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地下水如何循環是地下水科學研究最基本的問題之一

2021-08-18 13:10:08 來源：中國科學報

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，是地下水科學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家J. Tth就用解析方法繪制了地下水系統復雜的多級嵌套結構，但人們很少從現場觀測和試驗中真正認識地下水流情況，這大大限制了地下水系統理論的完善和相應的“深地”開發利用。

8月9日，我國同位素水文地質領域的研究人員主導發表在《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成分剖面上轉折點揭示盆地多級嵌套地下水系統》，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的豐富內涵和精湛細節，這將為我國深地資源開發利用提供難得的科學基礎。

論文在線發表后，記者聯系采訪了該論文的第一作者、中國地質調查局西安地質調查中心高工張俊，以及論文通訊作者之一、中科院地質與地球物理研究所研究員龐忠和。

地下水多大歲數？取出來測一測

地下水循環的問題在地下水科學研究領域的基礎地位，堪比愛因斯坦定律之于物理學。然而，與地表水相比，地下水“不可見”及其水系統結構復雜的屬性，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。在內蒙古高原的鄂爾多斯盆地，科學家們以這里的地下水系統為對象，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據和地球化學成分信息。

水從地表滲入地下開始算起，到采樣時所經過的時間，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，再結合化學成分特征畫線，找到“轉折點”，就能準確描摹地下水的多級嵌套循環系統。

而要獲得實測地下水年齡和化學成分，首要的問題就是要精準取樣。然而由于鉆孔內地下水一般處于運動狀態，傳統的“全井抽水”試驗方法很難取到不同深度的分層樣品，而詳細的分層樣品數據恰恰是刻畫地下水系統結構的關鍵信息。

工欲善其事，必先利其器。創造和改進試驗和測試技術，是研究團隊要闖的第一道關。

龐忠和告訴記者，雙栓塞（double-packer）地下水分層采樣與試驗系統最早于本世紀初經由國際原子能機構（IAEA）技術合作項目引入我國，在深層地下水勘查和高放核廢物地質處置選址項目中開始應用。但是，它在實踐中也遇到一些問題。2010年以后，中國地質調查局水文地質環境地質調查中心的研究人員重新設計了“雙栓塞分層抽水試驗系統”，在設備材質、耐壓性能、止水效果等方面加以改進，使其能夠適應我國深井高水壓條件下的分層取樣要求。

“國產新設備可以滿足水文地質勘查工作需要。”張俊對《中國科學報》介紹說， “在鄂爾多斯盆地，我們通過控制取樣流量和降深，并通過建立水質現場監測評價方法，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量，為精細刻畫地下水系統打下了可靠的基礎。

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年以內和4萬年以內，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。” 龐忠和對《中國科學報》介紹說，5年前我們和中國科技大學教授盧征天團隊合作，開展測量技術和應用條件的研究。

Kr是惰性氣體，81Kr的半衰期是23萬年，定年范圍可達130萬年，而且81Kr在地下無干擾源，化學性質穩定，不和其他物質發生反應，是古老地下水的理想定年方法。但該方法的應用長期受限，這緣于81Kr同位素在自然界中的豐度極低，傳統方法很難以檢測到。

在破解這一難題過程中，量子測量技術發揮了重要作用。龐忠和告訴記者，基于激光冷卻原子阱技術（ATTA），盧征天團隊自主研發了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”，現在定年只需要20千克水樣，大大拓展了該方法應用領域。

盧征天團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，該方法可實現單原子水平的計數，具有極高的靈敏度。

“ATTA可以在每微升為10-14同位素水平(STP)的氪氣中計數極低濃度的85Kr和81Kr原子。”盧征天對記者解釋道，通過技術改進，他們目前已經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。現在，中國科學技術大學是國際上唯一擁有有能力實現地下水采樣、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技術加持下，Kr同位素定年法已成為國際上公認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、3H、14C、81Kr和85Kr以及水化學成分等多種示蹤定年和數值模擬等技術，研究團隊在鉆孔內確定了詳細的地下水位、年齡和地球化學實測剖面。

“這些剖面可以幫助我們更好地區別地下水多級嵌套系統之間的界面。”張俊說，通過將這些實測剖面與數值模擬結果得到的地下水流場和年齡場進行對比驗證，就可以基于多種證據圈定地下水系統的空間結構，從而有效識別并精細刻畫出地下水系統的多級嵌套結構。

與前人在鄂爾多斯盆地的研究結果（地下水最大年齡4萬年）相比，該研究首次發現超過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準確，使人們對鄂爾多斯盆地地下水循環規律的認識達到了新的高度。

“這是我國地下水科學界20年努力的一個里程碑式的進展。”龐忠和告訴《中國科學報》：“如果說上個世紀澳大利亞大自流水盆地的研究給人們呈現了大型沉積盆地地下水循環的宏大格局的話，今天我國的鄂爾多斯盆地則展示了這個循環系統的豐富內涵和精湛細節。而這恰恰反映了其本質特征。”

而在研究中先后涌現的科技突破——研究團隊成功實現了packer和ATTA設備的國產化，更讓龐忠和心生感慨：“從同位素水文地質學角度來講，packer和ATTA兩項頂尖技術整合起來，再加上科學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了。”

為“深地”應用筑牢科學基礎

談及該研究的意義，龐忠和表示，總的來說，這是一項應用基礎研究，其對區域尺度地下水系統理論研究提供了重要佐證；并且它結合了地球系統科學的概念，也有力推動了地下水科學向前進步。

不僅如此，盡管目前還無法直接評估該成果的實際應用價值，但其對于深地資源和空間利用的指導意義仍然非常可觀。

“比如核廢料處置、二氧化碳地下封存等，需要尋找一個安全、穩定的地下環境，只有類似區域尺度地下系統被精細刻畫出以后，人們才好決定去哪兒封存。”龐忠和展望道，這在當前“碳中和”背景下意義深遠。

當然，這類研究對于地下水的資源評價和可持續開采而言，是必不可少的理論基礎。

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之一的新疆，居然也時不時會發生洪水現象——這是全球變暖、氣溫升高以后冰川融化退縮的結果。干旱地區發洪水的時候怎么辦？“當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。這作為應對氣候變化的一個手段，現在已經行動起來了。”

此外，相應的理論成果還將進一步指導區域地熱資源開發、地下空間利用等的開展。龐忠和說，在當前全球應對氣候變化的大背景下，“深地”開發是一個重要手段，但在之前，“我們需要先解碼”。

該項研究是基于中國地質調查局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，由中國地質調查局西安地質調查中心牽頭，先后聯合中國科學院地質與地球物理研究所、中國地質大學（北京）、南京大學、長安大學、中國科學技術大學等多個科研團隊，包括澳大利亞弗林德斯大學專家共同參與，在國家和國際原子能機構（IAEA）項目支持下，經過長期研究獲得的成果。

標簽：地下水科學研究量子測量技術激光冷卻原子阱技術同位素分析