海水入侵下淡水透镜体的放射性碳年龄测定与水质演化研究中文标题

本刊推荐：为应对全球沿海地下水盐化问题，研究人员聚焦荷兰北海海水入侵过程，利用放射性碳（14C）定年与水文地球化学质量平衡（CMB）技术，量化了入侵海水的年龄（0.37–6 ka）及地球化学反应对14C定年的影响。研究揭示了海水入侵的双模态年龄分布特征，为沿海水资源管理提供了关键科学依据。

　　

在全球气候变化和人类活动加剧的背景下，沿海地区地下水资源的盐化问题日益严峻。海水入侵（Seawater Intrusion, SWI）不仅威胁着全球沿海地区的饮用水安全，还影响着农业灌溉和生态系统的稳定性。尽管放射性碳（¹⁴C）定年技术已被广泛应用于古老地下水的年龄测定，但针对 actively intruding seawater（主动入侵海水）沿流动路径的地球化学过程及其对¹⁴C定年精度的影响，仍缺乏系统量化研究。尤其是在复杂的含水层系统中，沉积有机质（Sediment Organic Matter, SOM）氧化、碳酸盐溶解-沉淀等反应会显著稀释或富集¹⁴C信号，导致年龄估算偏差。因此，精确刻画入侵海水的年龄分布与演化机制，对理解海岸带水文历史、预测盐化趋势及制定水资源管理策略具有重要意义。

在此背景下，研究人员选择荷兰西部沿海沙丘地带作为天然实验室，针对入侵的北海海水（Coastal North Sea Water, CNS）开展了一项综合研究。该区域具有逾百年地下水开采历史，且建有高密度多层监测井网络，为追踪海水入侵过程提供了理想条件。研究旨在通过结合¹⁴C定年、水文化学与同位素示踪技术，回答两个核心问题：一是如何准确校正地球化学反应对¹⁴C年龄的影响；二是入侵海水的年龄分布如何反映海岸带古水文演化与人类活动的印记。相关成果发表于《Applied Geochemistry》，为沿海地下水研究提供了方法论范例和实证案例。

为达成研究目标，团队依托两条垂直于海岸的剖面（北部与南部），采集了18个深度介于84–183米 below sea level (BSL) 的咸水样品，并分析了主量离子（如Cl、Na、Ca、SO₄）、痕量元素（B、Sr、Mo等）及多种同位素（δ¹³C_DIC、¹⁴C_DIC、δ¹⁸O、³H）。关键技术创新在于开发了Excel-based化学质量平衡代码R+SWi，该模型整合了20个水质参数与15类反应（如SOM氧化、黄铁矿形成、阳离子交换），并利用Solver算法校准反应通量。此外，研究通过直接年龄模拟（SEAWAT模型）重建了3.5 ka BP以来的水文演化，并与¹⁴C年龄分布进行对比验证。

3.1. 主量离子与入侵前锋空间特征

水化学数据表明，入侵海水Cl浓度沿流动路径呈规律性下降，北部剖面入侵前锋距海岸约9 km，南部约7 km。Na、Mg、SO₄等保守离子与Cl表现出良好相关性，印证了CNS的端元特征。值得注意的是，HCO₃、DIC（溶解无机碳）、NH₄、Fe等非保守组分在近海岸监测井中已显著升高，而O₂和NO₃被完全消耗，指示早期还原反应主导了地球化学演化。

3.2. 痕量元素揭示反应路径差异

痕量元素可分为保守型（Br、Sr）、吸附型（B、Li、Mo、Rb）和活化型（Ba、As）等类别。其中B、Mo、Rb在北部剖面呈现双峰分布，与¹⁴C年龄分组高度一致：高浓度组对应年轻海水（1.3–2.2 ka），低浓度组对应古老海水（3.3–6.6 ka）。Ba的普遍富集则暗示超细重晶石颗粒的存在，可能源于含水层颗粒滤过效应。

3.3. 同位素示踪混合与反应过程

δ¹⁸O与Cl的关系清晰区分了河流混合与淡水混入效应。δ¹³C_DIC沿流动路径显著降低（从-0.5‰至-12.5‰），且与¹⁴C活性呈正相关，印证了SOM氧化对DIC库的贡献增强。³H均低于0.03 TU，排除现代水混入干扰。

3.4. 反应框架与质量平衡建模

基于矿物饱和度指数（SI_M）和岩性特征，研究构建了分阶段反应框架：海底沉积物中以O₂/NO₃还原为主；Holocene弱透水层中发生Fe(OH)₃与SO₄还原、黄铁矿沉淀；深部Pleistocene含水层则以阳离子交换和菱铁矿溶解为特征。R+SWi模型显示，SOM氧化与阳离子交换是主导反应，其中ΔFeS₂、ΔFe(OH)₃、ΔCH₂O与ΔCaCO₃间存在显著协变关系，反映了SO₄还原驱动的成岩耦合。

3.5. 放射性碳年龄与时空分布

通过四种年龄模型（A–D）对比，确定模型D（整合CMB与同位素分馏效应）最为可靠。校正后¹⁴C年龄呈现双峰分布：年轻组（<3 ka）集中于北部剖面近岸区，古老组（3–6 ka）广布于南部及北部远岸区。空间上可分为三个脆弱性分区：a区（<2 ka）、b区（3–5 ka）、c区（5–6 ka），其中a区形态指向历史开采井群，反映人类活动对入侵速率的加速作用。

3.6. 直接年龄模拟验证

SEAWAT模型重现了3.5 ka以来的淡水透镜体演化与海水入侵过程。模拟年龄分布与¹⁴C年龄在整体格局上高度一致，尤其3 ka等值线有效区分了年轻与古老水体。局部偏差（如24H716井）可能源于地质非均质性或剖面投影误差，但整体验证了¹⁴C年龄模式的可靠性。

本研究通过多方法融合，首次实现了对主动入侵海水年龄的精确量化，并揭示了其双模态演化历史：古老海水（3–6 ka）对应于中全新世海侵期在开阔海岸环境的垂向密度驱动入侵；年轻海水（<3 ka）则与淡水透镜体发育后的循环入侵机制相关，且受人类活动（如哈勒姆梅尔湖围垦、地下水开采）强烈加速。研究强调，Holocene沉积物中碳酸盐与有机质的¹⁴C活性是年龄不确定性的主要来源，但不足以掩盖年龄分带的显著性。

从管理视角看，北部剖面更高的盐化脆弱性挑战了海岸带均匀性假设，提示地下水资源开发需规避高入侵风险区。方法论上，R+SWi模型为复杂水文地球化学过程建模提供了可推广工具，尤其适用于含多反应路径的咸淡水系统。未来研究可结合更多新兴示踪剂（如³⁹Ar、⁸¹Kr），进一步约束古老水的年龄范围。总之，该研究不仅深化了对海岸带水文演化的理解，也为应对全球变化下的盐化挑战提供了科学基础。