同位素定年技術助力監測地表水污染

■本報記者 貢曉麗

日前，中國科學院地理科學與資源研究所副研究員韓冬梅團隊通過系統收集全國範圍內的海量調查數據，對我國地下水硝酸鹽污染、水體有機污染進行了全面分析評價。

結果顯示：濱海地區特別是濱海岩溶地區地下水中硝酸鹽污染程度遠高於內陸地區。氮同位素污染示蹤表明，除了農業施肥，土壤中氮素和生活廢水排放也是影響地下水中硝酸鹽分布的重要因素。

含有大量硝酸鹽的飲水，在人體內可被還原為亞硝酸鹽使人中毒，或是產生致癌、致畸、致突變的物質。「地下水放射性碳測試可以作為監視地下蓄水層被過度開採的工具，用以防止地下蓄水層被污染或者被過分開採。」韓冬梅表示。

同位素作為水循環與水系統研究的重要手段之一，隨著測試技術與模擬方法的不斷發展，其應用範圍正在日益擴大。近期舉辦的2017同位素水文與生態環境應用研討會上，各位專家就同位素的不同應用領域發表了看法，備受關注的還是地下水污染問題，「面對地下水污染，特別是複合污染源識別，同位素技術顯得越來越重要」。環境保護部規劃院地下水和飲用水源保護室主任劉偉江表示。

地下水放射性碳測年

不同的同位素有不同的應用領域。穩定同位素可在降水—地表水—地下水相互作用、環境溶質運移、生物地球化學循環過程等方面起到示蹤的作用；放射性同位素在冰芯、地下水、海洋洋流等水體的定年上發揮著重要作用。

地下水放射性碳測年可以表明地下水停止和空氣等其他物質直接接觸的時間，例如它可以表示水何時流入地下。地表水和降雨從空氣中吸收少量二氧化碳後流入地下。離開大氣層後，水開始接觸到土壤氣體，在這裡植物根的呼吸作用產生的二氧化碳要高得多。中國科學院地質與地球物理研究所副研究員秦大軍指出，這些來源中的放射性碳被稱為「現代」級別，在年齡計算中可以作為參考。

通過提取水中的碳酸鹽用於放射性碳測年，該測量可以提供有關地下水沉積補給以及水流流向和頻率的信息。而如果含水層含有化石碳，如泥炭或者褐煤，那麼放射性碳測年可能會出現模稜兩可的結果，而這些含水層也不適合運用放射性碳測年這個方法繼續研究。

「來自表層的水能夠提供有用的表觀『年齡』，但是存在著一個無法避免的問題，那就是碳稀釋校正。」秦大軍解釋說，因為在水中，二氧化碳在壓力下很容易形成氣泡湧出而出現同位素效應。在這種情況下，我們無法計算一個「最佳預計年齡」。

揭示含水層污染

隨著人口密度的增加，人們對含水層的需求也將成倍增加。但是過度開發最終將導致水供應不足，尤其是距離含水層補給區遠的地區，產生的影響也較大。

由於人口聚集，住房和工業開發都盡量向工業產量最高的方向擴展。然而，如果開發區域侵占到補給區，當抽水超過補給時，為滿足迫切需求而鑽的新井就有可能造成水供應短缺。

BETA（一家監測公司）官網中，放射性碳測年與地下水一欄給出了解決方案，通過定期監測一個區域內水井系統的水放射性碳年齡，科學家可以獲得實驗證據，從而讓開發商意識到過度開發，避免失控。一旦住宅或產業已建成，要限制其水供應則會變得非常困難。水的放射性碳測年可以提供一種機制，用來監測、了解和控制含水層的開採。

碳元素表達地下水補給的多寡，氚元素能揭示地下水的污染情況。世界衛生組織官網的《飲用水水質準則》稱，在自然界中可能天然地存在很少量的氚。但在水源中檢測出氚，意味著潛在的工業污染。

據近日發表在《自然—地球科學》上的一篇論文介紹，地下水的開採，供給了全球40%的農業灌溉和數十億人飲用。全球地下水資源儲量超過地球上所有湖泊總水量的100倍。

研究人員檢測了全球超過6000口水井，包括地層中不超過一千米深處的地下水。他們在超過一半的水井中檢測到了微量的氚。這意味著，雖然古地下水深埋在地下，也並非像人們此前認為的那樣免受人類社會的污染。

論文中還介紹了另一個壞消息，地層深處、已經被儲藏了超過1.2萬年的古地下水，也可能遭到了人類社會的污染。

提供反向推斷依據

氚是氫的放射性同位素，又被稱為人工核素，它是核動力反應堆和核武器試驗的裂變產物。據介紹，上世紀50年代後，世界多個國家的熱核試驗，如核彈試驗，釋放出大量的氚，導致自然降水的氚含量升高了5倍，甚至500倍。「因為如此顯著的改變，氚成為研究地下水循環的理想的示蹤劑。」秦大軍說。

氚的半衰期只有大約12年，所以，「年齡」高達1.2萬年的古地下水，理論上，即使含有氚，其含量也應該非常低以至不能被檢出。所以，一旦在古地下水中檢出氚，這些氚有可能都是來自於近年來的地面降水。是這些地面降水，將人為釋放的氚從地面帶到了古地下水中。有氚，就會有其他污染物。而由於地層很深，這些污染物可能會在古地下水中滯留很久，可能達到上千年。

「同位素正是提供了以上反向推斷的依據和逆問題求解的思路，以此為借鑒，人類才能把握科技的發展方向，不致斷送將來的生態環境。」中國科學院地理科學與資源研究院研究員宋獻方表示。

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