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地下水如何循環(huán) 是地下水科學(xué)研究最基本的問題之一

2021-08-18 13:10:08 來源：中國科學(xué)報

人往高處走，水往低處流”這句話，揭示著世間再平常不過的規(guī)律。然而，凡事都有個例外，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)雜的多級嵌套結(jié)構(gòu)，但人們很少從現(xiàn)場觀測和試驗中真正認(rèn)識地下水流情況，這大大限制了地下水系統(tǒng)理論的完善和相應(yīng)的“深地”開發(fā)利用。

8月9日，我國同位素水文地質(zhì)領(lǐng)域的研究人員主導(dǎo)發(fā)表在《地球物理研究快報》（GRL）上的一篇重磅國際合作研究論文——《鉆井地下水年齡和化學(xué)成分剖面上轉(zhuǎn)折點揭示盆地多級嵌套地下水系統(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)，這將為我國深地資源開發(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)？取出來測一測

地下水循環(huán)的問題在地下水科學(xué)研究領(lǐng)域的基礎(chǔ)地位，堪比愛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”及其水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的屬性，使得人們在野外識別它的難度很大。

看不到它，就把它“畫”出來。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)為對象，施展起了他們的“繪畫天才”。不過，他們用來作畫的“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始算起，到采樣時所經(jīng)過的時間，就是地下水的年齡。龐忠和表示，通過摸底不同地點地下水的年齡、水位等情況，再結(jié)合化學(xué)成分特征畫線，找到“轉(zhuǎn)折點”，就能準(zhǔn)確描摹地下水的多級嵌套循環(huán)系統(tǒng)。

而要獲得實測地下水年齡和化學(xué)成分，首要的問題就是要精準(zhǔn)取樣。然而由于鉆孔內(nèi)地下水一般處于運動狀態(tài)，傳統(tǒng)的“全井抽水”試驗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)試驗和測試技術(shù)，是研究團(tuán)隊要闖的第一道關(guān)。

龐忠和告訴記者，雙栓塞（double-packer）地下水分層采樣與試驗系統(tǒng)最早于本世紀(jì)初經(jīng)由國際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）技術(shù)合作項目引入我國，在深層地下水勘查和高放核廢物地質(zhì)處置選址項目中開始應(yīng)用。但是，它在實踐中也遇到一些問題。2010年以后，中國地質(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)計了“雙栓塞分層抽水試驗系統(tǒng)”，在設(shè)備材質(zhì)、耐壓性能、止水效果等方面加以改進(jìn)，使其能夠適應(yīng)我國深井高水壓條件下的分層取樣要求。

“國產(chǎn)新設(shè)備可以滿足水文地質(zhì)勘查工作需要。”張俊對《中國科學(xué)報》介紹說， “在鄂爾多斯盆地，我們通過控制取樣流量和降深，并通過建立水質(zhì)現(xiàn)場監(jiān)測評價方法，避免了取樣過程中‘層間越流’和外來水混入的可能。”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，常用的氚（3H）和碳（14C）同位素方法測定上限分別為60年以內(nèi)和4萬年以內(nèi)，這對于年齡動輒超過4萬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《中國科學(xué)報》介紹說，5年前我們和中國科技大學(xué)教授盧征天團(tuán)隊合作，開展測量技術(shù)和應(yīng)用條件的研究。

Kr是惰性氣體，81Kr的半衰期是23萬年，定年范圍可達(dá)130萬年，而且81Kr在地下無干擾源，化學(xué)性質(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)方法很難以檢測到。

在破解這一難題過程中，量子測量技術(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)隊自主研發(fā)了ATTA痕量同位素分析實驗裝置，為81Kr的痕量分析提供了“測量神器”，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)隊也是本次研究的重要參與者。他告訴記者，ATTA是一種量子測量技術(shù)，該方法可實現(xiàn)單原子水平的計數(shù)，具有極高的靈敏度。

“ATTA可以在每微升為10-14同位素水平(STP)的氪氣中計數(shù)極低濃度的85Kr和81Kr原子。”盧征天對記者解釋道，通過技術(shù)改進(jìn)，他們目前已經(jīng)獲得了更好的原子冷卻、收集和檢測效率，可將Kr同位素定年實際應(yīng)用所需的地下水樣品量從200kg減小到 20kg，并提高了測量精度和定年范圍。現(xiàn)在，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)是國際上唯一擁有有能力實現(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驗室的單位。

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

讓地下水流“顯形”

綜合運用地下水分層抽水試驗系統(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)實測剖面。

“這些剖面可以幫助我們更好地區(qū)別地下水多級嵌套系統(tǒng)之間的界面。”張俊說，通過將這些實測剖面與數(shù)值模擬結(jié)果得到的地下水流場和年齡場進(jìn)行對比驗證，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)，從而有效識別并精細(xì)刻畫出地下水系統(tǒng)的多級嵌套結(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4萬年）相比，該研究首次發(fā)現(xiàn)超過20萬年的地下水，得到的地下水年齡剖面比以往研究更加精細(xì)準(zhǔn)確，使人們對鄂爾多斯盆地地下水循環(huán)規(guī)律的認(rèn)識達(dá)到了新的高度。

“這是我國地下水科學(xué)界20年努力的一個里程碑式的進(jìn)展。”龐忠和告訴《中國科學(xué)報》：“如果說上個世紀(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，今天我國的鄂爾多斯盆地則展示了這個循環(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)隊成功實現(xiàn)了packer和ATTA設(shè)備的國產(chǎn)化，更讓龐忠和心生感慨：“從同位素水文地質(zhì)學(xué)角度來講，packer和ATTA兩項頂尖技術(shù)整合起來，再加上科學(xué)深鉆連井剖面的研究平臺，無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，總的來說，這是一項應(yīng)用基礎(chǔ)研究，其對區(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，也有力推動了地下水科學(xué)向前進(jìn)步。

不僅如此，盡管目前還無法直接評估該成果的實際應(yīng)用價值，但其對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，這類研究對于地下水的資源評價和可持續(xù)開采而言，是必不可少的理論基礎(chǔ)。

龐忠和舉例說，近年來，作為世界上三個最干旱的極端干旱區(qū)之一的新疆，居然也時不時會發(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，建一個地下水庫。這作為應(yīng)對氣候變化的一個手段，現(xiàn)在已經(jīng)行動起來了。”

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源開發(fā)、地下空間利用等的開展。龐忠和說，在當(dāng)前全球應(yīng)對氣候變化的大背景下，“深地”開發(fā)是一個重要手段，但在之前，“我們需要先解碼”。

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

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