地下水測年

現代水一般指的是過去幾十年補給的地下水，因此是強烈水文循環的一部分，這部分地下水對於現代水資源的可持續利用是非常重要的。

氚是氫的放射性同位素，半衰期為12.43年，氚分為天然和人工兩種。由於大多數地下水中地質氚含量很低，可被忽略，所以地下水中可測量的氚實際上意味著現代補給。氚測年方法是目前確定年輕地下水年齡中最為常見的一种放射性同位素方法。

目前我國還沒有對 3H-3He 法測年進行深入研究。Vi sser等[ 17]的研究結果表明: 3 H-3 He方法能廣泛的用於鬆散顆粒含水層測年。Schlosser[ 18]用獲得的3 H-3 He年齡與地下水中1963年爆炸峰進行比較，發現結果僅相差3年，這種精度對於地下水的研究是可以接受的。

CFCs是穩定的人造有機化合物，沒有天然來源，包括CFCs-11, CFCs-12, CFCs-113, CFCs-114和C FCs-115。它是大氣有害污染物，這些化合物能抗降解，使它們成為現代地下水的標誌。C FCs測年的基本假設是含水層中的CFCs 未受到後來的地球化學、生物或水文過程的改變。水樣中所含的CFC濃度代表了取樣時含水層地下水的含量。不同地區由於水文地質條件的差異，影響因素也會不一樣，所以要在充分了解當地水文地質條件的基礎上對CFCs年齡做出正確的評價。雖然CFCs測年對測量新的地下水比較有用，但從實用可以看出，由於CFCs應用的不均衡性， C FCs全球濃度不具均一性，因此，最好將結果與其它測年結果進行比較，以確定結果的可靠性或適用性。

SF6 是一種無色、無味、無臭、無毒、惰性、不易燃燒的惰性氣體，有天然和人為兩種來源，大氣中含量以人工來源為主。SF6 法測年有四個假設： ①補給含水層的濃度與包氣帶內大氣的濃度達到平衡； ②如果包氣帶較薄( < 10 m) ,則包氣帶內空氣的SF6濃度就接近於對流層中的濃度； ③地下水沒有受局部SF6污染源的影響； ④含水層中的SF6沒有受到生物的、地球化學等水文過程影響。目前SF6 已經能用來獲得較年輕地下水的年齡，但由於水中SF6 含量比較低，所以對採樣容器和水量均有一定要求；此外，由於SF6濃度會出現局部差異，所以輸入函數的獲得需要相當量的資料，這在資料缺乏區會受到一定的限制。

一般來說，年齡介於40～ 1000年之間的水為次現代水，這個範圍的地下水年齡測量對地下水的研究非常重要。遺憾的是能測量次現代地下水年齡的放射性同位素很少。39 Ar( t1 /2= 269年)和32 Si ( t1 /2=140± 20 年)是兩種從理論上能做為次現代水定年的放射性同位素。

用現代大氣濃度的百分比表示，其測年範圍一般在0～ 1500年，填補了氚和14 C測年之間的空白。39 Ar的最大優點是：它是一個惰性非常強的氣體，不必進行地球化學修正。但必須把由40 K衰變而來的穩定40 Ar 地下產物考慮進去，因為它稀釋了39 Ar的百分比濃度。地下水中經校正後的39 Ar 放射性，通過衰變方程可以用來估計地下水的年齡。39 Ar測年的最大缺點是：由於大氣中的氬含量很低，而測量時需要2 L左右的氬，所以需在野外對大量的地下水進行脫氣處理。而且測試需要時間長，所以目前這種方法還沒有成為一種常規的測年手段。

32 Si的測定很困難，又因地質成因的硅無處不在，所以嚴重影響它的利用。目前認為32 Si的半衰期為140± 20年。在通過土壤和石灰石含水層時被吸附，地下水在地下運移過程中硅的水文地球化學反應產生的損失遠大於衰變產生的損失，這意味著用32 Si測年法不能成功的應用於氚和14 C測年範圍之內。

對古地下水測年，目前最常用的是14 C測年，但這種方法的測年上限僅為5萬年，對於更古老的地下水年齡測量，還有81Kr及36 Cl等測年方法。

Amold和Libby[ 34]於1949年最先發現了放射性碳14的半衰期為5568 年，但Godwin確定了其精確的半衰期為5730年[ 35] , 14 C測年是測量古水上限最低的一種方法。14 C測年過程中14 C的演化過程對測年有著重要的影響，因此首先應該了解14 C隨水進入地下水的演化過程。放射性14 C一部分隨大氣降水進入包氣帶，一部分經植物光合作用吸收，並在植物腐敗后釋放到包氣帶，兩種來源的14 C由於濃度差別進行交換至平衡。然後隨水一起進入飽水帶，通過測量地下水中14 C的活度，則可以用衰變方程來計算地下水的年齡。但由於地下水在補給過程中在土壤以及包氣帶中發生了地球化學反應，在開放系統中，主要是由於14 CO2 的溶解，使14 C濃度增加，而在封閉系統中由於其它不含14 C的碳進入地下水， 14 C濃度被稀釋，主要過程包括： ①含碳酸鹽礦物(主要是方解石和白雲石)的溶解； ②與含水層基質的交換； ③含水層內存在時間較長的有機質的氧化和一些其它的生物化學反應；④ 14 C擴散進入含水層基質。在這種情況下就要對直接利用衰變方程獲得的地下水年齡進行校正。地下水在補給過程中可能會發生一系列的地球化學反應，所以要對14 C年齡進行校正。應用時可以根據具體的條件選用合適的模型，以期得到的14 C年齡更符合實際情況。

地下水放射性碳測試可以作為監視地下蓄水層被過分開採的工具，用以防止地下蓄水層被污染或者是被過分採取。相反於放射性碳測年，化學分析產生的是理論模型以及事後的污染數據，而放射性碳濃度分析卻能夠提供實證數據，讓管理人員能夠根據這些數據事先對所管轄區域的未來作出決策，從而避免污染以及過度開發。

地下水放射性碳定年經常與古水文和化學分析結合使用。當涉及到多樣測量或者順序取樣的時候，放射性碳定年將得出最好的結果。最有效的數據來自這些對比而不是來自絕對年齡。

對於多樣測量，取自泵里的地下水的外觀年齡不同於含水層的岩層露頭，這可以成為一個驗證流量的方法，同時表明存在過度開採的情況。

對於一個特定的井每6個月或者12個月順序取樣，隨著時間標繪每次水外觀年齡的任何變化。尤其是如果水的年齡變年輕了，這通常是由於開採到更多淺水層的原因。放射性碳定年對於即將污染的地表層水具有事先通知的潛力。

預防含水層污染和開採限制

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最遠的地區，產生的影響將最大。

由於未得到充分利用的土地一般都環繞人口稠密區，因此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。

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。幸運的是，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。

監測地下水放射性碳含量

定期監測水井的放射性碳含量，可以了解泵壓頭處源水的穩定性和變化。水的放射性碳年齡逐年下降表示地表水已滲入地下水。這可能是過度抽取水井或其他區域的鑽井擴大造成的。兩種情況都表明被污染的地表水最終有可能污染飲用水的供應。

使用放射性碳測年方法最好是每年或每半年對某一獨立的井取樣。獲得的數據將用於跟先前的年份進行對比。特定的井每6個月或12個月順序採的水樣的放射性碳年齡多年保持不變是最理想的情況。

放射性碳自然地存在於地下水中，因此這種測定不需要在含水層中添加任何的物質。此外，測定是在水供應沒有被污染之前進行的。這對地區內部和地區之間的水資源管理具有重要的經濟和環境影響。

推薦實驗室-Beta實驗室

目前實驗室只需要250-500ml的地下水樣品即可測試，所採用的氣脫法（gas strip)已無需再向水樣中添加NaOH形成DIC沉澱。

81 Kr測年是最新的一種測量古地下水年齡的方法，半衰期為21× 104 ，因此，可以測量古老地下水的年齡，測年範圍為5× 104～ 100× 104 a。由於81 Kr 在大氣中的濃度已知並且穩定，人為和地下產物對81Kr的濃度改變極小甚至可以忽略，因此81 Kr 被認為是測定古老地下水年齡的最有發展前景的工具。由於地下形成81 Kr可以忽略不計，所以可以用放射性衰變的指數定律直接計算地下水的年齡。

36 Cl的半衰期為30. 1× 104 a,可以用於第四紀研究中幾十萬年的測年，測定上限可達250× 104 a，可以填補14 C和85 Kr測年上限的空白，因此有著重要的應用前景。36 Cl的測年還存在一定不足之處，但當古水年齡超出其它方法的測試範圍時， 36 Cl測年法也不失為一種合理的選擇。