1 Ma以来华北平原地下水古补给记录及幕式演化

Deciphering paleorecharge and groundwater evolution is of great importance for understanding and predicting the impact of climate changes on groundwater. Studies have shown that paleorecharge occurred episodically since the late Pleistocene, which was response to the changes of paleoclimate and sea level. However, these studies have been based on radiocarbon dating. There is a limited knowledge of the impacts of past climate changes on groundwater evolution beyond this age range. This project will study groundwater evolution in the North China Plain using radionuclide krypton-81 and helium-4 accumulation dating method together with stable isotope and noble gas tracers. A key focus of this study is on understanding paleorecharge conditions and paleoclimate changes, with a special focus on dating groundwater beyond the carbon-14 dating range. This study will reveal the major phases of evolution and their responses to paleoclimate and sea level, and reconstruct paleorecharge and groundwater evolution in the North China Plain since the last one million years. The results of this project will provide key information for coping with future climate change and the sustainable management of groundwater resources.

了解古水文补给及地下水演化对揭示气候和海平面变化对地下水的影响有着重要意义，是预测未来气候变化影响的重要依据。已有研究表明，晚更新世末期3万年来的古补给具有不等幅的阶段性的特征，与古气候变化和海平面变化相对应。但由于碳-14测年范围的局限，对第四纪中期以来更大时间尺度的地下水演化及气候变化的影响尚不清楚。本项研究以华北平原深层地下水为研究对象，应用放射性核素氪-81和稀有气体氦-4测年新技术，联合使用稳定同位素、惰性气体等方法，重点开展碳-14测年上限以外的古老地下水年龄测定及古补给研究，阐明主要供水含水层的地下水形成年代，获得地下水古补给条件及古气候记录，揭示地下水演化阶段及其对古气候和海平面变化的响应，重建100万年来地下水演化过程。力图在大尺度地下水演化和古气候变化研究方面取得突破，为国家应对未来气候变化和地下水资源可持续开发管理提供科学依据。

由于碳-14测年范围的局限，目前有关古地下水演化的认识局限于3万年以来的历史，对更大时间尺度地下水对气候变化的响应尚不清楚。本项研究以华北平原深层地下水为研究对象，应用放射性核素氪-81和稀有气体氦-4测年新技术，联合使用稳定同位素、惰性气体等方法，重点开展了超过14C测年上限的地下水年龄测定及古补给研究，取得主要进展如下：.（1）通过放射性氪-81进行“标定/校准”，建立了基于氪-81标定的地下水氦-4测年改进方法，提出了基于氦-4含量的地下水测年方法优选准则，并被IAEA采纳。.（2）建立了深层承压含水层地下水年龄结构，阐明主要供水含水层的地下水形成年代和古补给条件。发现地下水的年龄多分布在间冰期，与黄土和石笋记录的夏季风强盛期对应，反映出地下水的补给主要是夏季风带来的丰沛降水，证实了地下水幕式演化特征的科学假说。.（3）首次获得了100万年以来地下水惰性气体古温度记录，表明在过去的100万年里，华北平原陆地平均温度变化在7.5℃～15.6℃，温度最低的是末次冰期极盛期（MIS2），平均温度比现今低约5℃左右；与南极冰芯和深海沉积记录不同，我们的记录显示MIS13是近100万年以来最暖的间冰期，平均温度比现今高～3℃，与黄土古土壤S5-1记录的强夏季风一致。MIS11和MIS5e是近45万年来温度较高的间冰期，平均温度分别为11.2±1.2℃、11.3±0.50℃, 比现今低～1.5℃，与全新世气温相近。这些温暖间冰期季风气候与受控于太阳辐射和北半球冰盖共同作用的热带辐合带北移以及热带太平洋地区持续的类似ENSO状态有着密切关系。上述研究结果加深了长期以来对夏季风变化问题上的认知，并为国家应对未来气候变化和地下水资源可持续开发管理提供了科学依据。