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基于惰性气体的华北平原深层地下水年代序列与古补给环境研究

批准号:
42072290
项目类别:
面上项目
资助金额:
61.0 万元
负责人:
卫文
学科分类:
水文地质学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
卫文

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
大型沉积盆地含水层中赋存的地下水资源的可持续开发利用是关系区域社会经济和生态环境和谐发展的关键因素。华北平原是典型的资源型缺水沉积盆地,近几十年来的强烈开采,已引发区域地下水位持续下降、地面沉降、水质恶化等诸多环境地质问题,危机供水安全、粮食安全与重大工程安全。地下水的年龄,作为表征地下水资源可持续更新能力的重要参数,能够反映区域地下水系统流动特征以及对人类活动的响应。以往基于14C定年结果认为该区深层古地下水的年龄不超过40ka,然而近年来一些学者采用36Cl和4He等手段研究后认为深层承压水的年龄已远远超出了14C的测年上限。因此,本项研究将联合应用多种环境示踪剂(14C、4He和81Kr)定年方法,构建华北平原深层地下水的年代序列,同时结合惰性气体重建古温度与古湿度信息,以揭示区域地下水系统的流动规律与古补给环境演化,为华北平原区域经济社会可持续发展和国家重大需求提供重要科学依据。
英文摘要
The sustainable development and utilization of groundwater resources in large sedimentary basins is significant for the harmonious development of regional socio-economic and ecological environment. The North China Plain is a typical water-deficient region. An intensive exploitation of deep confined freshwater over the last several decades has caused many environmental and geological problems such as the continuous decline of groundwater level, land subsidence, and deterioration of water quality in the area,which also threatens the safety of water supply, food security, and major engineering safety. The age of groundwater, as an important parameter to characterize the properties and renewal ability of groundwater resources, can reflect regional groundwater system flow characteristics and response to human activities. The previous results of groundwater ages in the deep confined aquifer were not more than 40 ka by using 14C method. However, some scholars suggested that the groundwater age is far beyond the 14C dating limit by using 36Cl and 4He approaches. Therefore, this study will combined multiple environmental tracers (14C, 4He and 81Kr) to accurately determine the age of deep confined water in the North China Plain. Meanwhile, combining the dissolved noble gases to restore the paleo-temperature and paleo-humidity information, to reveal the formation and evolution process and the paleo-recharge environment of the regional groundwater system, and provide important scientific basis for the sustainable economic and social development of the North China Plain and the major national needs.
华北平原作为典型的资源型缺水沉积盆地,近几十年来的强烈开采,已诱发诸多环境地质问题,严重威胁到区域生态安全与可持续发展。本项目聚焦于华北平原中部至滨海平原的深层地下水,综合运用水文地球化学、同位素示踪、稀有气体以及核素81Kr等先进技术手段,深入开展了地下水补给来源识别、地下水定年、稀有气体古气候研究,以及地下水循环演化与更新等多方面的研究工作。主要研究成果如下:.(1)4He成因分析及年龄研究:地下水中4He的浓度范围为5.64E-7~3.23E-5 ccSTP/g,且呈现出随地下水流动距离增加而显著上升的趋势。通过三端元混合法对地下水中的4He的成因进行解析,结果表明,4He主要源于放射性成因,占比高达89.9%~98.6%,而地幔成因仅为0.22%~5.37%。通过4He累积速率法估算出地下水的4He年龄为87.9~9519.2 ka,该数值远超过地下水的14C年龄,充分表明4He除了原地聚集生成外,还存在大量由地壳向含水层的释放通量,且该通量与地质构造以及地震活动等因素密切相关。.(2)精确地下水年代标尺的构建:联合运用多种环境示踪剂(3H、85Kr、14C、4He和81Kr)测年方法,成功构建了华北平原深层地下水精确的年代标尺,其中最古老的地下水样品的年龄接近100万年。此外,在81Kr年龄的约束下,对中部和滨海地区地下水中4He的积累速率进行了估算,分别为1.3E-11和5.1E-11 cm3STPg/a,对于4He定年的推广具有重要的参考价值。.(3)基于稀有气体数据的古气候解析:利用封闭系统平衡(CE)模型以及Monte Carlo模拟方法,对华北平原地下水中的稀有气体数据进行深入解读。结果显示,华北平原地下水的古补给温度范围为8.0~16.8℃,过量空气(∆Ne)的变化特征指示了气候环境在约10万年前发生了从暖湿到寒冷干燥的转变。.(4)地下水流动速率与更新能力评估:通过估算,明确了华北平原地下水的平均流动速率呈现出从中部平原的0.68~0.75 m/a向滨海平原逐渐降低至0.12~0.18 m/a的趋势,这表明该区域地下水更新能力较弱,在人类时间尺度上应被视为不可再生资源。.本项研究全面揭示了华北平原区域地下水系统的流动模式以及古补给环境的演化规律,为华北平原区域经济社会的可持续发展以及国家重大需求提供了坚实的科学依据。
共和盆地末次冰期以来地下水中的惰性气体古气候记录研究
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