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地下水如何循環(huán) 是地下水科學(xué)研究最基本的問(wèn)題之一

來(lái)源:中國(guó)科學(xué)報(bào)

人往高處走,水往低處流”這句話,揭示著世間再常不過(guò)的規(guī)律。然而,凡事都有個(gè)例外,比如,在我們腳下的“深地”,水不一定只往低處流。

地下水如何循環(huán),是地下水科學(xué)研究最基本的問(wèn)題之一。盡管早在1963年匈牙利裔加拿大科學(xué)家J. Tth就用解析方法繪制了地下水系統(tǒng)復(fù)雜的多級(jí)嵌套結(jié)構(gòu),但人們很少?gòu)默F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和試驗(yàn)中真正認(rèn)識(shí)地下水流情況,這大大限制了地下水系統(tǒng)理論的完善和相應(yīng)的“深地”開(kāi)發(fā)利用。

8月9日,我國(guó)同位素水文地質(zhì)領(lǐng)域的研究人員主導(dǎo)發(fā)表在《地球物理研究快報(bào)》(GRL)上的一篇重磅國(guó)際合作研究論文——《鉆井地下水年齡和化學(xué)成分剖面上轉(zhuǎn)折點(diǎn)揭示盆地多級(jí)嵌套地下水系統(tǒng)》,不僅佐證了地下水并不只是“往低處流”,更揭示了地下水循環(huán)的豐富內(nèi)涵和精湛細(xì)節(jié),這將為我國(guó)深地資源開(kāi)發(fā)利用提供難得的科學(xué)基礎(chǔ)。

論文在線發(fā)表后,記者聯(lián)系采訪了該論文的第一作者、中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心高工張俊,以及論文通訊作者之一、中科院地質(zhì)與地球物理研究所研究員龐忠和。

地下水多大歲數(shù)?取出來(lái)測(cè)一測(cè)

地下水循環(huán)的問(wèn)題在地下水科學(xué)研究領(lǐng)域的基礎(chǔ)地位,堪比愛(ài)因斯坦定律之于物理學(xué)。然而,與地表水相比,地下水“不可見(jiàn)”及其水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的屬,使得人們?cè)谝巴庾R(shí)別它的難度很大。

看不到它,就把它“畫”出來(lái)。在內(nèi)蒙古高原的鄂爾多斯盆地,科學(xué)家們以這里的地下水系統(tǒng)為對(duì)象,施展起了他們的“繪畫天才”。不過(guò),他們用來(lái)作畫的“筆墨”,是鉆井剖面上的地下水年齡數(shù)據(jù)和地球化學(xué)成分信息。

水從地表滲入地下開(kāi)始算起,到采樣時(shí)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間,就是地下水的年齡。龐忠和表示,通過(guò)摸底不同地點(diǎn)地下水的年齡、水位等情況,再結(jié)合化學(xué)成分特征畫線,找到“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”,就能準(zhǔn)確描摹地下水的多級(jí)嵌套循環(huán)系統(tǒng)。

而要獲得實(shí)測(cè)地下水年齡和化學(xué)成分,首要的問(wèn)題就是要精準(zhǔn)取樣。然而由于鉆孔內(nèi)地下水一般處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài),傳統(tǒng)的“全井抽水”試驗(yàn)方法很難取到不同深度的分層樣品,而詳細(xì)的分層樣品數(shù)據(jù)恰恰是刻畫地下水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵信息。

工欲善其事,必先利其器。創(chuàng)造和改進(jìn)試驗(yàn)和測(cè)試技術(shù),是研究團(tuán)隊(duì)要闖的第一道關(guān)。

龐忠和告訴記者,雙栓塞(double-packer)地下水分層采樣與試驗(yàn)系統(tǒng)最早于本世紀(jì)初經(jīng)由國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)技術(shù)合作項(xiàng)目引入我國(guó),在深層地下水勘查和高放核廢物地質(zhì)處置選址項(xiàng)目中開(kāi)始應(yīng)用。但是,它在實(shí)踐中也遇到一些問(wèn)題。2010年以后,中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心的研究人員重新設(shè)計(jì)了“雙栓塞分層抽水試驗(yàn)系統(tǒng)”,在設(shè)備材質(zhì)、耐壓能、止水效果等方面加以改進(jìn),使其能夠適應(yīng)我國(guó)深井高水壓條件下的分層取樣要求。

“國(guó)產(chǎn)新設(shè)備可以滿足水文地質(zhì)勘查工作需要。”張俊對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》介紹說(shuō), “在鄂爾多斯盆地,我們通過(guò)控制取樣流量和降深,并通過(guò)建立水質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)方法,避免了取樣過(guò)程中‘層間越流’和外來(lái)水混入的可能。”張俊表示,這些舉措有效提高了采樣質(zhì)量,為精細(xì)刻畫地下水系統(tǒng)打下了可靠的基礎(chǔ)。

取樣之后就是“定年”。不過(guò),常用的氚(3H)和碳(14C)同位素方法測(cè)定上限分別為60年以內(nèi)和4萬(wàn)年以內(nèi),這對(duì)于年齡動(dòng)輒超過(guò)4萬(wàn)年的大型盆地深層地下水而言,顯得不夠用。

“本次研究采用了最新的氪(Kr)同位素定年技術(shù)。” 龐忠和對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》介紹說(shuō),5年前我們和中國(guó)科技大學(xué)教授盧征天團(tuán)隊(duì)合作,開(kāi)展測(cè)量技術(shù)和應(yīng)用條件的研究。

Kr是惰氣體,81Kr的半衰期是23萬(wàn)年,定年范圍可達(dá)130萬(wàn)年,而且81Kr在地下無(wú)干擾源,化學(xué)質(zhì)穩(wěn)定,不和其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng),是古老地下水的理想定年方法。但該方法的應(yīng)用長(zhǎng)期受限,這緣于81Kr同位素在自然界中的豐度極低,傳統(tǒng)方法很難以檢測(cè)到。

在破解這一難題過(guò)程中,量子測(cè)量技術(shù)發(fā)揮了重要作用。龐忠和告訴記者,基于激光冷卻原子阱技術(shù)(ATTA),盧征天團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了ATTA痕量同位素分析實(shí)驗(yàn)裝置,為81Kr的痕量分析提供了“測(cè)量神器”,現(xiàn)在定年只需要20千克水樣,大大拓展了該方法應(yīng)用領(lǐng)域。

盧征天團(tuán)隊(duì)也是本次研究的重要參與者。他告訴記者,ATTA是一種量子測(cè)量技術(shù),該方法可實(shí)現(xiàn)單原子水的計(jì)數(shù),具有極高的靈敏度。

“ATTA可以在每微升為10-14同位素水(STP)的氪氣中計(jì)數(shù)極低濃度的85Kr和81Kr原子。”盧征天對(duì)記者解釋道,通過(guò)技術(shù)改進(jìn),他們目前已經(jīng)獲得了更好的原子冷卻、收集和檢測(cè)效率,可將Kr同位素定年實(shí)際應(yīng)用所需的地下水樣品量從200kg減小到 20kg,并提高了測(cè)量精度和定年范圍。現(xiàn)在,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)是國(guó)際上唯一擁有有能力實(shí)現(xiàn)地下水采樣、氣體分離提純和ATTA同位素分析完整流程的實(shí)驗(yàn)室的單位。

“在ATTA技術(shù)加持下,Kr同位素定年法已成為國(guó)際上公認(rèn)最好的古地下水定年方法。”龐忠和說(shuō)。

讓地下水流“顯形”

綜合運(yùn)用地下水分層抽水試驗(yàn)系統(tǒng)、3H、14C、81Kr和85Kr以及水化學(xué)成分等多種示蹤定年和數(shù)值模擬等技術(shù),研究團(tuán)隊(duì)在鉆孔內(nèi)確定了詳細(xì)的地下水位、年齡和地球化學(xué)實(shí)測(cè)剖面。

“這些剖面可以幫助我們更好地區(qū)別地下水多級(jí)嵌套系統(tǒng)之間的界面。”張俊說(shuō),通過(guò)將這些實(shí)測(cè)剖面與數(shù)值模擬結(jié)果得到的地下水流場(chǎng)和年齡場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,就可以基于多種證據(jù)圈定地下水系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu),從而有效識(shí)別并精細(xì)刻畫出地下水系統(tǒng)的多級(jí)嵌套結(jié)構(gòu)。

與前人在鄂爾多斯盆地的研究結(jié)果(地下水最大年齡4萬(wàn)年)相比,該研究首次發(fā)現(xiàn)超過(guò)20萬(wàn)年的地下水,得到的地下水年齡剖面比以往研究更加精細(xì)準(zhǔn)確,使人們對(duì)鄂爾多斯盆地地下水循環(huán)規(guī)律的認(rèn)識(shí)達(dá)到了新的高度。

“這是我國(guó)地下水科學(xué)界20年努力的一個(gè)里程碑式的進(jìn)展。”龐忠和告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》:“如果說(shuō)上個(gè)世紀(jì)澳大利亞大自流水盆地的研究給人們呈現(xiàn)了大型沉積盆地地下水循環(huán)的宏大格局的話,今天我國(guó)的鄂爾多斯盆地則展示了這個(gè)循環(huán)系統(tǒng)的豐富內(nèi)涵和精湛細(xì)節(jié)。而這恰恰反映了其本質(zhì)特征。”

而在研究中先后涌現(xiàn)的科技突破——研究團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了packer和ATTA設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化,更讓龐忠和心生感慨:“從同位素水文地質(zhì)學(xué)角度來(lái)講,packer和ATTA兩項(xiàng)頂尖技術(shù)整合起來(lái),再加上科學(xué)深鉆連井剖面的研究臺(tái),無(wú)疑是做深層地下水科研的最好狀態(tài)了。”

為“深地”應(yīng)用筑牢科學(xué)基礎(chǔ)

談及該研究的意義,龐忠和表示,總的來(lái)說(shuō),這是一項(xiàng)應(yīng)用基礎(chǔ)研究,其對(duì)區(qū)域尺度地下水系統(tǒng)理論研究提供了重要佐證;并且它結(jié)合了地球系統(tǒng)科學(xué)的概念,也有力推動(dòng)了地下水科學(xué)向前進(jìn)步。

不僅如此,盡管目前還無(wú)法直接評(píng)估該成果的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,但其對(duì)于深地資源和空間利用的指導(dǎo)意義仍然非常可觀。

“比如核廢料處置、二氧化碳地下封存等,需要尋找一個(gè)安全、穩(wěn)定的地下環(huán)境,只有類似區(qū)域尺度地下系統(tǒng)被精細(xì)刻畫出以后,人們才好決定去哪兒封存。”龐忠和展望道,這在當(dāng)前“碳中和”背景下意義深遠(yuǎn)。

當(dāng)然,這類研究對(duì)于地下水的資源評(píng)價(jià)和可持續(xù)開(kāi)采而言,是必不可少的理論基礎(chǔ)。

龐忠和舉例說(shuō),年來(lái),作為世界上三個(gè)最干旱的極端干旱區(qū)之一的新疆,居然也時(shí)不時(shí)會(huì)發(fā)生洪水現(xiàn)象——這是全球變暖、氣溫升高以后冰川融化退縮的結(jié)果。干旱地區(qū)發(fā)洪水的時(shí)候怎么辦?“當(dāng)我們了解清楚了地下水文狀況后,我們給新疆提供了具體建議:把多余的冰川融水存在地下,建一個(gè)地下水庫(kù)。這作為應(yīng)對(duì)氣候變化的一個(gè)手段,現(xiàn)在已經(jīng)行動(dòng)起來(lái)了。”

此外,相應(yīng)的理論成果還將進(jìn)一步指導(dǎo)區(qū)域地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)、地下空間利用等的開(kāi)展。龐忠和說(shuō),在當(dāng)前全球應(yīng)對(duì)氣候變化的大背景下,“深地”開(kāi)發(fā)是一個(gè)重要手段,但在之前,“我們需要先解碼”。

該項(xiàng)研究是基于中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局1999年以來(lái)在鄂爾多斯盆地實(shí)施的一系列地下水勘查研究項(xiàng)目,由中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心牽頭,先后聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)、南京大學(xué)、長(zhǎng)安大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等多個(gè)科研團(tuán)隊(duì),包括澳大利亞弗林德斯大學(xué)專家共同參與,在國(guó)家和國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)項(xiàng)目支持下,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究獲得的成果。

標(biāo)簽: 地下水科學(xué)研究 量子測(cè)量技術(shù) 激光冷卻原子阱技術(shù) 同位素分析

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