庞忠和-同位素水文学进展 CCT2020.pdf 
庞忠和-同位素水文学进展 CCT2020.pdf
开启水循环动力学研究新征程— 我国同位素水文学研究进展评述 庞忠和 中国科学院地质与地球物理研究所 中国科学院地热研究中心（筹） z.pang@mail.iggcas.ac.cn 提纲 • 引言：地球系统水循环 • 水循环界面过程的识别 • 水循环的新驱动力 • 结语：机遇与挑战 地球系统水循环与同位素变化 (Pang et al.,2017) 地下水循环系统的结构 (National Ground Water Association, 2007) （USGS, 1983） Local Regional • 从Darcy（1856）砂柱实验，水位（头）差是主要驱动力； • 到Toth（1965）地下水盆地重力分级流动模型，地形高差是主 要驱动力，都是系统内部过程； • 那么，系统的界面上发生着什么？ 提纲 • 引言：地球系统水循环 • 水循环界面过程的识别 • 水循环的新驱动力 • 结语：机遇与挑战 同位素水文学：跨越地球水系统边界的水文学！ 大气降水线：我们从 这里起步—同位素水 文学第一定律； 大气降水线 海水 水面蒸发 本地降水同位素平均值 H－2 还有一条蒸发线！ 其它过程我们曾经认 识的不多！ 古水 O-18 (Craig,1961，Science) GMWL： 2H = 8 18O + 10‰ Deuterium and oxygen-18 variations in rivers, lakes, rain, and snow, expressed as per millage enrichments relative to "standard mean ocean water" (SMOW). Points which fit the dashed line at upper end of the curve are rivers and lakes from East Africa. Ref. Craig H. Isotopic variations in meteoric waters[J]. Science, 1961, 133(3465): 1702-1703. 水稳定同位素十三 线图：今天我们了 解了这么多！ • 水文过程 • 水热过程 • 水岩作用过程 • 水岩气作用过程 满满当当十三个过 程！水循环 “原子 基因”已经被我们 解码？！ (Pang et al.,2017) 中国大气降水同 位素观测工作， 自上个世纪80年 代以来，陆续由 不同单位开展观 测工作，积累了 30余年的时间系 列。目前，按水 汽源分出7个大区， 均有可资应用的 区域雨水线。 中国大气降水同位素分布图 (Kong & Pang et al.,2020) 重点区域更加精细 的水同位素观测网 络： 从月均采样； 到日均采样； 再到逐次采样！ 新疆降水同位素与水汽源分布 LMWL： 2H = 7.05 18O + 0.60‰ (Pang Z, et al.,2011) 北京地区水同位素观测网: Beijing Network of Isotopes in Waters (BNIW) Precipitation stations Groundwater wells Precipitation: event-based, in operation since 2014 Groundwater: sampling in the wet season (September) and in the dry season (April) （Li, Pang, et al., 2018 JGR） The amount of precipitation (P,mm), temperature (T,oC), relative humidity (RH, %), and so on are measured at each observation station. ZJF station MY Station Automatic temperature and humidity recorder Artificial rain gauge Microclimate instrument 稳定同位素激光光谱测试技术 水化学分析 锶同位素 氢氧同位素 惰性气体81Kr 硫同位素 瑞利模型、水汽再循环模型: 水同位素观测数据定量化分析与大气环流观测相结合！ 氘盈余得到更多应用！ d-d a fe = d -d a P: precipitation e d: d-excess Pe: precipitation from Pa, da Pe, de local moisture de: d-excess of Pe Pa: precipitation from external moisture da: d-excess of Pa P = Pe + P a d = defe+ da(1-fe) (Kong & Pang, 2012, JH) < 200mm > 400mm > 200mm > 800mm Map of dry and wet areas in China How does the groundwater circulate? 中国主要区域地下水盆地 三江平原 松嫩平原 准格尔 塔里木 西辽河平原 河西走廊 柴达木 鄂 尔 多 斯 华北平原 淮河平原 地下水补给研究的新进展： 1）北京的地下水补给对于大气降水的选择性！ 2）西南地区降水与地下水的同位素不对应性！ δ18O-δ2H relationships for groundwater in Beijing （Li, Pang, et al., 2018 JGR；Kong et al.,2019,JGR) 极端气候事件成因研究： 3）北京的7.21特强降水事件 Distribution of rainfall amount in 24 hours (21 -22 July） (Li, Pang, et al., 2015) 18O variations in the rainfall Three rainfall processes are indicated : ➢ single-vapor source rainfall (stage 1) ➢ mixing of two vapor sources (stage 2) ➢ double-vapor source rainfall with strong rainout effects (stages 3 and 4) (Li & Pang, et al., 2015) 干旱区气候变化水资源效应： 4）塔里木盆地 Rising in temperature Rising in precipitation Eventful monitoring of isotopes in precipitation in Tianshan Mountains Meteorological station Urumchi station （918 m） Gaoshan station (3545 m) Houxia station (2100 m) Gaoshan station Monitoring stations at various elevation in the Tianshan Mt. (Pang et al., 2011, Tellus-B) The region is sensitive to climate change, which has been recorded in rivers in the north and south regions, respectively, and heavy floods take place some times during the summer. Runoff (108 m3/a) 4 3 2 1 0 1957 1967 1977 1987 1997 2007 Year Urumqi River in Northern Xinjiang increases by 10% Runoff (108 m3/a) 100 80 60 40 20 0 1957 1967 1977 1987 1997 2007 Year Urumqi and Kumalak Rivers in north and Sourth Xinjiang, respectively. Kumalak River in Sourthern Xinjiang increases by 38.7% 沉积盆地多级次地下水循环： 5）鄂尔多斯盆地 古水线：28万年！ （Lyu and Pang, Water, 2017) 地下水循环对水质的控制作用 （Lyu and Pang, Water, 2017) 与氦气相关的水循环动力学 6）关中盆地地热水定年 采集关中盆地2500米~3500米深地热井的气体样品（N2为主要组分），采用世界 领先的原子阱痕量分析技术（ATTA），实现了地下水定年。结果显示，关中盆地地 热流体中的稀有气体He主要源于壳内放射性成因，81Kr年龄在30万年~130万年之间。 原子阱痕量分析技术示意图 关中盆地采样点（a）；E-W（b）及S-N（c） 向地质剖面及81Kr年龄 （Li & Pang et al., 2017） 中国作者的国际论文： 科研进步 Water isotopes Source: Web of Science 中国作者的国际论文 • Groundwater recharge 国际合作：单边、多边、一带一路！！ Ongoing Projects with the IAEA: 1、A CRP （coordinated research program) project on precipitation isotopes and climate change 2、A CRP project on urban water supply as affected by environmental changes 3、A TC (technical cooperation) project for Asia and the Pacific region: Enhancing regional capacity in groundwater management using isotope techniques 新一轮合作项目 RAS7035，2020 年已经启动。 提纲 • 引言：地球系统水循环 • 水循环界面过程的识别 • 水循环的新驱动力 • 结语：机遇与挑战 流动着的变化：国际水文科学十年科学发展 规划（2013-2023） • . Source： http://www.isonose.eu/home/ Source： Montanari et al., Panta Rhei—Everything Flows”:Change in hydrology and society—The IAHS Scientific Decade 2013–2022, Hydrological Sciences Journal, 58:6, 1256-1275, DOI:10.1080/02626667.2013.809088 1、气候变化营力 Rising in temperature Rising in precipitation 降水-包气带-地下水补给：时间、机理、过程、变化 1、降水与地下水之间的同位素信号差异，如 何解释？ 2、气候变化背景下，降水变化（类型、年内 分布、雨强等）对地下水补给的影响？ 3、人类活动影响下，下垫面改变对地下水补 给的影响？ 降水 蒸发 所有降水均值 大降水事件 (>10mm/d)均值 暴雨频率增加 (Roxy et al., 2017, Nat Commun) 地下水与降水之间的同位素差 (Jasechko et 异 al., 2014, WRR) 延庆盆地地下水氘氧关系图 (Li&Pang et al., 2018, J Geophys Res-Atmos) 海相页岩地层水来源及赋存状态 页岩气井生产阶段产生大量地层水（非压裂液）, 矿化度很高（1-10倍海水），氢氧同位素贫化。 来源假设： 1、完全是沉积海水，氢氧同位素组成不在海水及 蒸发线上可能是一些地球化学作用所致 2、沉积海水（后期受到蒸发作用），再与大气水 混合 3、完全是大气水成因，并受到蒸发作用或18O漂移 赋存状态： 1、如果是孔隙水，则不会大量排出。 2、最有可能是裂隙水，可受大气水补给 意义： 水既然是裂隙水，页岩气也可大量在裂隙中 赋存和运移。这对页岩气赋存状态及开发提出挑战。 2、人类活动：页岩气开采 神奇的页岩水： 年 龄 很 老 ， 无 C-14, 无氚，但是落在雨水 线上。 它是怎么形成的？在 致密页岩中是怎么赋 存的？ 3、人类活动：退耕还林还草 有些地方成功了，还有 些地方有困难。为什么？ 对干旱半干旱地区实施 的植树造林等生态工程 对地下水补给的影响进 行系统的评价。 近年来，国际地下水研究呈现两大态势： 1）地下水问题更加严峻，环境与人为因素不断强化，补给 减少、水源枯竭、水质恶化、污染多样化的问题层出不穷； 2）以激光技术引领的技术进步使同位素水文学和地下水年 代学相关的测试能力得到空前提升。遥感技术也表现不凡。 这两大态势为水文地质学创造了难得的发展机遇。 机遇与挑战并存！ 放射性气体同位素定年、示踪 气体：在大气中分布均匀、稳定 ➢ 惰性：无化学反应，输运机制简单 ➢ 与14C一起，覆盖了从几年到140万年的范围 ➢ 85Kr、39Ar、81Kr是理想的定年同位素 （卢征天，2017） 高温地热水循环动力学 高温地热水定年是地热研究的难点之一，迄今青藏高原地热水年龄仍 为未知。其原因是高温地热流体的组分来源复杂，以CO2为主要组分，常 用定年示踪剂（3H、14C、36Cl等）易被稀释或富集，导致测年结果失真。 地中海-喜马拉雅 地热带 环太平洋地热带 全球地热带分布示意图 中国大陆地区大地热流分布图 （汪集暘等，2012） 高温地热水循环动力学 在高温地热区开展85Kr、39Ar、81Kr、14C等多种同位素综合测年， 建立校正模型，确定高温地热水年龄。 西藏羊八井 西藏羊易 西藏谷堆 云南腾冲 川西康定中谷 川西康定榆林宫 提纲 • 引言：地球系统水循环 • 水循环界面过程的识别 • 水循环的新驱动力 • 结语：机遇与挑战 结语：迈向水循环动力学的同位素研究 ➢ 同位素水文学：机遇与挑战并存； ➢ 测试技术：从加速器质谱到原子阱单原子激光测量； ➢ 水循环解码：从原子层面走向量子层面。量子水文 学可能成为下一个驿站？ The Isotope Hydrology Group at the IGGCAS, Beijing, China——小月河畔同位素水文学团队 Email: z.pang@mail.iggcas.ac.cn