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放射性碳测年技术助力监测地下水体污染

中国科学报 2017-05-05 09:23:21

[导读] 日前,中国科学院地理科学与资源研究所副研究员韩冬梅团队通过系统收集全国范围内的海量调查数据,对我国地下水硝酸盐污染、水体有机污染进行了全面分析评价。

日前,中国科学院地理科学与资源研究所副研究员韩冬梅团队通过系统收集全国范围内的海量调查数据,对我国地下水硝酸盐污染、水体有机污染进行了全面分析评价。

 

结果显示:滨海地区特别是滨海岩溶地区地下水中硝酸盐污染程度远高于内陆地区。氮同位素污染示踪表明,除了农业施肥,土壤中氮素和生活废水排放也是影响地下水中硝酸盐分布的重要因素。

含有大量硝酸盐的饮水,在人体内可被还原为亚硝酸盐使人中毒,或是产生致癌、致畸、致突变的物质。“地下水放射性碳测试可以作为监视地下蓄水层被过度开采的工具,用以防止地下蓄水层被污染或者被过分开采。”韩冬梅表示。

同位素作为水循环与水系统研究的重要手段之一,随着测试技术与模拟方法的不断发展,其应用范围正在日益扩大。近期举办的2017同位素水文与生态环境应用研讨会上,各位专家就同位素的不同应用领域发表了看法,备受关注的还是地下水污染问题,“面对地下水污染,特别是复合污染源识别,同位素技术显得越来越重要”。环境保护部规划院地下水和饮用水源保护室主任刘伟江表示。

地下水放射性碳测年

不同的同位素有不同的应用领域。稳定同位素可在降水—地表水—地下水相互作用、环境溶质运移、生物地球化学循环过程等方面起到示踪的作用;放射性同位素在冰芯、地下水、海洋洋流等水体的定年上发挥着重要作用。

地下水放射性碳测年可以表明地下水停止和空气等其他物质直接接触的时间,例如它可以表示水何时流入地下。地表水和降雨从空气中吸收少量二氧化碳后流入地下。离开大气层后,水开始接触到土壤气体,在这里植物根的呼吸作用产生的二氧化碳要高得多。中国科学院地质与地球物理研究所副研究员秦大军指出,这些来源中的放射性碳被称为“现代”级别,在年龄计算中可以作为参考。

通过提取水中的碳酸盐用于放射性碳测年,该测量可以提供有关地下水沉积补给以及水流流向和频率的信息。而如果含水层含有化石碳,如泥炭或者褐煤,那么放射性碳测年可能会出现模棱两可的结果,而这些含水层也不适合运用放射性碳测年这个方法继续研究。

“来自表层的水能够提供有用的表观‘年龄’,但是存在着一个无法避免的问题,那就是碳稀释校正。”秦大军解释说,因为在水中,二氧化碳在压力下很容易形成气泡涌出而出现同位素效应。在这种情况下,我们无法计算一个“最佳预计年龄”。

揭示含水层污染

随着人口密度的增加,人们对含水层的需求也将成倍增加。但是过度开发最终将导致水供应不足,尤其是距离含水层补给区远的地区,产生的影响也较大。

由于人口聚集,住房和工业开发都尽量向工业产量最高的方向扩展。然而,如果开发区域侵占到补给区,当抽水超过补给时,为满足迫切需求而钻的新井就有可能造成水供应短缺。

在一家监测公司中,放射性碳测年与地下水一栏给出了解决方案,通过定期监测一个区域内水井系统的水放射性碳年龄,科学家可以获得实验证据,从而让开发商意识到过度开发,避免失控。一旦住宅或产业已建成,要限制其水供应则会变得非常困难。水的放射性碳测年可以提供一种机制,用来监测、了解和控制含水层的开采。

碳元素表达地下水补给的多寡,氚元素能揭示地下水的污染情况。世界卫生组织的《饮用水水质准则》称,在自然界中可能天然地存在很少量的氚。但在水源中检测出氚,意味着潜在的工业污染。

据近日发表在《自然—地球科学》上的一篇论文介绍,地下水的开采,供给了全球40%的农业灌溉和数十亿人饮用。全球地下水资源储量超过地球上所有湖泊总水量的100倍。

研究人员检测了全球超过6000口水井,包括地层中不超过一千米深处的地下水。他们在超过一半的水井中检测到了微量的氚。这意味着,虽然古地下水深埋在地下,也并非像人们此前认为的那样免受人类社会的污染。

论文中还介绍了另一个坏消息,地层深处、已经被储藏了超过1.2万年的古地下水,也可能遭到了人类社会的污染。

提供反向推断依据

氚是氢的放射性同位素,又被称为人工核素,它是核动力反应堆和核武器试验的裂变产物。据介绍,上世纪50年代后,世界多个国家的热核试验,如核弹试验,释放出大量的氚,导致自然降水的氚含量升高了5倍,甚至500倍。“因为如此显著的改变,氚成为研究地下水循环的理想的示踪剂。”秦大军说。

氚的半衰期只有大约12年,所以,“年龄”高达1.2万年的古地下水,理论上,即使含有氚,其含量也应该非常低以至不能被检出。所以,一旦在古地下水中检出氚,这些氚有可能都是来自于近年来的地面降水。是这些地面降水,将人为释放的氚从地面带到了古地下水中。有氚,就会有其他污染物。而由于地层很深,这些污染物可能会在古地下水中滞留很久,可能达到上千年。

“同位素正是提供了以上反向推断的依据和逆问题求解的思路,以此为借鉴,人类才能把握科技的发展方向,不致断送将来的生态环境。”中国科学院地理科学与资源研究院研究员宋献方表示。

(原文标题:同位素定年技术助力监测地表水污染)

[整理编辑:中国测控网]
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