作者:赵广立 来源: 中国科学报 发布时间:2021-8-18
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把看不到的地下水流“画”出来
为气候变化大背景下的“深地”开发解锁密码

 

■本报记者 赵广立

“人往高处走,水往低处流”揭示着世间再平常不过的规律。然而,在我们脚下的“深地”,水不一定只往低处流。

近日,我国同位素水文地质领域的研究人员主导、发表在《地球物理研究快报》上的一篇国际合作研究论文,不仅佐证了地下水“并不只往低处流”,更揭示了地下水循环的丰富内涵和精湛细节,这将为我国深地资源开发利用提供难得的科学基础。

地下水多大岁数?取出来测一测

地下水循环的问题在地下水科学研究领域有极其重要的基础地位。然而,地下水“不可见”及其水系统结构复杂的属性,使得人们很难在野外识别它,这大大限制了地下水系统理论的完善和相应的“深地”开发利用。

看不到,就把它“画”出来。在内蒙古高原的鄂尔多斯盆地,科学家以这里的地下水系统为对象,展示他们的“绘画天赋”。不过,他们用来作画的“笔墨”,是钻井剖面上的地下水年龄数据和地球化学成分信息。

论文通讯作者之一、中国科学院地质与地球物理研究所研究员庞忠和告诉《中国科学报》,通过摸底不同地点地下水的年龄、水位等情况,再结合化学成分特征画线,找到“转折点”,就能准确描摹地下水的多级嵌套循环系统。

首要的问题是精准取样。这并不容易——由于钻孔内地下水一般处于运动状态,传统的“全井抽水”试验方法很难取到不同深度的分层样品。

创造、改进试验和测试技术,是研究团队要闯的第一道关。

庞忠和告诉记者,本次研究所使用的“双栓塞分层抽水试验系统”,是中国地质调查局水文地质环境地质调查中心研究人员在引进国外设备的基础上重新设计的,并对设备材质、耐压性能、止水效果等加以改进,以适应我国深井高水压条件下的分层取样要求。

“国产新设备可以满足水文地质勘查工作需要。”论文第一作者、中国地质调查局西安地质调查中心高级工程师张俊对《中国科学报》介绍说,“在鄂尔多斯盆地,我们通过控制取样流量和降深以及建立水质现场监测评价方法,避免了取样过程中‘层间越流’和外来水混入的可能。”

他表示,这些举措有效提高了采样质量,为精细刻画地下水系统打下了可靠基础。

取样之后是“定年”。“本次研究采用了最新的氪(Kr)同位素定年技术。”庞忠和向《中国科学报》介绍说,水中极微量的Kr是惰性气体,81Kr的半衰期达23万年,定年范围可达130万年,且81Kr在地下无干扰源,化学性质稳定,不和其他物质发生反应,是古老地下水的理想定年方法。

然而,81Kr同位素在自然界中的丰度极低,传统手段难以检测,导致该方法的应用长期受限。

在破解这一难题时,量子测量技术发挥了重要作用。庞忠和告诉记者,5年前他们和中国科学技术大学教授卢征天团队合作,共同开展测量技术和应用条件的研究。基于激光冷却原子阱技术(ATTA),卢征天团队自主研发了ATTA痕量同位素分析实验装置,为81Kr的痕量分析提供了“测量神器”。

“ATTA可以在每微升为10-14同位素水平的氪气中计数极低浓度的85Kr和81Kr原子。”卢征天表示,通过技术改进,目前已经获得了更高的原子冷却、收集和检测效率,可将Kr同位素定年实际应用所需的地下水样品量从200千克减少到20千克,并提高了测量精度和定年范围,大大拓展了该方法应用领域。

“在ATTA技术加持下,Kr同位素定年法已成为国际上公认最好的古地下水定年方法。”庞忠和说。

让地下水流“显形”

综合运用地下水分层抽水试验系统,3H、14C、81Kr和85Kr以及水化学成分等多种示踪定年和数值模拟技术,研究团队在钻孔内确定了详细的地下水位、年龄和地球化学实测剖面。

“这些剖面可以帮助我们更好地区别地下水多级嵌套系统之间的界面。”张俊说,他们将这些实测剖面与数值模拟结果得到的地下水流场和年龄场进行对比验证,就可以基于多种证据圈定地下水系统的空间结构,从而精细刻画出地下水系统的多级嵌套结构。

与前人在鄂尔多斯盆地的研究结果(地下水最大年龄4万年)相比,该研究首次发现超过20万年的地下水,得到的地下水年龄剖面比以往研究更加精确,使人们对鄂尔多斯盆地地下水循环规律的认识达到新高度。

“这是我国地下水科学界20年努力的一个里程碑式的进展。”庞忠和告诉《中国科学报》,“如果说上个世纪澳大利亚大自流盆地的研究呈现了大型沉积盆地地下水循环的宏大格局,那么今天我国鄂尔多斯盆地的研究则展示了这个循环系统的丰富内涵和精湛细节,这恰恰反映了其本质特征。”

为“深地”应用筑牢科学基础

谈及该研究的意义,庞忠和表示,该研究为区域尺度地下水系统理论研究提供了重要佐证,并且它结合了地球系统科学的概念,有力推动了地下水科学的进步。

尽管目前还无法直接评估该成果的实际应用价值,但其对于深地资源和空间利用具有指导意义。

“比如核废料处置、二氧化碳地下封存等,需要寻找一个安全、稳定的地下环境,只有类似区域尺度地下系统被精细刻画后,人们才好决定去哪儿封存。”庞忠和展望道,这在“碳中和”背景下意义深远。

同时,这类研究对于地下水资源评价和可持续开采而言,提供了必不可少的理论基础。

庞忠和举例说,近年来,作为世界上3个极端干旱区之一的新疆,居然也时不时会发洪水——这是全球变暖、气温升高以后冰川融化退缩的结果。干旱地区发洪水的时候怎么办?“当我们了解清楚地下水文状况后,我们给新疆提出了具体建议:把多余的冰川融水存在地下,建一个地下水库。这作为应对气候变化的一个手段,已经付诸行动。”

庞忠和说,在当前全球应对气候变化的大背景下,“深地”开发是一个重要手段,但在此之前,“我们需要先解码”。

相关论文信息:https://doi.org/10.1029/2020GL092337

《中国科学报》 (2021-08-18 第1版 要闻)
 
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