地下水碳定年 – 概念及實際應用

  • 放射性碳定年可用於監測含水層的過度抽水。
  • 建議每年或每半年進行地下水放射性碳定年服務。
Water Well

地下水放射性碳測試可以作為監視地下蓄水層是否被過分開採的工具,用以防止地下蓄水層被污染或者被過分開發,詳見 “地表水污染和補救” (pdf)。

地下水放射性碳定年 主要是結合古水文和化學分析的測量方法。當涉及多樣測量或者順序取樣時,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絶對年齡。

如果是多樣測量,從位於含水層岩層露頭各處的泵浦取得、測出的地下水表面年齡,可用來檢驗流量,也可用來查驗是否有過度開採的狀況。如果是對同一口井,每6個月或者每12個月順序取樣,隨著時間標繪每次水表面年齡的變化。尤其是,如果水的年齡隨著時間變年輕了,這通常是由於開採到更多淺水層的原因。對於即將被污染的地表層水,放射性碳定年有事先發現的潛力。

地下水放射性碳定年

地下水放射性碳定年可以指出,地底層的水停止和空氣等其他物質直接接觸的時間,例如水何時流入地下。然而,對於來自含水層露頭區和空氣層的活植物,在計算它們產生的碳酸鹽種類百分比時,還需考慮到含水層矩陣中古代碳沉積的作用,這增加了許多不確定因素,使得定年結果存在誤差。由於這個原因,地下水的放射性碳定年在重覆取樣的時候最為有用。在這個情況下,存在不確定因素而獲得的絶對年齡並不是解讀的主要數據。未校正的表面年齡才是主要數據。研究中,它們拿來和其他表面年齡進行比對。這可以大幅度的修正不確定因素。在所有情況下,最有效的數據都是來自這些比對,而不是來自絶對年齡。同樣地,未修正的表面年齡也可以被解讀為最大年齡,舉例說明,地下水的真實年齡可能等於或者小於它們的表面年齡。

透過萃取水中的碳酸鹽來進行放射性碳定年,該測量可以提供有關地下水沉積補给,以及水流流向和速率的訊息。適用的樣品年齡:10-40,000 年。

從空氣中吸收後,含有少量二氧化碳的地表水和降雨流入地下。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)氣體分壓產生的二氧化碳要高得多。這些來源中的放射性碳被稱為“近代”級別,在年齡計算中作為参考。一般情況下,一個含水層需從20至60口以上的水井中取樣。若取樣少於10口井則不適合研究,在此情況下,年齡的解釋會不够準確。

若含水層含有化石碳,如泥炭或者褐煤,那麼放射性碳定年可能會出現模棱兩可的結果,而這些含水層也不適合運用放射性碳定年這個方法繼續研究。來自表層的水能够提供有用的表面“年齡”,但是存在著一個無法避免的問題,那就是碳稀釋校正,因為在水中,二氧化碳在壓力下很容易形成氣泡湧出,因而出現同位素效應。在這種情況下,我們無法計算出“最佳預計年齡”。

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供水不足,尤其是距離含水層補给區最遠的地區,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,因此住宅和工業開發都盡量向工業產量最高的方向擴展。然而,當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供水短缺。

透過定期監測區域内水井系統的水放射性碳年齡,可以在情況失控前,避免過度開發。一旦住宅或產業已建成,要限制供水將會變得非常困難。幸運的是,水的放射性碳定年可以提供一種機制,用來監測、了解和控制含水層的開採。

groundwater ages

表 1 – 地下水放射性碳定年可用作顯示距離含水層露頭的函數。這個案例顯示,距離露頭不同距離的三種抽水速率,所呈現的地下水層流動曲線。最後一口井已過度開採並且從淺水層引入了水。

監測地下水放射性碳含量

定期監測水井的放射性碳含量,可以了解泵浦頭處水源的穩定性和變化。水的放射性碳年齡逐年下降表示地表水已渗入地下水。這可能是過度抽取水井或其他區域的擴大鑽井作業造成。兩種情況都顯示,被污染的地表水最終有可能滲入飲用水供應系統。

radiocarbon age of groundwater

表 2 – 每年對同一口井採樣並進行地下水放射性碳定年檢測。I在這個案例中,這口井在1995年導入了一個新的抽水系統, 大大提高了這個區域的抽水速率。放射性碳定年將用來觀察,淺水層是否有下沈的趨勢,或著在表面水開始入侵之前,曲線是否開始變得平緩。

針對同一口井,最好是每年或每半年進行一次放射性碳定年檢測。獲得的數據將會與之前年度取得的數據做比對。最理想的情況是,順序採樣(每6個月或12個月)後,同一口井的水放射性碳年齡多年來都維持不變。

由於放射性碳會在地下水中自然生成,因此這種檢測不需要在含水層中添加任何的物質。此外,檢測要在供水没有被污染之前進行。這對地區内和地區之間的水資源管理具有重要的經濟和環境影響。

完整的地下水放射性碳定年討論(包含放射性碳年齡計算),請見下方內容。