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    水追踪技术突破 科学家利用氪同位素揭开以色列古地下水层的秘密

    水追踪技术突破 科学家利用氪同位素揭开以色列古地下水层的秘密

    水追踪技术突破 科学家利用氪同位素揭开以色列古地下水层的秘密

    覆盖以色列境内一半陆地的内盖夫沙漠极度干燥,部分地区每年的降水量不到3英寸,称为超干燥(hyper-arid)。不过其实直到现今,内盖夫沙漠下方仍有含水层。

    了解这个含水层的来源、储量以及正在发生的变化,对于保护和分配关键资源至关重要。

    以色列内盖夫本古里安大学(Ben-Gurion University of the Negev)研究人员与美国能源部与芝加哥大学阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)合作,深入研究藏在内盖夫沙漠和以色列大部分国土下的努比亚砂岩含水层系统。

    内盖夫沙漠的拉蒙坑景观。Anat Keydar摄(CC BY 2.0)

    结合阿贡实验室无线辐射测年技术与水成分同位素指纹分析,研究人员不仅可分辨出水沉积的时间,还知道它来自何处以及近40万年前水层产生时的气候条件,也是科学家首次利用地下水描绘出古老的水文气候。

    《美国国家科学院院刊》在线版7月29日刊登了一篇介绍该研究的文章〈放射性氪揭露沙漠深处含水层的双重水分来源〉。

    “内盖夫沙漠下面的含水层今日并没有在补充水份,因此很明显地,该地区过去曾有过多雨的时期,”阿贡实验室放射性同位素分析中心(TRACER)首席物理学家穆勒(Peter Mueller)说。

    为了确定这个含水层的补水时期和机制,研究团队从当地的20多口井中收集水,分离出氪气,并使用阿贡实验室为核物理测量发展出的“Atom Trap Trace Analysis”(ATTA)的分析方法进行分析。

    ATTA测量水中微量的稀有氪(Kr)同位素81Kr,可以测定4万年前到150万年前的水,这远超出了放射性碳年代测定的范围,放射性碳测年超过4万年便不准确。

    ATTA分析显示,井中的水来自两次主要的补水事件,分别发生在4万年前和近36万年前。两个时期刚好都是较凉爽的气候。这些“区域潮湿时期”为当时暴风雨的发展提供足够的水量,补充了内盖夫含水层。

    虽然81Kr很适合确认时间,但分布资料出乎意料地复杂费解。它显示出氪与氘之间有有趣的共变。氘是一种氢同位素,比一般水中的氢更重。

    “我们正在寻找δD(氘,音同刀),即氘与一般氢的比值,”TRACER中心博士后研究扎帕拉(Jake Zappala)说。“这个数值在不同的水体之间,会因水的来源和天气状况不同会有所差异。”

    因为氘的质量比氢大,所以有不同的特性,蒸发和凝固点都不同。

    例如,当蒸发快速发生时,如地中海上空,氘呈现出独特的特征,与全球降水趋势有所不同。尽管和氢相比,氘非常罕见,10,000个水分子中只有一个含有一个氘原子而不是氢,却可以非常精确地测量。

    因此,科学家们可以根据其稳定同位素的特征分别不同水体,就像水体的“指纹”。研究人员解释,每种气候模式都有自己的印记。

    芝加哥大学地球物理科学系研究副教授、研究第一作者Reika Yokochi说:“这个研究显示这些工具深具潜力,比过去更能追踪水的运动。”

    根据资料的共变和空间分布,研究团队确定来自两次补水事件的水来源不同。大约40万年前,该地区比现在更凉爽,水分是以热带羽流的形式从大西洋传来。

    前一次的回补在不到4万年前,可能是最近一次重大冰川事件,又称末次冰期期间,地中海飓风所导致。

    Yokochi指出,另一个值得注意的地方是,含水层的水来自地震断层带附近,这显示断层可以作为一堵“墙”,保存数十万年来相对较新的水份。

    她说,“世界各地其他断层带也可能存在类似的水层。”

    (编辑:William)

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    覆盖以色列境内一半陆地的内盖夫沙漠极度干燥,部分地区每年的降水量不到3英寸,称为超干燥(hyper-arid)。不过其实直到现今,内盖夫沙漠下方仍有含水层。

    了解这个含水层的来源、储量以及正在发生的变化,对于保护和分配关键资源至关重要。

    以色列内盖夫本古里安大学(Ben-Gurion University of the Negev)研究人员与美国能源部与芝加哥大学阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)合作,深入研究藏在内盖夫沙漠和以色列大部分国土下的努比亚砂岩含水层系统。

    内盖夫沙漠的拉蒙坑景观。Anat Keydar摄(CC BY 2.0)

    结合阿贡实验室无线辐射测年技术与水成分同位素指纹分析,研究人员不仅可分辨出水沉积的时间,还知道它来自何处以及近40万年前水层产生时的气候条件,也是科学家首次利用地下水描绘出古老的水文气候。

    《美国国家科学院院刊》在线版7月29日刊登了一篇介绍该研究的文章〈放射性氪揭露沙漠深处含水层的双重水分来源〉。

    “内盖夫沙漠下面的含水层今日并没有在补充水份,因此很明显地,该地区过去曾有过多雨的时期,”阿贡实验室放射性同位素分析中心(TRACER)首席物理学家穆勒(Peter Mueller)说。

    为了确定这个含水层的补水时期和机制,研究团队从当地的20多口井中收集水,分离出氪气,并使用阿贡实验室为核物理测量发展出的“Atom Trap Trace Analysis”(ATTA)的分析方法进行分析。

    ATTA测量水中微量的稀有氪(Kr)同位素81Kr,可以测定4万年前到150万年前的水,这远超出了放射性碳年代测定的范围,放射性碳测年超过4万年便不准确。

    ATTA分析显示,井中的水来自两次主要的补水事件,分别发生在4万年前和近36万年前。两个时期刚好都是较凉爽的气候。这些“区域潮湿时期”为当时暴风雨的发展提供足够的水量,补充了内盖夫含水层。

    虽然81Kr很适合确认时间,但分布资料出乎意料地复杂费解。它显示出氪与氘之间有有趣的共变。氘是一种氢同位素,比一般水中的氢更重。

    “我们正在寻找δD(氘,音同刀),即氘与一般氢的比值,”TRACER中心博士后研究扎帕拉(Jake Zappala)说。“这个数值在不同的水体之间,会因水的来源和天气状况不同会有所差异。”

    因为氘的质量比氢大,所以有不同的特性,蒸发和凝固点都不同。

    例如,当蒸发快速发生时,如地中海上空,氘呈现出独特的特征,与全球降水趋势有所不同。尽管和氢相比,氘非常罕见,10,000个水分子中只有一个含有一个氘原子而不是氢,却可以非常精确地测量。

    因此,科学家们可以根据其稳定同位素的特征分别不同水体,就像水体的“指纹”。研究人员解释,每种气候模式都有自己的印记。

    芝加哥大学地球物理科学系研究副教授、研究第一作者Reika Yokochi说:“这个研究显示这些工具深具潜力,比过去更能追踪水的运动。”

    根据资料的共变和空间分布,研究团队确定来自两次补水事件的水来源不同。大约40万年前,该地区比现在更凉爽,水分是以热带羽流的形式从大西洋传来。

    前一次的回补在不到4万年前,可能是最近一次重大冰川事件,又称末次冰期期间,地中海飓风所导致。

    Yokochi指出,另一个值得注意的地方是,含水层的水来自地震断层带附近,这显示断层可以作为一堵“墙”,保存数十万年来相对较新的水份。

    她说,“世界各地其他断层带也可能存在类似的水层。”

    (编辑:William)

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