2019-07-31 10:12:02
科学家使用同位素揭示了40万年前含水层如何重新填充

科学家使用同位素揭示了40万年前含水层如何重新填充.jpg

覆盖以色列陆地面积一半的内盖夫沙漠非常干燥,每年的部分水量不到3英寸。但在它之下的是维持该地区人民和农业的水。了解它的来源,存在多少以及发生了什么对于关键资源的安全性和分配至关重要。

以色列内盖夫Ben-Gurion大学的研究人员正在与芝加哥大学及附属阿贡国家实验室的同事合作,以更好地了解Nubian砂岩含水层系统,该系统位于内盖夫和以色列其他地区的大部分地区。

通过将Argonne的先驱无线电测年技术与水的成分的其他同位素特征结合起来,研究人员不仅能够分辨出水的沉积时间,还知道它来自哪里以及产生它的气候条件达到近40万年前。 “美国国家科学院院刊”的一项新研究中详细介绍了这一结果,这标志着科学家们第一次能够利用地下水建造一幅远古时代的古代气候水。

“清洁水对于维持生命至关重要,随着全球气候变暖的进展,我们需要能够预测未来的水供应 - 这取决于在过去的温暖和寒冷时期了解水的分布,”该部门的研究副教授Reika Yokochi说。芝加哥大学地球物理科学系和该研究的第一作者。 “这个项目向我们展示了这些工具可能真正具有变革性 - 跟踪水运动的速度远远超过我们以前的能力。”

诱捕原子寻找线索

Negev下面的含水层今天没有得到补充,所以显然有时候该地区收集的地下雨量要多得多,“Argonne的陷阱放射性同位素分析中心或TRACER的物理学家Peter Mueller说。

为了确定何时以及如何发生这种情况,该小组从该地区的20多口井中采集了水,深度为900至4850英尺。然后,使用Yokochi实验室发明的装置,他们分离出氪气并使用一种名为Atom Trap Trace Analysis(ATTA)的技术对其进行分析。

ATTA测量水中痕量的稀有同位素氪-81,可以追溯到150万年前的水。这远远超出了放射性碳年代测定范围,超出约40,000年的准确度。

ATTA分析表明,井中的水通过两次主要的“充电”事件积累 - 一次大约36万年前,一次发生在不到4万年前。两个时期都与通常较凉爽的气候相吻合。这些“区域潮湿时期”已经成熟,可以为暴风雨的发展提供足够的降雨来补充内盖夫含水层。

该团队将氪-81分析与氘配对,氘是一种比“常规”水更重的氢同位素。由于氘与氢的质量差别很大,因此在水蒸发过程中氘的行为会有所不同,最终会变成云和雨。当蒸发很快发生时,就像在地中海上空一样,与全球降水趋势相比,它显示出一种特殊的特征。

因此,科学家们可以根据其稳定同位素的特定特征“指纹”一个水体。研究人员说,每种气候模式都有自己的印记。这有助于他们发现复杂的特征是混合两种不同水体的结果 - 以及它们被补充的时间和地点,以及水的来源。

划分古水

通过这个过程,该团队确定来自两个补给事件的水来自两个不同的来源。大约40万年前,该地区比现在更凉爽,据信水分以热带羽流的形式从大西洋传来。不到4万年前最近的补给可能是上一次冰川最高时的地中海气旋造成的,称为末次盛冰期。

“据我们所知,这是地下水首次直接用作这些长时间尺度的气候档案,”Argonne的TRACER中心的博士后任命Jake Zappala说。 “利用无线辐射定年,我们可以说下雨的时候,重 - 轻水比直接告诉我们一些关于天气模式的信息。所以我们在时间和区域天气模式之间存在直接关联。”

Yokochi说,另一个有趣的观点是水来自地震断层带附近。 “这可能表明,断层可以作为一道”墙“,在数十万年内保存相对较新的水,”她说。 “世界各地的其他断层带可能存在类似的储存库。”

到目前为止,从过去获得可靠的降水数据已经证明是困难的,正如预测当前气候模型的区域变化一样。团队使用的同位素工具的组合可能是解决两者的答案的一部分。

随着这些工具继续为过去气候事件提供更可靠的图像,如内盖夫的区域水循环,研究人员认为这些数据可用于校准类似气候现象的当前模型。

“你的气候模型预测40万年前的正确降水模式吗?”穆勒问道。 “使用我们的数据,建模人员可以及时计算出他们的模型是否正确。这是我们可以提供的关键事项之一。”

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