【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

《小屁孩能有什么坏心眼》④

  “啊?录推广怎么还要去宾馆?你小子该不会推什么不正经玩意儿吧”昨晚难得睡了个好觉,莫关山一早接到见一的电话忍不住和他逗个趣。

  “哟,听你这口气,这是把小少爷哄好了?”

  莫关山听出见一在那边啃着苹果,悠哉悠哉的,他笑道:“怎么?你还生他气了,孩子嘛”

  听着莫关山语气里的宠溺,见一故意抖了抖浑身的鸡皮疙瘩:“啧啧啧,都快十八了吧,还孩子呢,他妈都不带这么宠他的吧”

  闻言,莫关山笑着的脸上一僵,想起男孩当时冷漠的那句“死了”

  两人都陷入了沉默,许久莫关山缓缓道:“他妈妈似乎很早就去世了”

  见一那边久久没有言语,许久才淡淡的说了句:“真羡慕贺天遇到了你”

  话罢,莫关山还不得深思,见一那边就又突然变得嘻嘻哈哈:“每天都可以吃土豆炖牛肉”

  “想吃的话就过来呗,反正我现在每天都在家。”

  见一看着手里的苹果瞬间就不香了,思索了片刻才回道:“算了吧,太远了”

  “别逼逼了,晚上过来昂,我要和贺天打球去了,挂了。”不用想,莫关山都知道见一自回去以后就天天窝家里和以前一样吃垃圾食品,也不和他啰嗦就挂了电话。

  换衣出门,莫关山刚准备上楼叫贺天,就看着那扇门缓缓打开,入眼便是少年逆天长的腿,单手托着篮球拽拽的从楼梯上走下。

  明明都是黑长裤和黑T恤,怎么贺天穿着就那么贵气呢!

  “莫哥”

  “你们学校不用穿校服吗?”莫关山发现自己最近总是走神。

  “我不喜欢”

  “……”成绩好就是牛,正走着的莫关山突然止了步子,转头问道,“贺天,你觉得如果我想开餐馆,A市哪里合适?”

  看着莫关山期待的样子,贺天不假思索道:“金融中心”

  知道莫关山是想让他规划一下,给他找个参考,可贺天还是说了自己私心的答案,他以后会报考A市财大,工作地点必然A市金融中心,上次他去那里参加股票模拟大赛,中午都没个吃饭的地方,到处都是西餐、快餐,他只想来份莫哥做的土豆炖牛肉。

  看着贺天不像逗他的眼神,莫关山心里开始有了打算,确实,那一块连着十栋办公楼,因为门面贵,大多开了些高档餐厅,没有中餐。

  那里,他之前也是考量过的,可他的钱现在还是差的太多了。

  “啧”莫关山舌尖抵了抵牙关,怕什么,钱不都是一步步挣来的,他笑着从贺天手里极快的夺了球,见少年还傻看着他的样子,挑衅道:“小孩,你这不行啊”

  贺天的篮球技术是莫关山教的。

  莫关山拍着球进了球场,贺天看着那个背影大步跟了过去。

  进了球场,莫关山就变得认真起来,打球的时候也特别较真,处处不让贺天一分。

  空旷的篮球场上只有篮球架被砸的哐哐声,这样的动静持续了快一个小时,莫关山扶着膝盖弯腰喘气。

  “md…真不行了,以前在校队…打一下午都不成问题的…”

  “莫哥,喝水”

  看着眼前打开瓶口的体能水,莫关山笑了笑,起身抬头间冲贺天挑了挑眉,“谢谢昂”

  这个动作在球场男生之间很常见的,当然也有男生故意冲看台女孩子耍酷。

  可这些姿势在贺天看来都十分不入眼,可就莫关山刚才那一下,贺天听到了自己的心跳声,比打篮球时跳的还快。

  看着大口灌水的莫关山,贺天的眼神随着他耳鬓的汗一起滚到了小巧的喉结:“莫哥,以后可不可以只和我打篮球”

  “嗯?嗝~”喝撑了的莫关山长舒了一口气,“自打离开校队,我就和你打过”

  “我说以后”

  “以后?多久的以后?过几年你莫哥八成是跳不动了”

  “莫哥才25,还年轻”

  “……”??莫关山又气又想笑,“贺天你这样说话,一天在学校真的不会挨打吗?”

  “他们打不过”

  “哦呦”莫关山就喜欢贺天这幅凡事云淡风轻的拽劲,上前勾着他的肩膀夸赞道,“不错昂,有我当年的风范”

  “莫哥打架很厉害?”

  莫关山漏出了一副那必须的样子,勾着他往小区出口走去。

  贺天知道,是要去超市了。

  “当年为了和千万个学生争我那教导主任的妈,校规校纪,我一条都没放过。”

  “你妈妈严厉吗?”

  正吹当年的莫关山一愣,差点忘了小孩脆弱的心灵。

  “我不介意,就是想问阿姨严厉吗?”

  莫关山勾着贺天所以两人离得很近,看着那双纯粹的黑眸,莫关山抬手揉了揉他的头发,“等我把事业搞起来,带你回去看看”

  “嗯”贺天突然笑了。

  从眼底的那种笑意。

  “……艹!”莫关山震惊后忍不住爆了粗口。

  “乖,给哥哥再笑一个”莫关山勾着贺天的下巴,活像个调戏良家小孩的流氓。

  “莫哥,在外面呢”被莫关山勾着蹭,贺天呼吸都快不稳了。

  看小孩脸都红了,莫关山也不逗他了,站正后揉了把他的顺毛,语重心长道:“孩子嘛,就要多笑笑,阳光一点”

  “好”

  “今儿表现不错,奖励一份土豆炖牛肉”

  “嗯”贺天又乖乖笑了一下。

胸襟的宽窄,决定命运的格局,你能包容多少,就能拥有多少。凡事看得开、想得透、拿得起、放得下,学会隐忍性情,懂得克制欲望,退却时理智,谦让时大度,你的天地才会壮阔辽远;唯有万事先修德,养性必制怒,删除繁枝末节,除却杂念私心,多些随缘自适,少些攀比计较,人生方可行云流水,成大风景。 ​​​​


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