和Joshua早在2003年即相識，那時金章東在劍橋大學做訪問學者，Joshua還是一名博士研究生，兩人的指導教授都是英國皇家學會會士Mike Bickle。Joshua在牛津大學做完博士後研究後，應聘到南加州大學工作，他還是2008年北京奧運會的皮划艇項目的亞軍得主。Joshua在北京奧運會期間就開始關注汶川地震對環境影響問題，這次不遠萬里來四川開展的野外工作就是考察汶川地震後的侵蝕和災害，並準備申請一項美國自然科學基金項目。
「他來西安，除了老同學見見面，其主要目的就是想邀請我參加他的項目申請，協助採集樣品，合作一些工作，畢竟從美國來一趟汶川並不容易。當他一說明來意，我當時的心『咯噔』了一下。」金章東不無感慨地回憶道。
在此之前，金章東一直對青藏高原周邊流域的地表侵蝕和化學風化過程感興趣，並從事相關研究，Joshua的工作和思路，強烈地刺激了他那敏感的神經。「人家大老遠從美國過來，還帶了各類儀器開展汶川地震後地質災害的研究，而我們就在家門口，近水樓台，自己的山川土地，怎麼就沒意識到呢？」那次訪問促使雙方的合作一拍即合。Joshua的研究項目在第二年即獲得了美國國家科學基金會的資助，隨後他們的合作研究還獲得了兩項中國科學院「外籍青年科學家計劃」和一項國家自然科學基金委的「外國青年學者研究基金」的資助。2012年金章東獲得國家傑出青年科學基金。
隨後，金章東立即根據自己的研究特長，理出了詳細的研究思路和方案，將重點放在了滑坡對地表環境的影響，特別是對河水和懸浮物化學組成及碳循環的影響方面。在2009年下半年，金章東帶領他的團隊即來到龍門山一帶開展了系統的野外考察，並在四個水文站開始連續採集河水和懸浮物樣品，每周採集一次，一直持續至今。
在此期間，Joshua又先後四次來到岷江流域，重點選擇了十多個滑坡體進行詳細的繪製和採樣，重點考察滑坡形態和組成的年際變化，以及在震後的搬運。為了考察地震後不同類型、不同位置的滑坡體，並採集實驗分析樣本，科研人員需要爬到半山腰去採集樣品。
據悉，滑坡的碎石非常鬆散，有些落石隨時可能滾下來。晴天的時候，風吹一下，表面的碎石就往下滾，而一下雨就更危險了。
金章東講述了他們的一次野外經歷：記得2010年的一次野外考察，那時候離地震結束還不到兩年的時間。Joshua對一個巨大的滑坡很感興趣，在底部採集樣品後，他還想爬到滑坡體頂部去看看。站在滑坡底下，就看到大量的碎石往下滾，在路邊修路的工人們都試圖阻止他上去。但是，有著專業運動員經歷的他還是決定嘗試一下，毫不猶豫地就開始往上爬，每爬一步，腳底下就有碎石往下滑，而且山頂上的落石碎石隨時有可能滾下來砸中他。等他爬到半山腰的時候，天突然開始下雨，而且越來越大。
「這時候，Joshua卻在半山腰跟我們打手勢，讓我們先走到安全地方去。那一次太危險，因為雨水會導致落石和泥石流，所以印象特別深刻。」張飛博士至今想來，依舊心有餘悸。
張飛和汪進是金章東培養的兩名博士，當時還都是研究生的他們全程參與了Joshua的四次野外考察。「每次野外考察期間，我們的收穫都是滿滿的，大家的討論都是開放性的，也深深為他們的科學精神所感染。」兩位博士深有同感。目前他們均在中國科學院的研究所工作。
在此過程中，英國杜倫大學的Robert Hilton博士和澳大利亞國立大學的於際民博士參與了進來，他們也是幾乎同一時間畢業於劍橋大學的同學。「在野外時，我們稱這個團隊為『劍橋鷹之隊』，以前的同學，因汶川地震和共同興趣成了緊密的合作者。」金章東感慨道。在此過程中，汪進共三次有一年的時間在杜倫大學開展實驗和合作研究，通過與Robert Hilton博士的聯合指導順利獲得了博士學位。
「通過多年監測及所獲得的數據，我們不僅感嘆地震滑坡物質的巨大影響，也由此觸摸到了大家極為關注的構造運動與碳循環之間的聯繫這一國際難題。這樣的監測和結果是極其令人興奮的。由此我們將持續監測下去，就是要看看地震的影響是以什麼樣的形式、什麼樣的過程和什麼樣的速率，最後回到地震之前的狀態。」金章東研究員興奮地說道。
地震與環境
複雜又長期，砥礪前行的探索仍在路上
通過多年的研究發現，類似汶川地震這類低頻率、高強度的突發事件對於地表過程、碳循環等具有重大且深遠的影響。那麼，這些滑坡物質將會停留多久？會造成哪些方面的影響？影響有多大、有多久？它們的歸宿又是受什麼因素控制的呢？
汶川特大地震產生了近六萬個滑坡，大多數滑坡物質至今還停留在震區的山坡和谷地。金章東研究團隊通過對岷江、沱江、涪江三大河流16個站點地震前後懸浮物通量的比較，利用衛星影像圖繪製了滑坡地圖，計算得到滑坡物質的體積，評估了2008年汶川地震對河流輸沙量的控制過程和可能的影響時間。結果表明，相對於地震前，三條河流的輸沙量增加了3至7倍。根據2008年至2012年期間三條河流的年平均輸沙速率，發現由滑坡產生的泥沙將在面積約七萬平方公里的流域內停留數十到數百年，僅僅清空粒徑小於25 毫米的細顆粒即需要三十多年，粗顆粒可能持續千年以上。
更重要的是，該研究還發現，不同的流域里滑坡泥沙的滯留時間差別很大，從幾年到數百年，離斷裂帶越近、河流徑流越小的流域，泥沙的滯留時間越長。綜合其他地區地震產生滑坡物質輸移的時間和氣候條件表明，滑坡物質在流域的滯留時間，不但取決於流域內滑坡數量，還與每年高強度的徑流天數緊密相關。該成果發表於2015年2月出版的Geology雜誌上，並被選為該期的「亮點論文」（Featured Articles）。
地震滑坡也破壞大量的森林植被和土壤，這個過程造成現代有機碳的侵蝕和破壞，這部分碳由植物通過光合作用所固定，是全球碳循環的重要組成部分。汶川地震造成的山體滑坡破壞的森林儲備量約為14百萬噸碳，相當於亞馬遜河一年的顆粒有機碳輸運量，約為全球河流顆粒有機碳通量的百分之十。研究數據表明，在汶川地震之後，河流中的有機碳濃度增加了8倍，其變化幅度與懸浮物濃度的變化相當，在其後的4年內，河流中的這種有機碳並沒有呈一個明顯的降低趨勢，這說明地震滑坡侵蝕的有機質供給河流搬運可能是一個長期而緩慢的過程。
「更重要的是，這些快速進入河流的有機碳大部分會被河流運輸出去，它將是一個很重要的碳匯過程。這樣的一個重要碳匯過程，可能在調節大氣CO2和全球氣候中起到重要的作用。」金章東介紹道。
他們的研究還發現，汶川地震還改變了河水的化學成分，並且這個改變可能也是長期的。該團隊通過對2008年汶川地震前後岷江河水化學成分的比較，揭示了地震對河水化學的影響幅度和範圍。團隊研究認為，汶川地震之後岷江河水中硅酸鹽組分和鹼度均顯著增加，這些組分的增加可能主要與深部地下水的釋放和包括滑坡在內的新鮮破碎岩石的快速淋濾風化有關。此類變化也存在於滑坡較少的地震區域，因此深部地下水的釋放可能是地震後多年來河水中硅酸鹽組分和鹼度系統增加的主導因素。該成果為量化高強度構造事件對流域風化作用的直接影響及其碳消耗提供最直接、可靠的數據，為「構造—風化—氣候變化」假說提供有力的證據。
「劍橋鷹之隊」正在進行中的還有一項十分有意義卻較為困難的工作，那就是紫坪鋪庫水庫沉積物記錄的汶川地震。他們每年在紫坪鋪庫水庫進行掃描，並鑽取沉積物，計算沉積物厚度和組成的變化。
這也是項艱苦的野外工作。
據悉，他們在水庫做掃描時，每天6點就起床，吃完早飯，直接上船開始工作，中午餓了就吃點乾糧。不管是烈日暴晒還是大雨淋漓，每個人最多就戴個帽子遮擋，一直工作到天黑了，才行船上岸，身上都是泥水，就連一起工作的開船師傅也頗有怨言。在這樣環境下，每次一干就是好幾天。張飛博士為記者講述2010年3月他們的那次考察花絮：在水庫掃描的同時，他們划了一條約2米長的小皮筏艇，到稍偏遠的地方鑽取沉積物岩心。「當時，皮艇上除了我和Joshua外，還有一個幾十斤重的手動鑽。由於沉積物很鬆散，我們試了幾次都沒有成功，這個時候我們倆已經累得筋疲力盡。恰好在這個時候，我們發現皮筏艇的氣漏了快一半。頃刻間，我倆開始著急了，拚命地往岸邊劃。剛到岸邊的時候，水已漫過了皮筏艇。上岸後，我倆看著對方，都哈哈地大笑起來。」張飛博士回憶著。
就是憑著這股勁，對於紫坪鋪水庫的研究也積累了一些重要的數據。
地震對環境影響是多方面的、長期的，研究揭示其內在聯繫和變化規律也是漫長的、艱辛的。金章東研究團隊在這條路上堅韌、不停歇地前行著，有苦也有樂。
建言
潛在災害是亟待關注的震後長期隱性環境問題
金章東研究團隊除了發表在Geology雜誌上的這三篇論文外，還有三篇有關汶川地震的研究論文分別發表在Earth and Planetary Science Letters、Journal of Geophysical Research和Geochemistry Geophysics Geosystems專業雜誌上。這一系列研究是首次對類似汶川這種高強度地質事件對青藏高原地表侵蝕進行定量評價，這對於認識地表物質輸移和碳循環具有重要啟示意義，也可為震後次生災害的評估和防治提供科學依據，對重建之中和重建後的震區城市發展與自然環境相協調提供科學規劃的支撐。
2008年「5·12」地震沿龍門山斷裂帶發生，在南北長百餘公里、東西寬數十公里的範圍內，均屬於7度以上的高烈度區；震區內地表土層乃至深部基岩均遭受巨大破壞，形成大量崩塌、滑坡、不穩定邊坡、潛在活動性災害體，堆棄在谷坡和溝道中的巨量鬆散固體物質促使該區震後泥石流活動明顯加劇，成為災後重建和減災工程關注的重要問題。更重要的是，這些滑坡物質將長期滯留在流域內，這會誘發各類嚴重的次生災害，如泥石流、河床淤積等，對下游的生命財產、生態系統具有潛在的威脅，也將對流域水資源、水利發電等造成影響。
為此，金章東建言，要關注並做好高強度地質事件對地表侵蝕及水土流失等隱性環境破壞的預測和預防工作，因其是目前減少山區強震後次生災害損失的有效途徑。滑坡、泥石流的轉移轉運、河流水分成分的變化等是災後相當長一段時期內潛在的威脅震區及下游地區人們安全和健康的環境問題。「譬如，山區的居民飲用水主要取自井水或河水，對震後飲用水水質的可能變化，需要引起充分重視。」金章東不無擔心地說道。又如，可在工程地質條件較好的溝道段增設調峰、固坡工程，增大泥石流的安全儲備，以應對可能出現的極端天氣帶來的潛在災害。特別是一些震中區域的河道上游地方目前防治重點在於穩固溝床，避免溝道進一步被下切侵蝕。
《中國科學報》 (2016-05-13 第8版 專題)
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