環境示蹤劑

環境示蹤劑是一類可以溶解在地下水中的標誌性物質，通過研究該物質的分布規律，進而研究地下水的彌散過程。可以分為天然示蹤劑和人工示蹤劑兩種。利用環境示蹤劑分析“新水”的滯留時間和含水層參數是研究地下水可持續利用的新穎手段之一。

基本介紹

• 中文名：環境示蹤劑
• 外文名：environmental tracer
• 分類：天然示蹤劑和人工示蹤劑
• 用途：研究地下水可持續利用的新穎手段
• 屬性：標記物
• 常見示蹤劑：氯化物、氚、氯氟烴和六氟化硫等

釋義

利用環境示蹤劑分析“新水”的滯留時間和含水層參數是研究地下水可持續利用的新穎手段之一。

地下水示蹤又可分為天然示蹤與人工示蹤兩類。各種溶解於地下水中的離子、分子、膠體及氣體成分，地下水分子的同位素組成、水溶物質的同位素組成以及那些能反映地下水形成背景、賦存環境和流動過程的水化學參數均可作為所謂“天然示蹤劑”，實際上是相應參數的場分析法。

放射性同位素示蹤測井是很重要的一種地下水人工示蹤方法。它是利用人工放射性同位素如¹³¹I、⁸²Br等標記處於天然流場或人工流場中的鑽孔內地下水體，它們隨地下水運動，根據示蹤或者稀釋原理，可以由此測定含水系統某些水文地質參數。

環境示蹤劑的用途

環境示蹤劑法在地下水研究中是不可替代的，它可以確定時間尺度為幾天到幾千年的地下水補給量；分析地下水來源於不同時期和源頭的組合成分；評價人工補給的影響和有效性。環境示蹤劑法可反映非飽和帶土壤水分運動情況，是一種評估地下水補給量的成熟方法。在補給量很小的乾旱環境下，示蹤劑濃度測量精度比土壤水力學測量精度要高很多，因此是替代常規物理測量的好方案。環境示蹤劑還是量化分析大孔隙優先流道的可靠的方法。

示蹤劑法測出的年代實際上是示蹤物的年齡而非水的年代。只有了解和考慮了影響含水層中示蹤劑濃度的所有物理過程和化學過程，才能確定地下水的輸移過程。所有溶解物質的濃度在一定程度上都受到輸移過程的影響，某些示蹤劑的濃度還受到化學過程(如分解和吸收)的影響。為此，”年齡”一詞可用“表觀年齡”取代，以強調對輸移過程的簡化假定，而對於可能影響示蹤劑濃度的化學過程則不予考慮。

環境示蹤劑的種類

環境示蹤劑有很多種，如氯化物、氚(³H)、氯氟烴和六氟化硫等。對於50～70年的地下水，一般用含氯氟烴(CFCs)，和氚-3-氦-3 (³H/³He)示蹤劑測試年代。示蹤劑法的準確性依賴於取樣、分析和解讀，採用CFCs和³H/³He法估算的地下水年齡只能是一種表觀年齡，還必須從地質化學一致性和水文實際情況作進一步分析。對於古老的地下水，可採用同位素碳-14、氧-18和氘、氯-36測定其年齡，可用的其他同位素還在增加。

氯化物示蹤劑

氯化物(CI)穩定且溶於水，是一種廣泛使用的環境示蹤劑。人們對CI在地表乾、濕循環過程中的沉積規律已有了充分認識，故通過對非飽和帶土壤的取樣分析，可以確定一個地區的地下水補給量。

氯化物隨雨水和粉塵降落至地表，溶於水後滲入地下。CI不會揮發且極少被植物吸收，故水被蒸發蒸騰掉後，它仍留在土壤中。長此以往，CI會在土壤根系層區增加，蒸發蒸騰量(ET)越大，則CI聚積越多。伊茲比茨基以沙漠間隙性河床表層高CI含量為例，說明間隙性來水全被蒸發掉而不會補給地下水。

在入滲強烈的地區，CI隨深度增加的幅度會越來越小，且非飽和帶CI濃度極低。在入滲很小的地區，淺層土中CI濃度呈增長趨勢，達最大濃度後，該濃度將一直向下延伸到地下水面處。已公布的研究結果表明，由於古氣候變化和滲流方向反覆變化，入滲量極小的乾旱地區的CI濃度峰值點以下的土壤中CI濃度呈下降趨勢。

氚

氚(³H)是一種氫放射性同位素，半衰期為12.5年，已廣泛套用於水文示蹤和年代測定工作。氚是宇宙射線轟擊上層大氣中的氮生成的，在降雨中的濃度為5-20 TU。氚是一種比較理想的示蹤劑，它作為氫的同位素，形成水分子進入含水層，其運動方式與水的運動方式是一樣的，不會被微生物降解，土壤吸附等因素影響。從 20 世紀 50 年代開始到 70 年代為大氣熱核爆炸試驗時代，核爆產生的同位素（主要是氚）進入了全球降水系統，直至 1990 年全球降水中的氚濃度才逐漸恢復自然水平，但是氚濃度仍沒有完全回到熱核試驗前的水平。所以凡在這個時期通過大氣降雨補給的地下水，氚的濃度相對較高，這就使得氚成為公認的定義“新水”的標誌。

在單向流情況下，克拉克和弗里思提出了如下判別法則：

(1)具有大陸氣候的地區，地下水含氚量低於0.8 TU，是1952年以前形成的地下水。

(2)經歷了1952年前後補給的地下水，含氚量為0.8～4 TU。

(3)1987年後形成的地下水，氚濃度為5-15 TU。

(4)1953年以來形成的地下水，氚濃度為16-30 TU，難以確定更準確的形成時間。

(5)20世紀60年代和70年代形成的、含氚量大於30 TU的地下水。

(6)含氚量50 TU以上的20世紀60年代形成的地下水。

環境中人為形成的氚的衰減，會降低此方法在地下水研究中的實用性。

氚-3-氦-3

為了消除氚齡估算的不確定性，可以採用³H/³He法。氚的放射性衰變產生惰性氣體氦-3(³He)。因此，分析³H與³He之比，可以估算出地下水補給年代。由於這些物質在地下水中基本上是惰性的，不受地下水化學過程的影響，人為污染物中也不含這些元素，因此使用³H/³He年代測定法不需知道H的輸入函式，從而大大擴展了該方法在水文勘察中的套用，包括場地特徵分析、對其他年代測定結果的驗證、地表水-地下水相互影響研究和地下水模型驗證。

氯氟烴和六氟化硫

CFCs 是氟利昂（Chlorofluorocarbons）的縮寫，是 一 類 有 機 化 合 物 ， 其 中 的 CFC-11(CCl₃F)、CFC-12(CCl₂F₂)、 CFC-113(C₂Cl₃F₃)是化學上比較穩定的純人工化合物，可用作示蹤劑。從 20 世紀 30年代開始， CFCs 大規模地釋放到大氣圈和水圈，大氣中的 CFCs 濃度逐年增加。與氚相比，CFCs 的優點在於易檢測，不會產生衰變。用CFC-11(CCl₃F)、CFC-12(CCl₂F₂)、 CFC-113(C₂Cl₃F₃)來測定地下水年齡是可能的，因為：①過去50年它們在大氣中的含量已完全改變；②它們在水中的可溶性已知；③它們在空氣和近代水中的濃度達到了可測量的範圍i將觀測的地下水中CFCs的濃度與大氣中CFCs的濃度建立相關關係，與用平衡公式計算出的水中CFCs的預期濃度建立相關關係，從而得到地下水生成的年代。

與之相似的示蹤劑還有 SF₆，這類示蹤劑雖然不會產生衰變，但更容易受到降解或人類活動的影響，所以這類化學示蹤劑不能取代氚法等傳統方法，但可以作為傳統方法的補充。隨著大氣中CFCs濃度的下降，SF₆是替代CFCs斷定地下水年齡的一種新方法。1953年，隨著高壓空氣開關的出現，工業上開始生產SF₆。SF₆極其穩定，在大氣中積聚很快。根據SF₆的生產記錄和歷史上採集的空氣樣本及當今大氣檢測結果，可以確定大氣中SF₆的時間分布情況。SF₆的時間分布圖還可以根據海水中的含量和已經確定了年代的地下水中的含量進行分析。大氣中的CFC濃度在下降，採用SF₆與CFC-12之比進行斷代，其靈敏度更高。雖然SF₆幾乎全由人工合成，但自然形成的大火有可能產生SF₆，這使用該法進行斷代變得複雜起來。美國地質調查局的科學家成功使用SF₆法確定了美國馬里蘭州德爾馬爾瓦半島淺層地下水的年齡，以及維吉尼亞州藍嶺山脈泉水的年齡。

放射性碳

放射性碳(碳-14，即¹⁴C)是一種半衰期為5730年的碳放射性同位素，它是大氣中的CO₂經宇宙輻射生成的，存在於地球生物圈和水圈中。地殼中生成的CO₂可忽略不計。¹⁴C的活度通常用相對活度表示，它是與標準活度的某一比值。標準活度是現代碳的活度，即碳材料中¹⁴C含量占現代碳的百分比(pMC)表示。100 pMC (即為百分之百的現代碳)相當於1950年的C的活度。此外，¹²C和¹³C對於查找地下水中溶解的CO₂來源、修正¹⁴C所獲得的斷代結果是很有用的。

地下水中的¹⁴C是放射性衰減、土壤介質與水之間的化學反應的結果。這些反應包括二氧化碳和碳酸鹽礦物的溶解。新近降雨的人滲水和含有二氧化碳氣體的非飽和帶水中的¹⁴C是百分之百的現代碳，這是因為它們來自於大氣擴散和植物的呼吸。含二氧化碳的水通過非飽和帶和地下含水層時，會溶解碳酸鹽礦物質，從而增加水中無機碳的濃度，減少水中¹⁴C的成分。年代久遠的地下水在生成時經歷了上述過程，並一直與含水層介質發生著各種化學反應。可見¹⁴C不是一種守恆的示蹤劑，不能直接用於地下水斷代研究。

¹⁴C法可用於30000年以上的地下水斷代，對於含有機碳的地下水，地下水斷代時間應為45 000～50 000年的範圍。在確定地下水與大氣或現代¹⁴C水隔離了多長時間時，需要確定化學反應對地下水¹⁴C成分的影響。有多個模型可用來估算非飽和帶與含水層中化學反應對¹⁴C的影響。簡單模型需要的數據少，而複雜模型需要有關碳同位素成分以及水運移通過滲透區和含水層發生地球化學反應的許多信息。根據相關經驗，在水化學和同位素相同的情況下，不同模型計算的差別可達幾千年。