陈宗宇-华北平原地下水研究中的同位素技术应用-2020共享版.pdf
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华北平原地下水研究中的同位素技术应用 陈宗宇 中国地质科学院水文地质环境地质研究所 2020年11月 地下水年龄测定及年龄结构 3H和14C的指示 ⚫ 山前：3H: ～30TU, 14C: 60～112pMC， 年龄< 60 年， 年轻水，young water ⚫ 中部：3H: <1TU, 14C: 20～<1pMC， 年龄 60～5万年， 年老水，old water ⚫ 滨海：3H: <1TU, 14C: <1pMC， 年龄 >4万年， 古老水,very old water 地下水年龄测定及年龄结构 山前地下水（年轻）的年龄测定： —3H、3H-3He和SF6方法 氚：< 50年， SF6和3H-He：5-40年 地下水年龄测定及年龄结构 中部平原地下水（年老）年龄测定：—14C方法 ⚫ 刘存富教授，1985 第二和第三含水岩组1万-1.5万年 (深度< 300m) ⚫ 张之淦教授, 1985，石家庄—衡水—沧州—渤 海湾同位素水文地质剖面 第三含水岩组1万到大于2.5万。 地下水年龄测定及年龄结构 陈宗宇：2004——2005，石家庄—衡水—沧州—渤海湾 ➢ 14C 样品—AMS 120 ✓ 中部平原最老4万年, pMC ✓ 东部沿海平原超出测年范围（井深>400m） 14C 100 80 60 40 20 0 40000 30000 20000 10000 100 Age (yrs) 0 200 Distance km 300 beyond 14C dating range > 20 kyr (14C) 7 - 13 kyr (14C) 50 30 10 < 50 yr (3H) 0 50 Distance (km) 100 150 200 250 300 350 400 地下水年龄测定及年龄结构 中部平原地下水（年老）年龄： —14C、4He法 (Wei wen 2005) • 4He : 9千——5.5万年 • 14C : 8千——4万年 地下水年龄测定及年龄结构 滨海平原地下水（古老）年龄测定：—36Cl方法 Liu et al., 1993; Dong et al., 2002 III: 9万年 —26万年. IV: 30万年—77万年 地下水年龄测定及年龄结构 滨海平原地下水（古老）年龄测定：—4He方法 滨海平原地下水含有幔源 4He，年龄测定方法无效 地下水年龄测定及年龄结构 新技术带来的突破： 中国科大卢征天教授团队： ATTA-Kr-81定年技术 • 发现东部滨海区深部地下水年龄～1Ma, 0.3 ～ 1Ma 10 kyr～0.2Ma 地下水年龄测定及年龄结构 ➢ 改进4He测年方法—81Kr校正，解决了长期以来4He测年的技术难点—幔源氦影响问题 4 corr = ( Heterr J0 + AHe ) Z0 w 解决办法一：集中参数法 难以量化，外部来源4He进入含水层底部的基通量 （经验数值，统计值）。 解决办法？——放射性核素“标定/校准” 解决办法二：模型模拟拟合法 用81Kr年龄来约束和拟合地下水中的4He年龄计算 模型参数。 地下水补给及其变化 现代补给区——氚分布 0 20 40 60 80 100 北京山前:～120 m W el l dep th (m ) 0 100 石家庄山前:～150 m 200 b 300 3 天津山前:～150 m H (TU) 黄河扇:～200 m 120 地下水补给及其变化 现代补给机制——年龄分布 ⚫ 年龄与井深相关 → 垂直补给为主， ⚫ 有效孔隙度0.12-0.16，计算垂向平均渗透速 度： 0.24-0.32m/a（降水、灌溉、井灌等）。 ⚫ 40 km 以外年龄随距离增加——山前侧向补给 ⚫侧向补给渗透速度（孔隙度 0.12-0.16 ） 地下水降落漏斗区：140~180 m/a； 地下水降落漏斗外：70~110 m/a 。 地下水补给及其变化 天然降水补给强度及其变化-人工氚示踪 正定试验场，1987年投放，2003年取出。 1987年～2003年间的天然平均补给强度 在9.7m处有一个明显的峰值（16年）， 相应的向下运移速度约0.6m/a。按照包气带有效孔隙度 为0.15计算，平均补给强度为R=0.095m/a。 地下水系统响应及可持续性 11个重复取样点: 1985— 2014. ✓ 山前平原: S1、S2 、S3. ✓ 山前平原和中部平原过渡 带S4 、 S5 ✓ 中部平原: S6 to S11 地下水系统响应及可持续性 山前平原——石家庄 地下水系统响应及可持续性 中部平原（承压含水层）——衡水——沧州 追踪硝酸盐污染源变化 二维同位素组成图δ15N— δ18O识别硝酸盐来源 原理： 不同来源的NO3-具有不同的氮、 氧同位素比值特征(15N/14N、 18O/16O)。 对于区分污染源为污水和粪便 并不是很有效 硝酸盐氮氧同位素典型值域范围图（Kendall et al.,2008） 追踪硝酸盐污染源变化 通过样品的地下水年龄和硝酸盐含量建立硝酸盐污染输入历史，稳定同位素解析污染源演变 城市扩展区污染源类型发生变化 追踪硝酸盐污染污染源变化 硝酸盐污染源演化的概念模式（石家庄山前） 鼓个掌、 点个赞呗？ 提个问题也行啊！ 谢谢！