Les scientifiques acquièrent des connaissances plus approfondies sur la façon dont les pratiques agricoles affectent les eaux souterraines, grâce en partie à une technique de datation isotopique des eaux souterraines rendue possible par des mesures de rayonnement ultra-sensibles au Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) du département de l'Énergie des États-Unis.

Dans une étude récente publiée dans Avancées scientifiques magazine, des physiciens du PNNL se sont associés à la Woods Hole Oceanographic Institution, Commission géologique des États-Unis, et Argonne National Laboratory pour utiliser la datation isotopique pour estimer l'âge des échantillons d'eau souterraine de la vallée de San Joaquin en Californie.

Les âges des eaux souterraines peuvent révéler des indices importants sur les contaminants potentiels dans l'aquifère, et à quelle fréquence et à partir de quelles sources la nappe phréatique se reconstitue. Les scientifiques utilisent ces informations pour prédire la vulnérabilité des eaux souterraines à la contamination et à l'épuisement, pour mieux comprendre l'écoulement des eaux souterraines, pour améliorer le calibrage du modèle, et d'éclairer les pratiques de gestion de l'eau.

L'étude californienne a exploité la capacité rare du PNNL à mesurer l'argon-39 pour identifier les eaux souterraines qui ont pénétré dans l'aquifère entre 50 et 1, Il y a 000 ans, une période généralement non couverte par les autres traceurs courants des eaux souterraines. Le PNNL est l'un des deux seuls laboratoires au monde à avoir cette capacité.

Avec les mesures d'argon-39, les chercheurs comprennent maintenant mieux comment les pratiques agricoles du milieu du 20e siècle ont pu modifier la chimie des eaux souterraines et, par conséquent, affecté la fiabilité de la technique plus conventionnelle de datation des eaux souterraines au carbone-14.

L'étude était la première fois que les capacités de mesure des rayonnements ultrasensibles du PNNL étaient utilisées dans le cadre d'une étude collaborative pour résoudre un problème dans la science des eaux souterraines.

« C'est l'une des premières opportunités que nous avons eues de travailler avec les communautés du transport souterrain et de l'hydrologie pour utiliser cette capacité pour répondre à une question en science des eaux souterraines, " a déclaré Craig Aalseth, physicien et membre du laboratoire du PNNL. " C'est une étape importante pour nous, mais comment nous sommes arrivés ici est encore plus intéressant, parce que nous avons pris des morceaux de notre travail de physique fondamentale et de notre travail de sécurité nationale pour mettre cette capacité ensemble. »

L'argon-39 comble l'écart d'âge des eaux souterraines

« Argon-39 comble une pièce manquante dans le cadre d'une plus grande gamme de radiotraceurs qui aident les scientifiques des eaux souterraines à mieux comprendre les temps de résidence des eaux souterraines - et le PNNL en est un élément clé, " dit Emily Mace, un physicien du PNNL qui a contribué à l'étude.

Le traçage des isotopes radioactifs dissous dans l'eau est une approche courante pour estimer l'âge des eaux souterraines. Cependant, L'argon-39 a toujours été sous-utilisé comme traceur pour la datation des eaux souterraines. La longue demi-vie et la radioactivité ultra-faible du radio-isotope du gaz rare rendent sa mesure difficile avec les techniques conventionnelles.

L'argon-39 est produit naturellement dans l'atmosphère et pénètre dans l'aquifère par l'eau de pluie.

"En regardant la diminution de la radioactivité du traceur par rapport au niveau atmosphérique constant supposé, vous pouvez dire combien de temps cette eau a été hors de contact avec l'atmosphère, " dit Mace.

Parce que certains isotopes se désintègrent à des vitesses connues, les scientifiques peuvent mesurer la décroissance radioactive de divers traceurs pour estimer quand l'eau est entrée dans l'aquifère.

Le carbone 14 et le tritium sont parmi les deux radiotraceurs les plus couramment utilisés pour dater les eaux souterraines. Le carbone-14 a une demi-vie d'environ 5, 000 ans et est utilisé pour identifier l'eau qui est entrée dans l'aquifère entre 1, 000 et 30, il y a 000 ans. Le tritium a une demi-vie de seulement 12 ans et est utile pour dater les jeunes eaux d'environ dix ans.

Avec du carbone 14 et du tritium aux extrémités opposées de l'échelle de temps, il y a eu un grand écart d'âge dans les temps de résidence des eaux souterraines, jusqu'à ce que le PNNL intervienne pour le combler.

"Argon-39 est un traceur d'âge intermédiaire qui comble cette lacune en plein milieu, " a déclaré Mace. "Avec une demi-vie de 269 ans, cela nous permet de regarder les choses à une échelle de 100 ans, donc cela correspond vraiment à une niche manquante pour les scientifiques des eaux souterraines. »

Les mesures d'Argon-39 aident les scientifiques à repenser les estimations des eaux souterraines

Les chercheurs de l'étude californienne sur les eaux souterraines ont utilisé une série de traceurs radioactifs pour dater des échantillons de 17 puits de la vallée de San Joaquin. La grande région agricole dépend fortement des eaux souterraines pour l'irrigation.

En incluant les mesures d'argon-39 dans l'étude, les scientifiques ont pu examiner de plus près comment les activités agricoles du milieu du 20e siècle, telles que les amendements carbonatés du sol et les méthodes d'irrigation, ont influencé les niveaux élevés de carbonate de l'aquifère et, à son tour, obscurcit potentiellement la fiabilité des résultats des techniques de datation au carbone-14 largement utilisées.

L'utilisation d'outils tels que l'argon-39 "fournit des contraintes clés pour démêler les impacts du mélange des eaux souterraines et du carbone inorganique dissous sur le carbone-14, ", ont déclaré les auteurs.

Les chercheurs ont découvert que la datation conventionnelle au carbone 14 des eaux souterraines de la vallée de San Joaquin « surestime considérablement le temps de séjour et sous-estime ainsi la sensibilité à la contamination moderne. Étant donné que les amendements carbonatés du sol sont omniprésents, d'autres régions agricoles tributaires des eaux souterraines peuvent être touchées de la même manière. »

Le PNNL est parmi les rares au monde à mesurer l'argon-39

Le PNNL est l'un des deux seuls laboratoires au monde à disposer de l'expertise scientifique et des outils spécialisés pour effectuer des mesures à ultra-faible concentration d'argon-39 en examinant sa désintégration radioactive. L'autre est l'Université de Berne en Suisse.

« Argon-39 est historiquement difficile à mesurer pour de nombreuses raisons, " Aalseth dit. " Il n'a pas de signature très spécifique (empreinte isotopique), il nécessite une chimie de l'argon spécialisée, et le taux de radioactivité est très faible en raison de la longue demi-vie, vous avez donc besoin d'une mesure de fond très faible.

« Ce sont toutes des choses que le PNNL a pu réunir pour cette étude, " il a dit.

La capacité du PNNL à mesurer l'argon-39 est rendue possible par des détecteurs de rayonnement hautement sensibles conçus et construits à partir de cuivre ultrapur par les scientifiques du PNNL. Les mesures ultra-sensibles sont prises à 60 pieds sous terre dans le laboratoire souterrain peu profond du PNNL. L'installation est équipée d'instruments de détection à ultra-faible rayonnement qui réduit de 99 % les interférences dues au rayonnement de fond ou au rayonnement qui se produit dans l'environnement naturel.

Le travail du PNNL avec l'argon-39 provient de son programme de mesures nucléaires ultra-sensibles, qui comprend le développement d'outils de détection de rayonnement hautement sensibles pour soutenir la non-prolifération nucléaire dans le cadre de la mission de sécurité nationale du PNNL.

Une technologie, plusieurs candidatures

"Il s'avère que la même technologie que nous utilisons pour détecter l'argon-37 - un isotope qui a une demi-vie beaucoup plus courte - pour fournir des outils pour surveiller des choses comme la conformité avec le Traité d'interdiction complète des essais nucléaires est également particulièrement bonne pour mesurer argon-39 et idéal pour déterminer des échelles de temps comme celles importantes pour les eaux souterraines, " dit Alseth, qui dirige le programme de mesures nucléaires ultra-sensibles.

Aalseth a déclaré que la collaboration sur l'étude des eaux souterraines est un exemple de ce qui peut arriver lorsque des équipes multidisciplinaires travaillent ensemble pour développer des solutions scientifiques pouvant être appliquées pour relever des défis difficiles dans les espaces de mission, de la sécurité nationale aux sciences de la Terre à la physique fondamentale.

"Nous considérons la mesure de la datation de l'argon-39 ans comme un indicateur de ce qui pourrait être d'autres choses possibles, " dit-il. " Par exemple, il existe d'autres mesures isotopiques qui pourraient être très utiles à la communauté des sciences de l'environnement, et ce sont des ponts que nous aimerions beaucoup construire."