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“厚层地下冰的重复分凝机制”理论的创立

归档日期:10-01       文本归类:冰分凝      文章编辑:爱尚语录

  程国栋 冰川冻土学家,中国科学院院士。1943年7月生于上海市,1965年毕业于北京地质学院水文地质与工程地质系。现任中国科学院兰州分院院长、研究员、甘肃省科协副主席。由于成绩卓著,1993年被推选为国际冻土协会主席。曾任原中国科学院冰川冻土研究所所长,中国科学院寒区旱区环境与工程研究所所长。

  程国栋1981年创造性地提出了“厚层地下冰的重复分凝机制”理论。这个理论主要有三个部分组成,其中最核心的部分是程国栋创造建立的“未冻水的不等量迁移规律”,揭示了厚层地下冰形成的本质。其次程国栋同志提出了冰的自净作用,并将国外学者的实验成果用来解释多年冻土上部高含冰量土中土颗粒移动规律。此外,程国栋还善于挖掘别人观点的合理部分,来阐述厚层地下冰的共生生长方式。

  在我国有多年冻土(即永冻层)面积约215万平方公里,是仅次于前苏联和加拿大的第三冻土大国。我国的高海拔多年冻土面积超过176万平方公里,居世界首位。其中青藏高原的多年冻土占到了85%。程国栋同志多年从事冻土研究工作,但他把主要的兴奋点集中在冻土中的厚层地下冰是怎样形成的这个重大的理论问题上。这是因为这种厚层地下冰均匀地分布在我国的高纬度和高海拔地区,存在于多年冻土上限附近富含细粒的土中,埋藏浅(1-3米),厚度大(0.3-6米),冰中含有土粒和土块,土块好像悬浮在其中,形成斑杂状冷生构造,对地壳表层的生物、化学、地质和地貌的作用有着重大影响,其融沉和冻胀是各类工程建筑物遭到严重破坏的祸首。为了治理这种地下冰,长期以来许多学者对这种冰的成因提出过多种看法,在我国有分凝、胶结、重力下渗等假说,在国外,专门有分凝-胶结地下冰。程国栋同志善思多问,总觉得分凝、胶结、重力下渗等各种假设不能自圆其说。这些理论虽然可以说明某些特殊地下冰种的形成,但不能解释广泛分布的厚层地下冰的出现原因和具体机制。分凝冰理论认为厚层地下冰是在正冻结的土中,在一定温度影响下,未冻水迁移至冻结前沿而形成的,但在许多地点,仍不能说明其形成的具体机制。这个问题一直在程国栋同志的脑海中萦绕了10年之久。

  在长期的研究工作中,程国栋同志思考要解决这个问题,必须建立一种新的模型,但建立模型却遇到了许多困难。在十余年的高原冻土研究中,他不断地向数学家学习数学物理方程,钻研物理化学,拓宽了他解决厚层地下冰成因问题的思路。

  在参加“青藏铁路建设中的冻土问题研究”、“青海热水煤矿厚层地下冰地段路堤试验”、“青藏公路沿线冻土研究”和“青藏公路多年冻土地区黑色路面修筑技术”等重大课题研究中,使他积累了大量的解决厚层地下冰成因问题的有关资料。特别是1979年,在主持青藏公路改建工程中的冻土工程地质工作中,在公路沿线打了几十个钻孔,使程国栋同志有幸仔细观测了形形色色厚层地下冰的分布形态,发现了正在融化的土中的成冰现象。在工作中,程国栋同志除认真吸收前人的正冻结过程中水分迁移成冰作用外,注意到了前人忽视的已冻土中的未冻水和正融土中仍冻结部分的未冻水,都具有迁移和分凝成冰作用,他发现温度梯度的季节变化,使其方向和强度有许多出入,导致未冻水的不等量迁移。多年来,他注意国外学者有关的实验研究,并将他们的实验成果用以寻求多年冻土上部高含冰量土中颗粒移动的规律,提出了在温度周期性变化条件下,冰中具有土颗粒逐渐外迁的自净作用,使水量不断提高,在地表有新的堆积条件下,地下冰以共生方式增长,更可能形成高含冰量、大厚度的冰层。这些研究工作促使了一种新的成冰机制在程国栋同志心中逐渐成熟。1979年,处于豁然开朗状态中的程国栋同志,创造性地提出了未冻水的不等量迁移规律,进一步综合正冻、已冻和正融土中的水分和成冰作用,创立了近地面厚层地下冰形成的重复分凝机制理论。并在《科学通报》、《中国科学》等杂志上发表,立即在冻土学界引起了很大反响,许多冻土学家给予很高的评价,并冠之为“程氏假说”,认为程氏假说很有说服力,是较完善的厚层地下冰形成学说,解决了国际冻土界长期悬而未决的一个重要理论问题。

  在解决问题的过程中,他特别重视特殊的重复分凝作用的成冰过程,所谓“重复”,一是不同作用下的分凝成冰的多次重复,二是年复一年温度周期变化下的长期重复。但在这一学说中,正融土的水分迁移和成冰有悖于常识,因而,一开始,仅有为数不多的文章表示赞同,不被人们接受。程国栋同志凭着他对科学的执着、对事业锲而不舍和精益求精的精神,不断追求完美的境界。在后来的研究工作中,程国栋同志并不满足理论上的突破与成功,他又去了室内实验条件较好的美国陆军部寒区研究和工程实验所进行了专门的模拟实验,亲自设计实验来验证他的这一理论,证实学术的正确性。由于他系统地解决了地下冰的成因、分布、制图及在其上进行建筑的原理和方法,也确立了他本人在中国地下冰研究领域的权威地位。

  ※本文学习和参考了中国科学院院士施雅风先生《喜看冻土学中的重要理论突破》和刘经仁同志《为人性僻耽佳句,语不惊人死不休--冰川冻土学家程国栋院士传略》文章。

  案例介绍了被称作“程氏假说”的“厚层地下冰的重复分凝机制”理论是如何创立和验证的。程国栋先生质疑当时已有理论,面对厚层地下冰形成这个重大理论问题,在脑海中萦绕了10年之久。他既注意汲取前人成果的合理部分,又运用创新思维,结合工程和实验仔细观测,“发现了正在融化的土中的成水现象”,经过深入思考,终于创造性地提出了“厚层地下冰形成学说”,解决了国际冻土界长期悬而未决的一个重要理论问题。无论是科学家还是管理者,都可从这个案例中感悟出很多有用的东西。

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