【水不只往低处流?重磅论文揭示地下水密码:“看不到地下水流,就把它‘画’出来”】“人往高处走,水往低处流”这句话,揭示着世间再平常不过的规律。然而,凡事都有个例外,比如,在我们脚下的“深地”,水不一定只往低处流。

地下水如何循环,是地下水科学研究最基本的问题之一。尽管早在1963年匈牙利裔加拿大科学家J. Tóth就用解析方法绘制了地下水系统复杂的多级嵌套结构,但人们很少从现场观测和试验中真正认识地下水流情况,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。

8月9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》(GRL)上的一篇重磅国际合作研究论文——《钻井地下水年龄和化学成分剖面上转折点揭示盆地多级嵌套地下水系统》https://t.cn/A6IaUI49,不仅佐证了地下水并不只是“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。

论文在线发表后,《中国科学报》联系采访了该论文的第一作者、中国地质调查局西安地质调查中心高工张俊,以及论文通讯作者之一、中科院地质与地球物理研究所研究员庞忠和。

△ 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的基础地位,堪比爱因斯坦定律之于物理学。然而,与地表水相比,地下水“不可见”及其水系统结构复杂的属性,使得人们在野外识别它的难度很大。

看不到它,就把它“画”出来。在内蒙古高原的鄂尔多斯盆地,科学家们以这里的地下水系统为对象,施展起了他们的“绘画天才”。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。

水从地表渗入地下开始算起,到采样时所经过的时间,就是地下水的年龄。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。

而要获得实测地下水年龄和化学成分,首要的问题就是要精准取样。然而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,而详细的分层样品数据恰恰是刻画地下水系统结构的关键信息。

工欲善其事,必先利其器。创造和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,双栓塞(double-packer)地下水分层采样与试验系统最早于本世纪初经由国际原子能机构(IAEA)技术合作项目引入我国,在深层地下水勘查和高放核废物地质处置选址项目中开始应用。但是,它在实践中也遇到一些问题。2010年以后,中国地质调查局水文地质环境地质调查中心的研究人员重新设计了“双栓塞分层抽水试验系统”,在设备材质、耐压性能、止水效果等方面加以改进,使其能够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。”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,并通过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。”张俊表示,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的基础。

取样之后就是“定年”。不过,常用的氚(3H)和碳(14C)同位素方法测定上限分别为60年以内和4万年以内,这对于年龄动辄超过4万年的大型盆地深层地下水而言,显得不够用。

“本次研究采用了最新的氪(Kr)同位素定年技术。” 庞忠和对《中国科学报》介绍说,5年前我们和中国科技大学教授卢征天团队合作,开展测量技术和应用条件的研究。

Kr是惰性气体,81Kr的半衰期是23万年,定年范围可达130万年,而且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。但该方法的应用长期受限,这缘于81Kr同位素在自然界中的丰度极低,传统方法很难以检测到。

在破解这一难题过程中,量子测量技术发挥了重要作用。庞忠和告诉记者,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”,现在定年只需要20千克水样,大大拓展了该方法应用领域。

卢征天团队也是本次研究的重要参与者。他告诉记者,ATTA是一种量子测量技术,该方法可实现单原子水平的计数,具有极高的灵敏度。

“ATTA可以在每微升为10-14 同位素水平(STP)的氪气中计数极低浓度的85Kr和81Kr原子。”卢征天对记者解释道,通过技术改进,他们目前已经获得了更好的原子冷却、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200kg减小到 20kg,并提高了测量精度和定年范围。现在,中国科学技术大学是国际上唯一拥有有能力实现地下水采样、气体分离提纯和ATTA同位素分析完整流程的实验室的单位。

“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等技术,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,通过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,从而有效识别并精细刻画出地下水系统的多级嵌套结构(如图)。

地下水流1的副本.jpg

鄂尔多斯乌审召盆地地下水系统的多级嵌套结构:(a)图是地下水流系统多级嵌套结构示意图,(b)图是地下水流和年龄数值模拟结果。张俊 供图

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细准确,使人们对鄂尔多斯盆地地下水循环规律的认识达到了新的高度。

“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水盆地的研究给人们呈现了大型沉积盆地地下水循环的宏大格局的话,今天我国的鄂尔多斯盆地则展示了这个循环系统的丰富内涵和精湛细节。而这恰恰反映了其本质特征。”

而在研究中先后涌现的科技突破——研究团队成功实现了packer和ATTA设备的国产化,更让庞忠和心生感慨:“从同位素水文地质学角度来讲,packer和ATTA两项顶尖技术整合起来,再加上科学深钻连井剖面的研究平台,无疑是做深层地下水科研的最好状态了。”

△ 为“深地”应用筑牢科学基础

谈及该研究的意义,庞忠和表示,总的来说,这是一项应用基础研究,其对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,也有力推动了地下水科学向前进步。

不仅如此,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的指导意义仍然非常可观。

“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出以后,人们才好决定去哪儿封存。”庞忠和展望道,这在当前“碳中和”背景下意义深远。

当然,这类研究对于地下水的资源评价和可持续开采而言,是必不可少的理论基础。

庞忠和举例说,近年来,作为世界上三个最干旱的极端干旱区之一的新疆,居然也时不时会发生洪水现象——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?“当我们了解清楚了地下水文状况后,我们给新疆提供了具体建议: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,现在已经行动起来了。”

此外,相应的理论成果还将进一步指导区域地热资源开发、地下空间利用等的开展。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,但在之前,“我们需要先解码”。https://t.cn/A6IaUI4C

念佛当“深信”:信因果——散乱称名犹为成佛种子,何况一心不乱,安得不生净土!

蕅益大师在《弥陀要解》中提出了“六信”,亦即信自、信他、信因、信果、信事、信理。在前面两篇文章中,我们详细解释了信自心(亦即信自)和信佛言(亦即信他)的含义。今天,让我们来聚焦六信中的第三、四两条,也就是对因和果的深信。

这里所说的因果,并非我们一般所说的广义上的因缘果报,而是专就念佛法门中的因与果。蕅益大师对此有这样一番说明:“信因者,深信散乱称名,犹为成佛种子,何况一心不乱,安得不生净土!是名信因。信果者,深信净土上善聚会,皆从念佛三昧得生,譬如种瓜得瓜、种豆得豆,亦如影必随形、响必应声,决无虚弃,是名信果。”

《法华经》中说:“若人散乱心,入于塔庙中,一称南无佛,皆共成佛道。”就是一个平常不念佛也不学佛的人,他入到塔庙之中,看见佛像或是佛号的文字,临时念了一句“南无佛”,就种了成佛的种子,将来一定会成佛的。

佛在世时,有一个老者来到僧团,要求出家。智慧第一的舍利弗尊者就用神通观察他有善根,发现他八万四千劫里都没有种过一点善根,所以决定不度他出家。然而这个老者发了很大的心要来出家,舍利弗不度他,大失所望,于是嚎啕大哭。这一哭恰巧被释迦世尊听到了,询问之下了解了其中缘由。佛对这个人说:他不肯度,我来度你,你出家很好嘛!就给他剃头换衣服,等把出家典礼行好了,他已经证了阿罗汉果。

舍利弗知道后,心里生了疑惑,诸大弟子也都生了疑惑,因为释迦世尊以前开导过他们,度人出家要观察他有没有善根,没有善根出家是出不好的。舍利弗尊者观察这个老者八万四千劫都没有种一点点善根,释迦佛为什么度他出家呢?而且他出了家,怎么这么快就证了阿罗汉果呢?便来请问世尊。

释迦世尊对他说:这个人八万四千劫以内没有善根,你用声闻的宿命通观察一点没有错误。但是你要知道,你们声闻阿罗汉果的神通,只能以观察到八万四千劫。八万劫以前,这个人是个樵夫,就是上山打柴的人,这一天他上山打柴,遇见一只老虎。老虎要吃人,樵夫就逃命,遇见一棵大树就赶快爬到上边去,这只老虎上不了树,在树底下干着急,就放弃吃他走了。

老虎走了以后,樵夫逃了命,很庆幸自己今天遇见老虎没有失命,就念了一句南无佛,就像我们平常人不是要修净土的人,偶尔说着话也会一句阿弥陀佛。他自己庆幸今天没有丧失生命,就念了一句南无佛。就散乱心念了这一声南无佛,便种了个种子下去,到了今天善根成熟了,就是念佛的种子要发现行,所以要出家,我就给它剃度,剃度了就证阿罗汉果。

散乱心称一句佛的名号,哪怕只是随口念了一句“南无佛”,都是我们将来成佛的种子,称念佛名的功德利益有如此之大!何况我们循着释尊的教导,向着弥陀的悲愿,以至诚恳切之心,深信净土法门,发愿求生西方,朝念暮念,直至一心不乱,又怎会不往生极乐世界呢?所以,要对这一句佛号深信不疑,这就是我们将来往生之因。

接下来说信果,《阿弥陀经》上描述极乐世界时说:“诸上善人,俱会一处。”这诸上善人都是从念佛三昧得生的。梵语三昧,翻译为中文就是正定,念佛三昧就是念佛念到一心不乱,念所得的正定。念佛是因,得生西方而不退转就是果法。已经有如此之多的“诸上善人俱会一处”为我们作了证明,对于这个果,难道还有什么可怀疑的地方吗?

蕅益大师还说了四个譬喻:犹如种瓜得瓜、种豆得豆,又好像是影必随形、响必应声。所谓影必随形,指的是影子一定随着你的身形。身形是正正直直的,那个影子决定正正直直的;身形要是弯弯曲曲的,照的影子出来决定是弯弯曲曲的。念佛是正法,决定生净土,就是等于你的身形是个正直的身形,一定不会弯曲。

所谓响必应声,响就是回声,比如在山谷里喊一声,就会有一个回声。你喊的声小,那边回的声小;你喊的声大,它回声大;你要是叫一声骂人的话,对方回你一声决定是个骂人的话;你在这边说南无阿弥陀佛,那个回声决定是南无阿弥陀佛。我们念的是佛,依此念佛之因当然能够得生阿弥陀佛所住持的极乐世界,这决定没有错误。平常我们说功不唐捐,便是这个意思,这就名叫信果。

我们这个娑婆世界,实实在在是一大苦海,如《法华经》中说:“三界无安,犹如火宅,众苦充满,甚可怖畏。”我们四边都是烦恼火在烧、渐渐烧到眉毛来了,如果不赶快念佛求解脱,将来继续轮回,就不能出苦,不知道要受苦多久。“人身难得,佛法难闻”,那么不容易得到的人身今生已经得到,有着如此殊胜因果的念佛法门现在已经听到,更要努力念佛,好好修行,达成释迦世尊度化众生,究竟出苦的本怀。#佛教##佛法看世间#

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