古地下水测年法在高放废物地质处置中的应用周志超;云龙;王驹;苏锐;郭永海;闻晓慧;李杰彪【摘要】文章论述了古地下水测年法的原理、适用范围及其在高放废物地质处置中的应用,分析对比了各种测年方法的优缺点,旨在为高放废物地质处置库选址中的水文地质研究提供参考.【期刊名称】《铀矿地质》【年(卷),期】2014(030)001【总页数】8页(P57-64)【关键词】地下水测年;高放废物;吉地下水;地质处置【作者】周志超;云龙;王驹;苏锐;郭永海;闻晓慧;李杰彪【作者单位】核工业北京地质研究院,中核高放废物地质处置评价技术重点实验室,北京 100029;核工业北京地质研究院,中核高放废物地质处置评价技术重点实验室,北京 100029;核工业北京地质研究院,中核高放废物地质处置评价技术重点实验室,北京 100029;核工业北京地质研究院,中核高放废物地质处置评价技术重点实验室,北京 100029;核工业北京地质研究院,中核高放废物地质处置评价技术重点实验室,北京 100029;中铁资源地质勘查有限公司,北京 100039;核工业北京地质研究院,中核高放废物地质处置评价技术重点实验室,北京 100029【正文语种】中文【中图分类】P641.2;TL94高放废物安全处置关系到核能工业持续发展和环境保护等重大问题。

当前国际上普遍接受的可行方案是对高放废物实施深地质处置。

对于高放废物地质处置库系统而言，最有可能使处置库中放射性核素释放并进入生物圈的机制是地下水的作用，一般地说，高放废物处置库场地必须具备低流速和弱渗透的水文地质条件。

而高放废物地质处置注重的是场址区水文地质系统高达万年尺度以上的时间行为与表现。

因此，查明地下水循环过程，识别地下水体赋存条件及其特性，评价基岩阻滞放射性核素的迁出能力等就需要获取地下水年龄等信息。

地下水年龄是指水在地下存留的时间，即水进入地下这一“事件”至今的时间。

通常是地下水的平均滞留时间即地下水的平均年龄，其有助于定量评价地下水的循环速度和可更新能力。

近年来，伴随着核科学的发展及测试技术的提高，同位素技术成为其中最重要的手段之一，由于其在地下水定年方面具有无可比拟的优势，有力地推动着地下水相关研究工作，同位素技术开辟了一个新的时代，还带动了一些化学测年方法的发展，成为水文地质学的一个新兴领域[1]。

高放废物地质处置关注的是场址区水文地质系统万年尺度以上的时间行为与表现，古地下水年龄作为其水文地质工作中的核心问题之一，其研究就显得尤为重要。

古地下水是指1ka以前入渗补给的地下水，显示地下水交替非常缓慢，古地下水测年对于确定核废地质处置场址地下水的滞留时间、区域万年尺度地下水系统特征、深层地下水循环模式及其动力学研究、深部环境水文地球化学特性、低渗透介质中地下水循环快速通道的形成条件与确定方法等非常重要，其研究对于深刻揭示高放废物地质处置场址的地下水规律，科学认识深部地质环境，从而达到有效的处置场址的安全性能评价，有着广泛的应用前景和现实意义。

1 古地下水测年方法地下水的年龄通常是指地下水体的平均存留时间，同位素水文地质学家认为年龄为水样所代表的综合运移时间，尽管年龄与滞留时间在概念上不同（Kzaemi et al.，2006），但是年龄和平均滞留时间可以相互交替使用[2]。

古地下水测年主要通过较长半衰期的同位素（如14 C、36 Cl和81 Kr等）来测定其年龄。

1.1 古地下水测年原理分类理论上古地下水的年龄可由达西定律和连续方程结合计算地下水的迁移时间、放射性核素衰变、地下放射性作用产生物的积累、核素与子体间的平衡、地下水与古气候示踪剂的关系和测定年代的地质事件相关离子的信息提取等方法来估算。

亚利桑那大学的Davis和Bentley（1982）梳理了当前有前景的地下水测年法，把它们按原理归纳成8类，其中可用于古地下水测年的方法有以下6类（表1）。

1.2 古地下水测年方法古地下水对于高放废物地质处置库的评价是非常重要的，目前古地下水测年方法正在逐渐发展之中，测年方法及范围见图1和表2。

表1 古地下水测年方法的原理分类Table 1 Classification of principle by fossil groundwater dating methods注：据Davis and Bentley修改，1982。

序号方法原理研究程度1 地下水动力学方法达西定律：V＝KI 成熟，误差大2 稀有气体积累法放射性衰变产物（4 He等）在地下水中的积累20世纪80年代以来发展较快，误差＞±100%3 不平衡铀系法不平衡部分的衰变234 UAX＝234U0AXe－λt 半定量4 化学物质不平衡法亚稳态化合物的演化V＝f （t－τ0）用作计时探索阶段5 古气候信息相关分析法（稀有气体）古气候变迁与水中储存的古气候信息相关分析成熟，与其他方法相互印证使用效果好6 区域水文地质历史法各种传统方法，是解释各种数理方法所获得结果的基础成熟，半定量图1 古地下水同位素测年方法的测量范围Fig.1 The measurement time scale of fossil groundwater dating methods表2 古地下水测年方法的年龄分类Table 2 Classification of fossil groundwaterdating methods by dating ages方法半衰期（a）最佳测年时段（a）古地下水（＞1ka）碳－14法（14C）氪－81法（81 Kr）铀－234法（234 U／238 U）氯－36法（36Cl）碘－129法（129I）氦－4聚集法（4 He）稳定同位素法（δ2 H，δ18 O）稀有气体古气温法水力学法（活塞流法、水流输入和输出及补给速率校正）5730 210×103 248×103 301×103 1570×106 1～40×103 20～1000×103 20～1500×103 60～2000×103＞3×106（极古水，油气）10～100×106＜3×106全时段全时段1.2.1 放射性同位素测年方法在古地下水放射性同位素测年中，目前最常用的是14C测年，但这种方法的测年上限仅为5万年，对于更古老的地下水年龄测量，还有81 Kr、36Cl和129I等放射性同位素测年方法（表3）：表3 可用于测定古地下水年龄的大气成因放射性同位素Table 3 Aavailable radioisotopes from atmosphere for fossil groundwater dating同位素半衰期（a）降水中浓度（dpm·L－1）取样量（L）碳－14 5730 10－1 1～10氯－36 301×103 10－5～10－4 10氪－81 21×104 10－8 50碘－129157×105 —501.2.1.1 14C测年法14C半衰期为5730a，测年范围上限（5～6）×104 a，超高灵敏质谱计数法（加速器法）可能测至1×105 a。

14C测定地下水年龄已有较完善的理论基础，已经成为最常用的次现代地下水和古地下水年龄测定方法[1]。

自然界存在的14 C 有天然和人工两种。

人工14 C来源于人工核反应，如空中核爆炸、核反应堆和加速器等。

一般的说，宇宙成因的14 C的产生速率比较稳定，人工核反应对这一稳定性起着干扰作用，此外地下的一些天然核反应也能产生少量的14 C，当数量达1pmc时就会对测定古地下水年龄产生一定的影响。

1957年Munnich首次将14 C用于地下水溶解无机碳年龄测定，并建立了基本方法，但是不同气源溶解无机碳具有不同的初始浓度；且在水流动时，溶解无机碳的起源结构会随新的来源参与而变化，同时地下水在补给过程中也可能会发生一系列的地球化学反应，所以要对14C年龄进行校正。

有许多文献对14C年龄校正问题进行过讨论，但基本上是以应用为目的。

而万军伟等（2003）对14 C年龄校正问题进行了较详细的讨论，共介绍了9种校正模型，分别对模型的应用条件及原理进行论述，并对每种模型进行评价。

应用时可以根据具体的条件选用合适的模型，以期得到的14C年龄更符合实际情况。

1.2.1.2 36Cl测年法36Cl半衰期为3.01×105 a，测年上限可达2.58×106 a，填补14C测年上限5×104 a以后这段空白。

氯具有很强的地下化学活泼性和对水的亲和性，除成因和分布极易确定的蒸发岩矿物以外，在围岩介质中很少生成难溶解矿物、很难被胶体吸附或在生物体内积累，属于地球化学稳定元素。

氯的地球化学特性不仅使得测年时易于进行水文地质和地球化学校正，也使它成为一种理想的水循环示踪剂。

36Cl主要有3个来源：大气成因、地表成因及深部成因。

地表成因和深部成因的36 Cl很难确定，其影响因素和计算也很复杂，这在一定程度上限制了36Cl测年法的应用。

地下水中既有大气成因的36Cl，也有地下起源的36 Cl，但仍可用放射性衰变定律计算地下水的年龄。

根据Bentley（1986）等的研究，地下水中氯离子含量随深度增加或沿地下水流向增高的原因不同，计算地下水36 Cl年龄的方法也各异，他给出了3种不同情况下的计算方法。

国外从36Cl测试到应用都进行了系统的研究，1986年前后Bentley和Davis在方法开发方面做了许多工作。

显示在105～106 a段地下水测年效果最好，但必须和其他方法联合使用、相互印证才能取得较好效果。

Lehmann等（2003）介绍了36 Cl测年法原理和计算过程；Guendouz等（2006）利用36 Cl计算出撒哈拉沙漠地区深部地下水年龄为2.5×104～1×106 a。

此外，欧美学者也将之用于澳大利亚大自流水盆地和加拿大MilkRiver含水层的地下水年龄测定。

我国这方面起步较晚，周炼等（1999）详细研究了样品采集、制备，加速器质谱计测定地下水中36Cl的技术；董悦安等（1999）计算了河北保定及沧州地区地下水的36Cl 同位素年龄，与地下水动力学方法进行了对比，结果具有较好的一致性。

当古水年龄超出其它方法的测试范围时，36 Cl测年法也不失为一种合理的选择[3－4]。

1.2.1.3 81 Kr法测年81 Kr半衰期为（2.29±0.11）×105 a，可测定（5～100）×104 a地下水的年龄，是最有前景的古地下水测年方法。

81 Kr主要在大气层上部通过宇宙射线与大气中的核子反应产生。