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中科大冷原子阱痕量探测技术发现国内地下“化石”水

2018-05-07 12:20:06 来源:合肥微尺度物质科学国家研究中心

  中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心激光痕量探测与精密测量研究组(atta.ustc.edu.cn)胡水明教授、杨国民博士与国际原子能组织(IAEA)松本拓也(Takuya Matsumoto)、中国地质科学院水文地质环境地质研究所陈宗宇研究组合作,在华北平原深层地下水研究中取得重要进展,相关成果于2018年5月3日在线发表在《地球与行星科学快报》(Earth and Planetary Science Letters 493:208-217, 2018)。

  华北平原作为中国人口最多的平原,是中国重要的经济地区和农业地区。当地生产、生活、农业用水,很大程度上依赖地下水。此区域的地下水研究,有着非常重要的现实意义。该项目在华北平原多个地区采集了深层(300—700米)地下水样品,并分离其中溶解的微量氪气,通过测量其中长寿命同位素81Kr的含量,确认该地区的深部地下水年龄;并通过比较地下水中的氦、氖的含量比和同位素组成,确定该地区地下水中90%的4He由地壳原位生成;利用81Kr的绝对年龄,估算4He进入含水层的有效通量,校正了4He测年模型。在这其中,81Kr定年数据提供了关键的时间信息,确定了地下水中4He的来源,测量出该地区最老的地下水达1百万年,平均流速小于1米/年。

  放射性同位素81Kr,主要由宇宙射线和大气中的稳定氪同位素反应生成,半衰期为23万年。氪作为惰性气体,在自然界中没有化学反应、输运机制简单。进入地下水中的81Kr,跟大气隔离接触后,浓度随着时间推移而不断衰变减少。在5-130万年范围内,81Kr是最理想的测年同位素。但由于同位素丰度极低(10-13),它的检测极为困难。卢征天教授首次提出激光冷原子阱痕量分析(Atom Trap Trace Analysis, ATTA)方法,利用激光冷却、俘获特定同位素原子,并进行单原子计数,从而获得同位素的含量。中国科大研究团队经过十年持续努力,在科大建立了从现场采样到样品处理、痕量同位素分析的整套原型装置,并与地质研究单位合作,在国内多个大盆地进行了地下水测年研究。此前该课题组与中国科学院地质与地球物理研究所庞忠和研究组合作,用81Kr方法测定了关中盆地咸阳地区地热水的年代,发现地热水年龄在30-130万年之间(Science Bulletin, 15: 1181-1184, 2017)。迄今为止,这是国内仅有的两处被确认年龄达百万年的地下“化石”水。

  该工作得到了中科院、科技部、自然资源部、国家自然科学基金委的持续支持。

  相关论文链接:
  https://doi.org/10.1016/j.epsl.2018.04.042
  http://dx.doi.org/10.1016/j.scib.2017.08.009

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