揭开大峡谷水源的“黑匣子”

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每年,大峡谷国家公园迎来数百万名游客。无论是在峡谷边缘短暂停留补满水瓶,还是在峡谷深处高温徒步途中补水降温,园内十余处取水点所用的水,最终都指向同一关键来源——位于北缘、由洞穴系统补给的咆哮泉。

咆哮泉可从北凯巴布小径远望并听见水声,但并无步道直达。研究人员指出,这处泉眼不仅支撑公园游客用水,也与峡谷内人类、动植物及相关生态系统密切相关。在气候趋于更暖、更干的背景下,这条“生命线”面临更高的不确定性与风险。

北亚利桑那大学信息学、计算与网络系统学院的研究人员正在牵头一项研究,旨在绘制咆哮泉及其他洞穴供水泉眼的地下结构与补给路径。研究团队表示,最新获得的资助将把测绘范围扩展至整个公园,以进一步厘清积雪变化与泉水补给之间的联系。生态信息学博士生布莱斯·拉萨拉称,识别水流汇入位置对公园基础设施、动植物以及依赖泉水的生态系统管理至关重要,并将这些泉眼比作“绿洲”。相关早期成果已发表于《科学报告》。

由于大峡谷洞穴多不对公众开放且远离步道,外界对其了解有限。拉萨拉与遥感专家特穆伦·“特基”·桑基教授合作,使用移动激光雷达传感器建立洞穴三维模型,覆盖洞壁与洞顶等细节。团队在45天内记录了超过10公里的地下通道、洞室与狭窄爬行段,并完成三个洞穴的高精度三维测绘。桑基表示,大峡谷洞穴此前从未有过如此分辨率的三维地图。

为完成测绘,团队需徒步进入洞穴区域,单程最长可达两天,并携带约55磅设备,包括移动激光雷达系统。实地作业涉及徒步、绳降以及穿越被水淹没的通道。研究人员称,洞穴形态与裂隙分布呈现一定规律,而洞穴网络的结构可反映水体穿过多层岩石时的流动过程。

在水源补给方面,研究团队给出的结论是:咆哮泉等泉眼的主要补给来自地表水,几乎全部为凯巴布高原的融雪。但水如何穿越多层岩石抵达泉眼、沿途携带何种物质,仍是研究重点。

研究指出,洞穴供水泉眼主要位于红壁石灰岩与穆阿夫石灰岩中,与凯巴布高原地表之间隔着多层岩层。由公园方面主导的染料示踪试验显示,水在这些岩层中的流动速度可能较快。地球与可持续发展学院教授阿贝·斯普林格与桑基、拉萨拉合作时,曾在地表陷穴投放染料,染料在不到一周内沿约20公里路径出现在泉眼处。不过,水流具体路径仍受岩石裂缝与断层、孔隙度等因素影响,研究人员表示目前掌握的信息仍有限。

桑基称,相关工作旨在建立地表可见地质特征与地下数百至数千英尺深处结构之间的联系。拉萨拉则将这一过程形容为破解“黑匣子”:研究者能观察到水的进入与流出,但难以量化地下发生的细节;随着洞穴结构模式逐步明确,团队希望进一步把这些信息与泉水随时间变化的数据关联起来。

污染风险也是研究关注的核心议题之一。桑基以公园最大泉眼之一的喀斯特泉为例称,其岩体特征类似“瑞士奶酪”,水在洞穴与裂隙中流速快、过滤时间短。研究人员指出,若火烧迹地径流或大肠杆菌等污染物进入与咆哮泉洞穴相连的陷穴,公园可能需要暂停抽水直至问题解决。识别潜在污染源被认为有助于管理部门从源头处置风险,降低未来供水中断的可能性。

研究团队表示,新阶段项目计划于2026年初启动。拉萨拉与桑基将利用过去几十年的机载激光雷达与卫星数据,绘制峡谷两侧陷穴分布,并追踪过去40年的融雪积累变化。团队称,新增工作将以地表调查为主;如发现洞穴入口或相关结构,也将视情况使用移动激光雷达进一步探测。

研究人员表示,上述工作将帮助理解导致陷穴坍塌与“消失溪流”等现象的地质控制因素,并通过寻找与洞穴内部相似的生长、运动及断层活动模式,推断水如何穿过上覆岩层,为后续染料示踪试验提供依据。

团队指出,融雪变化的研究具有现实紧迫性。亚利桑那州近年来降雪减少,大峡谷地区亦不例外。项目将建立包含激光雷达与其他影像资料在内的数据档案,以支持科学家与资源管理者理解区域水系统的动态变化。

研究人员称,相关成果将直接服务大峡谷国家公园的水资源管理,同时也具有更广泛的适用性:全球有超过10亿人依赖喀斯特泉水,模拟水在喀斯特系统中的流动过程具有跨区域参考价值。团队同时提到,该研究也可能对公园内或邻近的美洲原住民部落有所帮助。

对于龙布拉沃火灾对研究的影响,拉萨拉与桑基表示,研究过程中出现意外并不罕见,但此次火灾属于重大变量。桑基称,这将成为研究的新转折点。研究团队表示,火灾带来的环境变化将影响他们在凯巴布高原的发现与判断,后续将把相关影响纳入研究,并尽力协助公园应对由此产生的问题。


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