科學(xué)家們正在深入了解農(nóng)業(yè)實(shí)踐如何影響地下水，部分原因是能源部太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 (PNNL) 的超靈敏輻射測(cè)量使同位素地下水測(cè)年技術(shù)成為可能。

在最近發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上的一項(xiàng)研究中，PNNL 的物理學(xué)家與伍茲霍爾海洋研究所、地質(zhì)調(diào)查局和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作，使用同位素定年法來估計(jì)加利福尼亞州圣華金河谷地下水樣本的年齡。

地下水年齡可以揭示有關(guān)含水層中潛在污染物的重要線索，以及地下水位補(bǔ)充的頻率和來源。科學(xué)家們使用這些信息來預(yù)測(cè)地下水對(duì)污染和枯竭的脆弱性，更好地了解地下水流，改進(jìn)模型校準(zhǔn)，并為水管理實(shí)踐提供信息。

加利福尼亞州的這項(xiàng)研究利用了 PNNL 罕見的測(cè)量氬 39 的能力，以識(shí)別 50 到 1,000 年前進(jìn)入含水層的地下水——其他常見地下水示蹤劑通常不涵蓋這一時(shí)期。PNNL 是世界上僅有的兩個(gè)具有這種能力的實(shí)驗(yàn)室之一。

通過氬 39 測(cè)量，研究人員現(xiàn)在可以更好地了解 20 世紀(jì)中葉的農(nóng)業(yè)實(shí)踐如何改變地下水化學(xué)，從而影響更傳統(tǒng)的碳 14 地下水測(cè)年技術(shù)的可靠性。

這項(xiàng)研究是 PNNL 的超靈敏輻射測(cè)量能力首次被用作解決地下水科學(xué)問題的合作研究的一部分。

PNNL 物理學(xué)家和實(shí)驗(yàn)室研究員 Craig Aalseth 說：“這是我們必須與地下運(yùn)輸和水文社區(qū)合作，利用這種能力來回答地下水科學(xué)問題的首批機(jī)會(huì)之一。” “這對(duì)我們來說是一個(gè)重要的里程碑，但我們?nèi)绾蔚竭_(dá)這里更有趣，因?yàn)槲覀儗⑽覀兊幕A(chǔ)物理工作和我們的國(guó)家安全工作結(jié)合起來，將這種能力結(jié)合在一起。”

Argon-39 填補(bǔ)了地下水年齡差距

參與這項(xiàng)研究的 PNNL 物理學(xué)家 Emily Mace 說：“Argon-39 填補(bǔ)了缺失的部分，作為更大的放射性示蹤劑套件的一部分，幫助地下水科學(xué)家更好地了解地下水的停留時(shí)間——而 PNNL 是其中的關(guān)鍵部分。”

追蹤溶解在水中的放射性同位素是估算地下水年齡的常用方法。然而，氬 39 在歷史上一直未被充分用作地下水測(cè)年的示蹤劑。惰性氣體放射性同位素的長(zhǎng)半衰期和超低放射性使其難以用傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行測(cè)量。

Argon-39 在大氣中自然產(chǎn)生，并通過雨水進(jìn)入含水層。

“通過觀察示蹤劑與假定的恒定大氣水平相比放射性的降低，你可以知道水與大氣脫離接觸的時(shí)間，”梅斯說。

由于某些同位素以已知的速率衰變，科學(xué)家可以測(cè)量各種示蹤劑的放射性衰變，以估計(jì)水何時(shí)進(jìn)入含水層。

碳 14 和氚是用于測(cè)定地下水年代的兩種最常見的放射性示蹤劑。碳 14 的半衰期約為 5,000 年，用于識(shí)別 1,000 至 30,000 年前進(jìn)入含水層的水。氚的半衰期只有 12 年，可用于確定 10 歲左右的年輕水的年代。

由于碳 14 和氚處于時(shí)間尺度的兩端，地下水停留時(shí)間存在很大的年齡差距 - 直到 PNNL 介入填補(bǔ)它。

“Argon-39 是一種中間年齡示蹤劑，它填補(bǔ)了中間的空白，”梅斯說。“它有 269 年的半衰期，讓我們可以在 100 年的范圍內(nèi)觀察事物，因此它確實(shí)適合地下水科學(xué)家缺失的利基市場(chǎng)。”

大氣中的氬 39 進(jìn)入地下水并開始衰變。通過測(cè)量氬 39 活動(dòng)的這種減少，太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家可以確定水與大氣脫離接觸的時(shí)間。放射性示蹤劑的半衰期為 269 年，可用于對(duì) 50 至 1,000 年之間的地下水進(jìn)行測(cè)年——這是其他常見地下水示蹤劑通常未涵蓋的時(shí)間段。信用：邁克·帕金斯 | 太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

Argon-39 測(cè)量幫助科學(xué)家重新思考地下水估算

加州地下水研究的研究人員使用一套放射性示蹤劑對(duì)來自圣華金谷 17 口井的樣本進(jìn)行了測(cè)年。這個(gè)大農(nóng)業(yè)區(qū)嚴(yán)重依賴地下水進(jìn)行灌溉。

通過在研究中納入 argon-39 測(cè)量值，科學(xué)家們能夠更仔細(xì)地觀察 20 世紀(jì)中期的農(nóng)業(yè)活動(dòng)(例如碳酸鹽土壤改良和灌溉方法)如何影響含水層的高碳酸鹽水平，進(jìn)而可能掩蓋廣泛使用的碳 14 年代測(cè)定技術(shù)結(jié)果的可靠性。

作者說，使用氬 39 等工具“為解決地下水混合和溶解的無機(jī)碳對(duì)碳 14 的影響提供了關(guān)鍵限制”。

研究人員發(fā)現(xiàn)，圣華金谷地下水的常規(guī)碳 14 測(cè)年“大大高估了停留時(shí)間，從而低估了對(duì)現(xiàn)代污染的敏感性。由于碳酸鹽土壤改良劑無處不在，其他依賴地下水的農(nóng)業(yè)地區(qū)可能會(huì)受到類似的影響。”

PNNL 是全球?yàn)閿?shù)不多的測(cè)量 argon-39 的公司之一

PNNL 是世界上僅有的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室之一，擁有科學(xué)專業(yè)知識(shí)和專業(yè)工具，可以通過觀察其放射性衰變來對(duì)氬 39 進(jìn)行超低水平測(cè)量。另一個(gè)是瑞士伯爾尼大學(xué)。

“由于多種原因，Argon-39 歷來難以測(cè)量，”Aalseth 說。“它沒有非常具體的特征(同位素指紋)，它需要專門的氬化學(xué)，而且由于半衰期長(zhǎng)，放射性發(fā)生率非常低，因此您需要進(jìn)行非常低的背景測(cè)量。

“這些都是 PNNL 能夠?yàn)檫@項(xiàng)研究匯集在一起??的東西，”他說。

PNNL 的科學(xué)家用超純銅設(shè)計(jì)和制造的高靈敏度輻射探測(cè)器使 PNNL 能夠測(cè)量氬 39。超靈敏測(cè)量是在 PNNL 的淺層地下實(shí)驗(yàn)室地下 60 英尺處進(jìn)行的。該設(shè)施配備了超低輻射檢測(cè)儀器，可將背景輻射(或自然環(huán)境中發(fā)生的輻射)的干擾降低 99%。

PNNL 與 argon-39 的合作來自其超敏感核測(cè)量計(jì)劃，其中包括開發(fā)高度敏感的輻射檢測(cè)工具以支持核不擴(kuò)散，作為 PNNL 國(guó)家安全任務(wù)的一部分。

一種技術(shù)，多種應(yīng)用

“事實(shí)證明，我們用于檢測(cè)氬 37(一種半衰期要短得多的同位素)的相同技術(shù)，用于提供監(jiān)測(cè)諸如遵守《全面禁止核試驗(yàn)條約》之類的事情的工具，也特別適用于測(cè)量argon-39 是確定時(shí)間尺度的理想選擇，例如對(duì)地下水很重要的時(shí)間尺度，”領(lǐng)導(dǎo)超敏感核測(cè)量計(jì)劃的 Aalseth 說。

Aalseth 說，地下水研究合作是一個(gè)例子，說明當(dāng)多學(xué)科團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)基于科學(xué)的解決方案時(shí)會(huì)發(fā)生什么，這些解決方案可用于應(yīng)對(duì)跨任務(wù)空間的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)——從國(guó)家安全到地球科學(xué)再到基礎(chǔ)物理學(xué)。

“我們將 argon-39 年齡測(cè)定作為衡量其他事物可能的指標(biāo)，”他說。“例如，還有其他同位素測(cè)量可能對(duì)環(huán)境科學(xué)界非常有價(jià)值，而這些是我們非常希望建立的橋梁。”