嵌套结构|“看不到地下水流，就把它‘画’出来”( 二 )
取样之后就是“定年” 。不过 ， 常用的氚（3H）和碳（14C）同位素方法测定上限分别为60年以内和4万年以内 ， 这对于年龄动辄超过4万年的大型盆地深层地下水而言 ， 显得不够用 。
“本次研究采用了最新的氪（Kr）同位素定年技术 。” 庞忠和对《中国科学报》介绍说 ， 5年前我们和中国科技大学教授卢征天团队合作 ， 开展测量技术和应用条件的研究 。
Kr是惰性气体 ， 81Kr的半衰期是23万年 ， 定年范围可达130万年 ， 而且81Kr在地下无干扰源 ， 化学性质稳定 ， 不和其他物质发生反应 ， 是古老地下水的理想定年方法 。但该方法的应用长期受限 ， 这缘于81Kr同位素在自然界中的丰度极低 ， 传统方法很难以检测到 。
在破解这一难题过程中 ， 量子测量技术发挥了重要作用 。庞忠和告诉采访人员 ， 基于激光冷却原子阱技术（ATTA） ， 卢征天团队自主研发了ATTA痕量同位素分析实验装置 ， 为81Kr的痕量分析提供了“测量神器” ， 现在定年只需要20千克水样 ， 大大拓展了该方法应用领域 。
卢征天团队也是本次研究的重要参与者 。他告诉采访人员 ， ATTA是一种量子测量技术 ， 该方法可实现单原子水平的计数 ， 具有极高的灵敏度 。
“ATTA可以在每微升为10-14同位素水平(STP)的氪气中计数极低浓度的85Kr和81Kr原子 。”卢征天对采访人员解释道 ， 通过技术改进 ， 他们目前已经获得了更好的原子冷却、收集和检测效率 ， 可将Kr同位素定年实际应用所需的地下水样品量从200kg减小到 20kg ， 并提高了测量精度和定年范围 。现在 ， 中国科学技术大学是国际上唯一拥有有能力实现地下水采样、气体分离提纯和ATTA同位素分析完整流程的实验室的单位 。
“在ATTA技术加持下 ， Kr同位素定年法已成为国际上公认最好的古地下水定年方法 。”庞忠和说 。
让地下水流“显形”
综合运用地下水分层抽水试验系统、3H、14C、81Kr和85Kr以及水化学成分等多种示踪定年和数值模拟等技术 ， 研究团队在钻孔内确定了详细的地下水位、年龄和地球化学实测剖面 。
“这些剖面可以帮助我们更好地区别地下水多级嵌套系统之间的界面 。”张俊说 ， 通过将这些实测剖面与数值模拟结果得到的地下水流场和年龄场进行对比验证 ， 就可以基于多种证据圈定地下水系统的空间结构 ， 从而有效识别并精细刻画出地下水系统的多级嵌套结构（如图） 。
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鄂尔多斯乌审召盆地地下水系统的多级嵌套结构：（a）图是地下水流系统多级嵌套结构示意图 ， （b）图是地下水流和年龄数值模拟结果 。张俊供图
与前人在鄂尔多斯盆地的研究结果（地下水最大年龄4万年）相比 ， 该研究首发现超过20万年的地下水 ， 得到的地下水年龄剖面比以往研究更加精细准确 ， 使人们对鄂尔多斯盆地地下水循环规律的认识达到了新的高度 。
“这是我国地下水科学界20年努力的一个里程碑式的进展 。”庞忠和告诉《中国科学报》：“如果说上个世纪澳大利亚大自流水盆地的研究给人们呈现了大型沉积盆地地下水循环的宏大格局的话 ， 今天我国的鄂尔多斯盆地则展示了这个循环系统的丰富内涵和精湛细节 。而这恰恰反映了其本质特征 。”
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