地下水同位素组成特征

关于地下水同位素组成特征第1页，讲稿共45页，2023年5月2日，星期三第2页，讲稿共45页，2023年5月2日，星期三地下水中的同位素：

包括水自身的氢、氧同位素，以及水中溶质的同位素。

氢：1H、2H、3H；氧：16O、17O、18O稳定同位素：12C和13C、32S和34S、28Si和30Si、86Sr和88Sr、54Fe和56Fe等；放射性同位素：14C、36Cl、238U、234U、131I等第3页，讲稿共45页，2023年5月2日，星期三2.1基本概念一、同位素丰度

指某一元素的各种同位素在该元素中所占的百分含量，即用百分值表示的某一元素各种同位素的原子数和该元素原子总数之比。

例如：自然界中18O的平均同位素丰度是0.205%，它表示在十万个氧原子中有205个18O原子；又如：海水的氧同位素丰度为：16O=99.763%,17O=0.0375%，18O=0.1995%。

第4页，讲稿共45页，2023年5月2日，星期三二、同位素比值(R)

指物质（样品）中某元素的重同位素与常见轻同位素含量(或丰度)之比，即：式中X*和X分别表示重同位素和常见轻同位素含量。例如：海水氢、氧同位素的R值为：

第5页，讲稿共45页，2023年5月2日，星期三三、千分偏差值(δ，‰)

指样品的同位素比值(R样)相对于标准样品同位素比值(R标)的千分偏差，即：δ值能直接反映出样品同位素组成相对于标准样品的变化方向和程度。若δ>0，表明样品较标准样品富含重同位素；若δ<0，表明样品较标准样品贫化重同位素；δ=0则表明样品的重同位素含量与标准样品相同。

例如：δ

18O=+10‰，表示样品中的18O

比标准样多10‰

。

δ(‰)=第6页，讲稿共45页，2023年5月2日，星期三四、氢、氧同位素标准

氢、氧同位素国际标准样品是“标准平均海水”（SMOW，standardmeanoceanwater），

实际上并不存在供实验室使用的SMOW标准，而是使用美国标准局配置的1号蒸馏水（NBS－1），它与SMOW标准之间的关系为：

第7页，讲稿共45页，2023年5月2日，星期三国际原子能机构（IAEA）推荐的氢氧同位素标准，采用海洋蒸馏水，称为”维也纳标准平均海水”（VSMOW）。第8页，讲稿共45页，2023年5月2日，星期三五、同位素分馏

同位素以不同比例分配于两种物质或物相中的现象称为同位素的分馏。

H2O水←→H2O汽

同位素分馏的结果使得重同位素相对富集于一种物质或物相中，而轻同位素则在另一种物质或物相中富集。

第9页，讲稿共45页，2023年5月2日，星期三第10页，讲稿共45页，2023年5月2日，星期三同位素Rayleigh分馏

第11页，讲稿共45页，2023年5月2日，星期三

通常用同位素分馏系数(α)来表示同一体系中两种物质(物相)之间同位素分馏的程度，其定义式为：式中，RA为A物质的同位素比值，RB为B物质的同位素比值。αA－B>1，说明A物质比B物质富含重同位素；αA－B<1，则说明B物质比A物质富含重同位素；αA－B=1，说明A、B物质中的重同位素含量相同。

六、同位素分馏系数第12页，讲稿共45页，2023年5月2日，星期三同位素分馏系数的通常表示方法：

第13页，讲稿共45页，2023年5月2日，星期三七、氢氧稳定同位素分馏

对于氢氧稳定同位素来说，蒸发和凝结是引起同位素分馏的重要作用。一般来说，由于蒸发和凝结所造成的同位素分馏，结果往往是，气相富集较轻的同位素，而液相和固相富集较重的同位素。第14页，讲稿共45页，2023年5月2日，星期三水与岩石同位素交换反应造成的分馏：

岩石的δ18O值比水大，因此岩石与水发生同位素交换的结果往往是，水富含18O，即水中δ18O增大。这一现象常称为“氧-18漂移”。δ2Hδ18O第15页，讲稿共45页，2023年5月2日，星期三硫同位素分馏：

一般在硫化氢氧化为硫或硫酸盐的过程中、海水结晶出石膏的过程、石膏溶解的过程中，都没有明显的硫同位素分馏。而在生物还原硫酸盐的过程中，可以产生比较明显的分馏，而且这一过程进行的越缓慢，分馏越明显。其分馏的结果是产生的硫化氢中富集轻的同位素，而在硫酸盐中富集重的同位素。第16页，讲稿共45页，2023年5月2日，星期三Plotof34Sofdissolvedsulfatevs.chlorideconcentrationingroundwater第17页，讲稿共45页，2023年5月2日，星期三Plotofisotopefractionationbetweendissolvedsulfateandtotalreducedsulfurvs.chlorideconcentrationingroundwater第18页，讲稿共45页，2023年5月2日，星期三2.2大气降水的氢氧稳定同位素组成一、大气降水线（GMWL）

1961年Craig通过对全球降水样品同位素资料的分析指出，雨水的δ2H和δ18O值之间存在着线性关系，并得出了如下的相关关系式：被称为Craig公式

.

第19页，讲稿共45页，2023年5月2日，星期三

在以δ18O为横坐标、以δD为纵坐标的图上，世界各地降水的同位素组成都沿着上式反映的直线分布，被称为全球雨水线（GMWL）。

海水第20页，讲稿共45页，2023年5月2日，星期三全球大气降水氢氧同位素组成第21页，讲稿共45页，2023年5月2日，星期三不同的地区，降水的δ2H与δ18O值之间的关系往往偏离上述的全球降水线方程。例如，Yurtsever（1975）根据北美大陆8个台站的资料得到雨水线为：

郑淑慧等（1982）根据我国8个城市的资料得到的我国的降水线为：

与上述的全球降水线相对应，我们把各地区的降水线称为地区降水线（LMWL）。第22页，讲稿共45页，2023年5月2日，星期三GNIP中国站点分布及氧同位素等值线第23页，讲稿共45页，2023年5月2日，星期三二、影响大气降水同位素组成变化的主要因素全球大气降水同位素观测结果表明，降水同位素组成随着地理位置、季节和降水量等因素的改变而改变，被总结为若干“效应”：

温度效应高度效应纬度效应大陆效应雨量效应

第24页，讲稿共45页，2023年5月2日，星期三温度效应大气降水的δD和δ18O值与地面年平均气温往往呈线性关系，温度升高，δ值增大，温度降低，δ值减小，称这种效应为温度效应。大西洋沿岸滨海地区（Dansgaard，1964）

在这一地区，温度每升高1℃，大气降水的δ18O值大约增加0.695‰，δD值则增加约5.6‰。第25页，讲稿共45页，2023年5月2日，星期三兰州张掖石家庄包头乌鲁木齐第26页，讲稿共45页，2023年5月2日，星期三高度效应大气降水的δD和δ18O值随着地形高程的增高而减小的现象被称为高度效应。一般来说，地形高程与降水的δ值之间常呈线性关系，以18O为例，这种关系式可写为：h为地形高程，k为同位素高度梯度，b为地区常数。对一个确定地区来说k、b通常为一定值。这一地区2H和18O的高度梯度分别为-0.31‰/100m和-2.6‰/100m。

因此，常借助于研究区内大气降水的同位素高度效应，推测地下水补给区的位置和高度。第27页，讲稿共45页，2023年5月2日，星期三纬度效应大气降水的δD和δ18O值与纬度的变化存在着相关关系，纬度升高，δ值减小，纬度降低，δ值增大，称这种效应为纬度效应。这是温度和蒸汽团运移过程中同位素瑞利分馏的综合反映。我国东北地区大气降水的纬度效应为：第28页，讲稿共45页，2023年5月2日，星期三纬度效应第29页，讲稿共45页，2023年5月2日，星期三大陆效应大气降水的δD和δ18O值随远离海岸线而降低，这一现象称之为大陆效应。这与水汽凝结引起的同位素瑞利分馏有关。第30页，讲稿共45页，2023年5月2日，星期三第31页，讲稿共45页，2023年5月2日，星期三雨量效应大气降水的δD和δ18O值与当地降雨量存在某种相关关系，这一现象称之为雨量效应。这与雨滴降落过程中的蒸发效应和环境水蒸气的交换有关。广州昆明第32页，讲稿共45页，2023年5月2日，星期三Annualmeans(filleddots)andmonthlymeans(lightsquares)ofδ18Ovs.precipitationamount（mmpermonth).(a)and（c)modeled,(b)and(d)observed.

第33页，讲稿共45页，2023年5月2日，星期三第34页，讲稿共45页，2023年5月2日，星期三第35页，讲稿共45页，2023年5月2日，星期三第36页，讲稿共45页，2023年5月2日，星期三2.3放射性同位素及定年第37页，讲稿共45页，2023年5月2日，星期三一、放射性同位素衰变原理原子核单位时间内衰变数目与衰变时原子核数目成正比。半衰期：原子核数目减少一半所需时间第38页，讲稿共45页，2023年5月2日，星期三二、放射性同位素的半衰期与定年范围长半衰期的放射性同位素（14C、36Cl和81Kr等）可用来测定古地下水年龄，较短半衰期的放射性同位素（3H、37Ar、85kr等）可测定近几十年以来的地下水，还有测龄范围介于年轻地下水与古地下水之间的“次现代”水年龄的39Ar和32Si等。第39页，讲稿共45页，2023年5月2日，星期三放射性同位素的半衰期与定年范围目前，比较成熟且常用的定年放射性同位素有3H和14C。

3H主要测定近50年以来的“年轻”或“现代”地下水；

14C常用于测定2000-40000年的古地下水年龄。第40页，讲稿共45页，2023年5月2日，星期三三放射性同位素氚半衰期=12.43年测年上限=50年单位：TUTU=10-18=0.119Bq/kgH2O

氚在高空生成后，与氧原子化合成含氚水分子；所有现代循环水都受到了氚的标志，是理想的示踪剂大气降水的氚浓度平均为10TU左右（北半球）第41页，讲稿共45页，2023年5月2日，星期三1953年后,核爆氚进入大气，破坏了氚的自然平衡。计算年龄时：

1、模型法：确定氚输入函数和输出函数，计算年龄；

2、核爆氚标志法：把1953年以后的水为“新水”；以前的水为“古水”第42页，讲稿共45页，2023年5月2日，星期三二、放射性同位素14C

测年上限=5-6万年

式中：A0为样品的初始14C放射性浓度（Bq/g），实际应用时取“现代碳”标准（813.6Bq/g）；A停止交换t年后样品的14C放射性浓度（Bq/g）；t停止交换后所经历的时间λ1