Forskare får djupare insikter om hur jordbruksmetoder påverkar grundvattnet, delvis tack vare en isotop-grundvattenåldersdateringsteknik som möjliggjorts av ultrakänsliga strålningsmätningar vid US Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory (PNNL).

I en ny studie publicerad i Vetenskapens framsteg tidskrift, fysiker från PNNL samarbetade med Woods Hole Oceanographic Institution, U.S. Geological Survey, och Argonne National Laboratory för att använda isotopdatering för att uppskatta åldern på grundvattenprover från Kaliforniens San Joaquin Valley.

Grundvattenålder kan avslöja viktiga ledtrådar om potentiella föroreningar i akvifären, och hur ofta och från vilka källor grundvattenytan fylls på. Forskare använder denna information för att förutsäga grundvattnets sårbarhet för kontaminering och utarmning, för att bättre förstå grundvattenflödet, för att förbättra modellkalibreringen, och att informera vattenhanteringsmetoder.

Studien i Kalifornien utnyttjade PNNL:s sällsynta förmåga att mäta argon-39 för att identifiera grundvatten som kom in i akvifären mellan 50 och 1, 000 år sedan - en tidsperiod som vanligtvis inte täcks av andra vanliga grundvattenspårare. PNNL är ett av endast två laboratorier i världen med denna förmåga.

Med argon-39-måtten, forskare förstår nu bättre hur jordbruksmetoderna från mitten av 1900-talet kan ha förändrat grundvattnets kemi och, som ett resultat, påverkade tillförlitligheten för den mer konventionella kol-14 grundvattendateringstekniken.

Studien var första gången PNNL:s ultrakänsliga strålningsmätmöjligheter användes som en del av en samarbetsstudie för att lösa ett problem inom grundvattenvetenskap.

"Detta är en av de första möjligheterna vi har haft att arbeta med underjordiska transport- och hydrologisamhällen för att använda denna förmåga för att svara på en fråga inom grundvattenvetenskap, "sa PNNL -fysikern och laboratoriekamraten Craig Aalseth." Detta är en stor milstolpe för oss, men hur vi kom hit är ännu mer intressant, eftersom vi tog delar av vårt grundläggande fysikarbete och vårt nationella säkerhetsarbete för att sätta ihop denna förmåga."

Argon-39 fyller grundvattenåldern

"Argon-39 fyller en saknad bit som en del av en större svit av radiospårare som hjälper grundvattenforskare att bättre förstå grundvattenuppehållstider - och PNNL är en viktig del av det, sa Emily Mace, en PNNL -fysiker som bidrog till studien.

Att spåra radioaktiva isotoper lösta i vatten är en vanlig metod för att uppskatta grundvattenåldern. Dock, argon-39 har historiskt sett underutnyttjats som spårämne för grundvattendatering. Ädelgasradioisotopens långa halveringstid och ultralåga radioaktivitet gör det svårt att mäta med konventionella tekniker.

Argon-39 produceras naturligt i atmosfären och kommer in i akvifären genom regnvatten.

"Genom att titta på spårämnets minskning av radioaktivitet jämfört med den antagna konstanta atmosfäriska nivån, du kan se hur länge det vattnet har varit i kontakt med atmosfären, " sa Mace.

Eftersom vissa isotoper sönderfaller med kända hastigheter, forskare kan mäta det radioaktiva sönderfallet hos olika spårämnen för att uppskatta när vattnet kom in i vattendragaren.

Kol-14 och tritium är bland de två vanligaste radiospårämnena som används för att datera grundvatten. Kol-14 har en halveringstid på cirka 5, 000 år och används för att identifiera vatten som trängde in i akvifern mellan 1, 000 och 30, 000 år sedan. Tritium har en halveringstid på endast 12 år och är användbart för att dejta ungt vatten runt ett decennium gammalt.

Med kol-14 och tritium på motsatta ändar av tidsskalan, det har varit ett stort åldersskillnad i grundvattentiden - tills PNNL steg in för att fylla det.

"Argon-39 är en medelåldersspårare som fyller det gapet precis i mitten, ", sa Mace. "Med en halveringstid på 269 år, det tillåter oss att titta på saker i en skala på 100 år, så det passar verkligen en saknad nisch för grundvattenforskare."

Argon-39-mätningar hjälper forskare att ompröva grundvattenuppskattningar

Forskarna i Kaliforniens grundvattenstudie använde en serie radioaktiva spårämnen för att datera prover från 17 brunnar i San Joaquin Valley. Den stora jordbruksregionen är starkt beroende av grundvatten för bevattning.

Genom att inkludera argon-39-mätningar i studien, forskarna kunde titta närmare på hur jordbruksaktiviteter i mitten av 1900-talet - såsom karbonatjordändringar och bevattningsmetoder - påverkade akvifärens höga karbonatnivåer och, i tur och ordning, potentiellt döljer tillförlitligheten av resultaten från allmänt använda kol-14-dateringstekniker.

Att använda verktyg som argon-39 "ger viktiga begränsningar för att reda ut effekterna av grundvattenblandning och löst oorganiskt kol på kol-14, " sa författarna.

Forskarna fann att konventionell kol-14-datering av grundvattnet i San Joaquin-dalen "överskattar uppehållstiden väsentligt och därmed underskattar känsligheten för modern kontaminering. Eftersom karbonatjordjusteringar är allestädes närvarande, andra grundvattenberoende jordbruksregioner kan påverkas på liknande sätt."

PNNL är bland få i världen som mäter argon-39

PNNL är ett av endast två laboratorier i världen med vetenskaplig expertis och specialiserade verktyg för att ta ultralåga mätningar av argon-39 genom att titta på dess radioaktiva sönderfall. Den andra är universitetet i Bern i Schweiz.

"Argon-39 är historiskt svårt att mäta av många anledningar, "Sa Aalseth." Den har inte en särskilt specifik signatur (isotopfingeravtryck), det kräver specialiserad argonkemi, och radioaktiviteten är mycket låg på grund av den långa halveringstiden, så du behöver en mycket låg bakgrundsmätning.

"Detta är allt som PNNL kunde föra samman för denna studie, " han sa.

PNNL:s förmåga att mäta argon-39 möjliggörs av mycket känsliga strålningsdetektorer designade och byggda av ultraren koppar av PNNL-forskare. De ultrakänsliga mätningarna tas 60 fot under jorden i PNNL:s Shallow Underground Laboratory. Anläggningen är utrustad med instrumentering för detektering av ultralåg strålning som minskar störningar från bakgrundsstrålning – eller strålning som förekommer i den naturliga miljön – med 99 %.

PNNL:s arbete med argon-39 kommer från dess Ultra-Sensitive Nuclear Measurements Program, som inkluderar utveckling av mycket känsliga strålningsdetekteringsverktyg för att stödja icke -spridning av kärnvapen som en del av PNNL:s nationella säkerhetsuppdrag.

En teknik, flera applikationer

"Det visar sig att samma teknik som vi använder för att upptäcka argon-37-en isotop som har en mycket kortare halveringstid-för att tillhandahålla verktyg för att övervaka saker som efterlevnad av det omfattande nukleära testförbudet är också särskilt bra för mätning argon-39 och idealisk för att bestämma tidsskalor som de som är viktiga för grundvatten, sa Aalseth, som leder programmet Ultra-Sensitive Nuclear Measurements.

Aalseth sa att grundvattenstudiesamarbetet är ett exempel på vad som kan hända när tvärvetenskapliga team arbetar tillsammans för att utveckla vetenskapsbaserade lösningar som kan användas för att tackla tuffa utmaningar över uppdragsutrymmen – från nationell säkerhet till geovetenskap till grundläggande fysik.

"Vi ser argon-39 åldersdateringsmätningen som en indikator på vilka andra saker som kan vara möjliga, "sa han." Till exempel det finns andra isotopmätningar som kan vara mycket värdefulla för miljövetenskapen, och det är broar som vi väldigt gärna vill bygga."