超灵敏辐射探测器可更深入地挖掘地下水

科学家们正在深入了解农业实践如何影响地下水，部分原因是能源部太平洋西北国家实验室 (PNNL) 的超灵敏辐射测量使同位素地下水测年技术成为可能。

在最近发表在《科学进展》杂志上的一项研究中，PNNL 的物理学家与伍兹霍尔海洋研究所、地质调查局和阿贡国家实验室合作，使用同位素定年法来估计加利福尼亚州圣华金河谷地下水样本的年龄。

地下水年龄可以揭示有关含水层中潜在污染物的重要线索，以及地下水位补充的频率和来源。科学家们使用这些信息来预测地下水对污染和枯竭的脆弱性，更好地了解地下水流，改进模型校准，并为水管理实践提供信息。

加利福尼亚州的这项研究利用了 PNNL 罕见的测量氩 39 的能力，以识别 50 到 1,000 年前进入含水层的地下水——其他常见地下水示踪剂通常不涵盖这一时期。PNNL 是世界上仅有的两个具有这种能力的实验室之一。

通过氩 39 测量，研究人员现在可以更好地了解 20 世纪中叶的农业实践如何改变地下水化学，从而影响更传统的碳 14 地下水测年技术的可靠性。

这项研究是 PNNL 的超灵敏辐射测量能力首次被用作解决地下水科学问题的合作研究的一部分。

PNNL 物理学家和实验室研究员 Craig Aalseth 说：“这是我们必须与地下运输和水文社区合作，利用这种能力来回答地下水科学问题的首批机会之一。” “这对我们来说是一个重要的里程碑，但我们如何到达这里更有趣，因为我们将我们的基础物理工作和我们的国家安全工作结合起来，将这种能力结合在一起。”

Argon-39 填补了地下水年龄差距

参与这项研究的 PNNL 物理学家 Emily Mace 说：“Argon-39 填补了缺失的部分，作为更大的放射性示踪剂套件的一部分，帮助地下水科学家更好地了解地下水的停留时间——而 PNNL 是其中的关键部分。”

追踪溶解在水中的放射性同位素是估算地下水年龄的常用方法。然而，氩 39 在历史上一直未被充分用作地下水测年的示踪剂。惰性气体放射性同位素的长半衰期和超低放射性使其难以用传统技术进行测量。

Argon-39 在大气中自然产生，并通过雨水进入含水层。

“通过观察示踪剂与假定的恒定大气水平相比放射性的降低，你可以知道水与大气脱离接触的时间，”梅斯说。

由于某些同位素以已知的速率衰变，科学家可以测量各种示踪剂的放射性衰变，以估计水何时进入含水层。

碳 14 和氚是用于测定地下水年代的两种最常见的放射性示踪剂。碳 14 的半衰期约为 5,000 年，用于识别 1,000 至 30,000 年前进入含水层的水。氚的半衰期只有 12 年，可用于确定 10 岁左右的年轻水的年代。

由于碳 14 和氚处于时间尺度的两端，地下水停留时间存在很大的年龄差距 - 直到 PNNL 介入填补它。

“Argon-39 是一种中间年龄示踪剂，它填补了中间的空白，”梅斯说。“它有 269 年的半衰期，让我们可以在 100 年的范围内观察事物，因此它确实适合地下水科学家缺失的利基市场。”

大气中的氩 39 进入地下水并开始衰变。通过测量氩 39 活动的这种减少，太平洋西北国家实验室的科学家可以确定水与大气脱离接触的时间。放射性示踪剂的半衰期为 269 年，可用于对 50 至 1,000 年之间的地下水进行测年——这是其他常见地下水示踪剂通常未涵盖的时间段。信用：迈克·帕金斯 | 太平洋西北国家实验室

Argon-39 测量帮助科学家重新思考地下水估算

加州地下水研究的研究人员使用一套放射性示踪剂对来自圣华金谷 17 口井的样本进行了测年。这个大农业区严重依赖地下水进行灌溉。

通过在研究中纳入 argon-39 测量值，科学家们能够更仔细地观察 20 世纪中期的农业活动(例如碳酸盐土壤改良和灌溉方法)如何影响含水层的高碳酸盐水平，进而可能掩盖广泛使用的碳 14 年代测定技术结果的可靠性。

作者说，使用氩 39 等工具“为解决地下水混合和溶解的无机碳对碳 14 的影响提供了关键限制”。

研究人员发现，圣华金谷地下水的常规碳 14 测年“大大高估了停留时间，从而低估了对现代污染的敏感性。由于碳酸盐土壤改良剂无处不在，其他依赖地下水的农业地区可能会受到类似的影响。”

PNNL 是全球为数不多的测量 argon-39 的公司之一

PNNL 是世界上仅有的两个实验室之一，拥有科学专业知识和专业工具，可以通过观察其放射性衰变来对氩 39 进行超低水平测量。另一个是瑞士伯尔尼大学。

“由于多种原因，Argon-39 历来难以测量，”Aalseth 说。“它没有非常具体的特征(同位素指纹)，它需要专门的氩化学，而且由于半衰期长，放射性发生率非常低，因此您需要进行非常低的背景测量。

“这些都是 PNNL 能够为这项研究汇集在一起​​的东西，”他说。

PNNL 的科学家用超纯铜设计和制造的高灵敏度辐射探测器使 PNNL 能够测量氩 39。超灵敏测量是在 PNNL 的浅层地下实验室地下 60 英尺处进行的。该设施配备了超低辐射检测仪器，可将背景辐射(或自然环境中发生的辐射)的干扰降低 99%。

PNNL 与 argon-39 的合作来自其超敏感核测量计划，其中包括开发高度敏感的辐射检测工具以支持核不扩散，作为 PNNL 国家安全任务的一部分。

一种技术，多种应用

“事实证明，我们用于检测氩 37(一种半衰期要短得多的同位素)的相同技术，用于提供监测诸如遵守《全面禁止核试验条约》之类的事情的工具，也特别适用于测量argon-39 是确定时间尺度的理想选择，例如对地下水很重要的时间尺度，”领导超敏感核测量计划的 Aalseth 说。

Aalseth 说，地下水研究合作是一个例子，说明当多学科团队合作开发基于科学的解决方案时会发生什么，这些解决方案可用于应对跨任务空间的严峻挑战——从国家安全到地球科学再到基础物理学。

“我们将 argon-39 年龄测定作为衡量其他事物可能的指标，”他说。“例如，还有其他同位素测量可能对环境科学界非常有价值，而这些是我们非常希望建立的桥梁。”

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