研究领域

地热资源开发

地球内部蕴藏着取之不尽用之不竭的地热能,地热资源的分布在区域上受板块构造控制。中国辽阔的国土位于欧亚板块南端,西部受印度板块碰撞控制,东部受太平洋板块俯冲作用影响,地热资源非常丰富,早在春秋战国时期便有温泉沐浴的文字记载,是世界上最早开发利用地热资源的国家之一,从古到今一直是地热资源利用的大国。但在现代化的地热能源开发方面还很落后。在全世界24个利用地热能发电的国家中,中国位居第19位。黄少鹏在《自然•气候变化》上发表的文章“中国地热能源(Geothermal energy in China)” 分析了当前我国地热资源勘探开发面临的挑战和机遇,提出了加快我国地热资源勘探开发建议。他认为,我国地热能源开发长期停滞不前的重要原因一是过去相当一个时期缺乏国家政策的强有力支持,二是受只有水热系统才是可采地热资源的传统观念的束缚。随着地热勘探开发技术的进步,可采地热资源已经不再局限于水热系统,也包括浅层地热和深层干热岩。中国西部沸泉众多,具有丰富的高温水热系统,中国西部沸泉众多,具有丰富的高温水热系统,东部“热盆”(高温盆地)发育、 中-新生代火山活动强烈,不仅具有巨大的中深层水热型地热资源,还有既可采暖又可制冷的浅层低温地热资源,还可能具有经济开采价值的干热岩资源。黄少鹏呼吁,地热界应该与时俱进,改变旧的观念,调整国家地热能源开发战略布局,在继续鼓励西部高温地热能源开发的同时,应该在能源需求旺盛的东部地区大力开展盆地地热和火山地热能源勘探开发,选址打造示范工程,以期迅速改变中国地热能源产业严重落后的现状,实现地热资源开发的可持续发展,使之在发展低碳经济、确保能源安全的国际潮流和国家发展战略中发挥更大作用。在多方努力推动下,国家发改委、国土资源部及国家能源局共同编制了《地热能开发利用“十三五”规划》,首次从国家层面以五年规划的形式为地热能源开发利用和产业发展描绘了蓝图,地热研究和开发已经迎来迅猛发展的历史机遇。推动地热研究开发的政产学研合作、开发新一代地热勘探和井下换热技术、打造中国西部创新港地热应用示范工程,建设西安交大地热绿色园区、积极参与雄安新区的地热勘探开发是黄少鹏团队当前地热研究的几个工作重点。

利用钻孔地温资料反演气候变化历史

黄少鹏教授在国际学术界具有重要影响力的一项工作是他在地热学和古气候学这两个学科的交叉领域取得的成果。利用地热数据研究古气候已经有几十年的历史,但由于过去采用的方法相对简单、重点不够突出、数据代表性不足,这一地热学研究方法和相关成果一直未能得到古气候学界的普遍接受。黄少鹏教授加盟美国密歇根大学地热实验室后,一方面设计、建造了全球地温-古气候数据库,另一方面根据古气候信息在岩石中传递的特点,扬长避短,改进了地热-古气候数据分析方法,把分析重点放在区域性长期变化趋势上,弥补了过去古气候研究方法的不足,取得了一批强有说服力的成果,改变了气候变化研究权威们对地热方法的怀疑态度,从而为确立地热-古气候方法在全球变化研究中的地位作出了重要贡献。他采用标准化以后的数据处理方法对全球钻孔数据进行分析,结果表明,过去五个世纪,全球平均地面温度总共上升约1摄氏度,比以前通过其它方法估计的变化幅度大,而这一温度增长幅度有一半发生在20世纪,20世纪北半球气温升幅相对南半球更大。北半球气温上升的1.1摄氏度中,有0.6摄氏度出现于20世纪。2000年2月《Nature》杂志对这一成果给予了重中之重的待遇,除了在这一期的封面上印了文章的短标题外,还特邀时任美国国家海洋和大气管理署(NOAA)古气候研究中心主任Overpeck教授在同期《Nature》杂志发表了对这项成果的评论文章,对这项工作给予了高度评价。这一研究结果被纳入了世界气象组织(WMO)和联合国环境计划总署(UNDP)联合主编的《IPCC Assessment Report》第三版(2001)。他负责建造的全球地温-古气候数据库(http://www.geo.lsa.umich.edu/climate)及分析结果广为地热和气候学界所应用,是世界数据中心-A中心与美国国家气候数据中心古气候部的核心数据资源(World Data Center-A/NOAA Paleoclimatology Program,http://www.ncdc.noaa.gov/paleo/data)还是美国科学院2006年6月向国会提交的有关气候长期变化的报告引用的第一证据(详见http://dels.nas.edu/dels/rpt_briefs/Surface_Temps_final.pdf)。

地球气候系统能量收支的月球表面温度记录

学术界普遍认为,二十世纪全球变暖既有大气温室效应的人为因素,也有太阳辐射变化的自然因素,但对这两种因素的相对重要性的认识不一,争论不休。“不识庐山真面目,只缘身在其山中”。黄少鹏教授认为,月球上有解开地球气候变化奥秘的金钥匙。月球上没有大气、没有海洋、没有太多人类活动的影响。作为地球忠实永恒的卫星,月球应该是地球气候变化的最可靠的证人,是甑别地球气候变化自然和人为因素的天然试验室。锁在同步绕转的月-地系统中,月球永远以其固定的一面(正面)对着地球。月球的背面只接受太阳辐射而不受任何地球辐射或反射的干扰,是观测太阳辐射变化的绝佳场所。与其背面不同,月球的正面昼夜光芒不断,白天有灿然阳光,晚上则有来自地球的反射光和红外辐射。黄少鹏教授对被闲置了三十多年的阿波罗登月取得的温度数据进行了分析,结果清楚地表明,月球近地一侧的表面温度昼间受太阳辐射控制,夜间则受地球的反射和再辐射影响。因而月球表面温度变化资料蕴涵着丰富的信息,除了可以揭示月球表面环境变化的奥秘以外,上可用于研究太阳活动和行星演化历史,下可用于研究地球气候系统的能量收支变化。黄少鹏教授进而提出在月球上建立长期月表温度和辐射观测网,以研究月球和地球气候环境变化及其与太阳活动的关系,这一设想引起了国际学术界和新闻媒体的广泛关注。除了气候研究以外,黄少鹏教授还牵头组织了对未来在月球表面进行科学钻探、开展包括钻孔热流测量等多学科国际合作的讨论。他是Proposal for a Planetary Geology and Geophysics Initiative on Lunar DrillingScientific Rationale for Deployment of a Long-Lived Network on the Moon.等白皮书的主笔或合作者。在国内,黄少鹏教授与郭华东、许厚泽、吴国雄、严俊等科学家共同提出的关于开展月基地球宏观科学现象观测机理研究的建议得到了国家自然科学基金委员会的支持,目前由黄少鹏教授负责的重大基金项目“地球气候系统能力平衡宏观现象的月基观测研究”(批准号41590855)正在执行之中,其阶段性成果已经得到有关专家领导的重视,月基对地辐射探测系统已经列入我国探月工程后续科学研究任务的有效载荷选项中。

在全球变暖和城市化双重作用下的陆地与大气热环境变化

气候系统包含着大气圈、水圈、岩石圈、生物圈和冰冻圈等五大圈层内部和它们之间极其复杂的相互作用,由于几乎所有的作用过程都与能量有关,都不同程度地反映在以温度变化为主要特征的热环境变化上,因此,热环境研究是气候变化研究的有效途径。但目前对气候系统主要圈层热环境的研究程度参差不齐,其中对于地下浅层热环境在气候变化中的作用的研究最为薄弱,主要原因就在于缺乏从地下几百米到地上几十米的同步系统观测数据,阻碍了对岩石圈与大气圈(地-气)相互作用的认识,从而阻碍了对整个气候变化机制的认识。黄少鹏教授在西安交通大学新近扩建的曲江校区建成了具有国际先进水平的热环境与气象监测站,具备对从地下500m到地上50m的多种热环境和气象要素变化进行全方位长期连续监测的能力 。全球气候变暖和迅猛发展的城市化进程正在深刻地改变着中国的人居和生态环境。位于西安市城区与郊区连接地带的曲江新校区的建设和发展本是就是城市化过程的一个缩影。西安交通大学热环境与气象监测站可望为研究在气候变化和城市化双重作用下的人居和生态环境变化研究提供宝贵的科学数据。全球范围的气温变化必然带动整个地球气候系统各主要组成部分的热状态的变化。根据对全球地温和气温数据的分析,黄少鹏教授计算了过去一个半世纪大陆岩石圈表层热容量变化,结果表明20世纪全球变暖具有二阶段性,第一阶段大致覆盖前40年,强度较弱,第二阶段强增温起始于70年代初。伴随着20世纪全球变暖,大陆岩石圈从大气圈吸收了21×1021焦耳的热量,如果70年代以来的强劲增温势头继续发展下去,大陆岩石圈从现在到21世纪末所额外吸收的热量将会是20世纪所吸收热量的五倍。居于全球变暖发展的历史和现状,现在刹住气温升高并不能马上制止岩石圈变暖的势头。即便是从现在开始地表温度固结在过去5年的平均水平,岩石圈变暖仍然将持续相当一段时期。众多新闻媒体报道了黄少鹏的相关研究结果(如Dome of the Sky: Dome News, June 27, 2006. Warming Affects Even the Crust of the Earth. Physorg.com, June 26, 2006. Global Warming Goes deep.Global Warming News, June 23, 2006. Global warming goes deep. University of Michigan News Service, June 23, 2006. Global warming goes deep)。

中国大陆岩石圈热结构研究

从1983年考取中国科学院地质研究所硕士研究生到1992年应聘为该所副研究员的十年间,黄少鹏教授的研究工作主要在大地热流、岩石圈深部构造热演化以及地热资源等方面。作为国内地热学科带头人汪集旸先生最早的研究生和助手,他协助汪先生完成了“攀西裂谷带主要地震构造特征及其对矿产的控制”国家六五攻关项目中的地热课题研究。他的硕士论文《攀西古裂谷大地热流研究》通过实际测量数据,结合地质、地球物理和地球化学资料对攀西地区的大地热流分布规律、地表热流与岩石生热率的关系、大地热流中的板块构造演化信息、深大断裂对热流的作用、古气候对地温场的影响等一系列问题进行了探讨,填补了当时国内理论地热研究的一些空白。由于硕士论文成绩显着,他获中国科学院地质研究所学位委员会的推荐留所工作并在职在汪集暘先生的指导下继续攻读博士学位。在博士论文工作阶段,他首次对全国大地热流数据进行了系统的整理分析,先后汇编发表了中国大陆地区大地热流数据第一和第二版,勾画了数据覆盖区的背景热流的分布轮廓和有关大地构造单元的热流分布特征,以分带统计的方法探讨了大地热流的经纬向变化规律,分析了大地热流与地震Pn波速度、大地热流与地壳厚度的关系、大地热流的地壳放射性热贡献和地幔热流的二元结构,对区域性地下水活动对地温场的影响进行了数据模拟研究,探讨了热岩石圈厚度的确定方法,率先在国内开展了大区域尺度的地球深部热物理构造研究,并在国内外学术刊物上及时发表了有关研究结果,包括由国际岩石圈委员会组织出版的《中国地球物理图集》(Atlas of Geophysics in China,Publication No.201 of the International Lithosphere Program)和具有影响的专著《Terrestrial Heat Flow and Geothermal Energy in Asia》,《Terrestrial Heat Flow And The Lithosphere Structure》等。