地下水碳测年 – 概念及实际应用

  • 放射性碳测年可用于监测含水层的过度抽水。
  • 建议每半年或每年对地下水进行一次放射性碳测年。
Water Well

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,详见 “地表水污染和整治” (pdf)。

地下水放射性碳测年可以与古水文和化学分析结合使用。当涉及到多样测量或者顺序取样的时候,放射性碳测年将得出最好的结果。最有效的数据来自于数据的对比而不是某一确切年龄。

对于多样测量,取自泵里的地下水的表观年龄随距含水层的岩层露头的距离变化而改变,这可以作为一个验证水流速率的方法,同时表明存在过度开采的情况。对于每6个月或者12个月对一个特定的井顺序取样,随着时间标绘每次水表观年龄的任何变化。尤其是如果水的年龄变年轻了,这通常是由于开采到更多浅水层的原因。放射性碳测年对于(地下水)即将受到地表层水污染(这一趋势)具有事先通知的潜力。

地下水放射性碳测年

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。然而,对于生存于含水层露头区和空气中的植物,在计算它们产生的碳酸盐种类时还需考虑到含水层(母岩)中古代碳沉积的作用,这增加了许多不确定因素,使得测年结果存在误差。由于这个原因,地下水的放射性碳测年在重复取样的时候变得最有效。在这个情况下,存在不确定因素而获得的绝对年龄并不是解读的主要数据。未校正的表观年龄才是主要数据。它们在研究中和其他表观年龄进行对比。这可以很大程度的修正不确定因素。在所有情况下,最有效的数据都是来自这些对比而不是某一确切年龄。同样地,未修正的表观年龄也可以被解释为最大年龄等,地下水的真实年龄可能等于或者小于它们的表观年龄。

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。这对于来自10- 40,000 年的样品都有效。

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)气体分压产生的二氧化碳要高得多。这些来源中的放射性碳被称为“现代”级别,在年龄计算中作为参考。一般情况下,一个含水层需从20至60口以上的水井中取样。若取样少于10口井则不适合研究,在此情况下,年龄的解释会不够准确。

若含水层含有化石碳,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,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”。

预防含水层污染和开采限制

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最远的地区,产生的影响将最大。

由于未得到充分利用的土地一般都环绕人口稠密区,因此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。

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。幸运的是,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。

groundwater ages

图 1 – 地下水的放射性碳测年作为一个显示距离含水层露头的函数。这个典型案例表明层状地下水流动区域位于距离露头不同的位置三种抽运频率。最后一口井表明过度开采并且从浅水层引入了水。

监测地下水放射性碳含量

定期监测水井的放射性碳含量,可以了解泵压头处源水的稳定性和变化。水的放射性碳年龄逐年下降表示地表水已渗入地下水。这可能是过度抽取水井或其他区域的钻井扩大造成的。两种情况都表明被污染的地表水最终有可能污染饮用水的供应。

radiocarbon age of groundwater

图 2 – 每年对某一独立的井取样进行的地下水放射性碳测年。在这个典型案例中,显示了这口井在1995年开始了一个新的抽水系统, 大大提高了这个区域的抽运率。放射性碳测年将用于观察在表面水开始入侵之前浅层水是否有增加趋势或者曲线是否开始变得平缓。

使用放射性碳测年方法最好是每年或每半年对某一独立的井取样。获得的数据将用于跟先前的年份进行对比。特定的井每6个月或12个月顺序采的水样的放射性碳年龄多年保持不变是最理想的情况。

放射性碳自然地存在于地下水中,因此这种测定不需要在含水层中添加任何的物质。此外,测定是在水供应没有被污染之前进行的。这对地区内部和地区之间的水资源管理具有重要的经济和环境影响。

一个关于地下水放射性碳测年的综合讨论,包括放射性碳年龄计算,如下: