“看不到地下水流，就把它‘画’出来”

 
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》，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。