稳定同位素技术在水环境研究中的应用

稳定同位素技术在水环境研究中的应用

一、总结1.不同类型水体中氢氧同位素分布的研究1929年，吉奥和赫克在光谱上发现了17个和18个。1931年，根据自由电子和质子的规律，韦登分析了发现的相位，并在自然界中发现了它们。在接下来的十年（1932-1942年），蜀、格尔、smyt、曼纳、ure、伯顿、沃尔斯特、vernadley、vinogradov、tays和flex首先研究了天然水体中氢氧饱和度的分布，但数据不准确。HaroldUrey发表的文章《TheThermodynamicPropertiesofIsotopicSubstance》是对同位素地球化学开始进行研究的标志,文中提到稳定同位素的分馏能够提供有用的地质信息。在国际原子能机构和世界气象组织的共同倡导下,全球目前有800多个观测站,通过对大气降水中稳定同位素和相应气象要素进行不间断地跟踪监测,确定大气环流型及全球、区域水循环的机制,为水资源的调查和分析提供基础的环境资料。因此,人们可通过对降水时空分布规律的监测、研究,从中分析出它所包含的水文、气象、气候等各方面信息使之服务于人类。2.大气降水的氢氧同位素时空分布在我国对降水稳定同位素的测定开始于1966年珠穆朗玛峰科学考察。1985年以来,中国地质科学院水文地质环境地质研究建立起了“中国大气降水同位素数据库”,同时实现了与国际原子能机构的全球大气降水同位素监测网的数据交换,并且取得了具有重要意义的研究成果:初步确定了中国大气降水的氢氧同位素时空分布规律。稳定同位素技术在生态学研究领域的发展较为迅速,与遥感技术、数学模型一起被认为是生态学的三大现代技术,同时也为水循环研究提供了新的手段和方法,但国内在这方面的研究还严重不足。二、降水中的氢氧饱和度1.采样和方法1水废气处理从测量站的自制雨水收集器(由一个漏斗、一个30L的塑料容器和大约250ml纯净的凡士林组成)里采集水样,测量收集器里总降水量后,把水样于塑料瓶中储存并用橡皮塞密封,保持在做氢氧同位素分析之前不再与空气接触。若降水是液态的(雨水),从雨水收集器采集后直接装入塑料水样瓶;雪样的采集是先用塑料提筒装满雪,等其自然融化后,把融化水倒入塑料瓶内封好。采样日期大多选择在降水较大时进行,使样品更为具有代表性,水样采集后,加盖密封且保存在低温()条件下。2降水中氢氧同位素含量的测定自然界中,稳定同位素的组成变化较微小,用同位素的丰度和同位素比值不能准确地显示出这种微小差别,国际上一般都是用δ值表示元素同位素含量,δ值是指样品中某元素的同位素比值Rm相对于标准样的同位素比值Rs的千分偏差,即:式子中:R为同位素的比值,是指稀有同位素与常见同位素的含量之比,如降水量中氢、氧同位素含量分别由表示:根据实际情况,现在一般选用以下两种方法测量降水中氢氧同位素的含量:(1)Epsfein,S.etal使用平衡法测,金属锌还原法测,然后用气体质谱仪分析可以测得氢氧同位素含量,它们分别是与标准平均海洋水(SMOW)的千分差3系统聚类分析聚类图的绘制数据处理运用SPSS统计分析软件,进行回归分析、F检验,在区分降水两阶段时使用系统聚类分析中的中间距离法加欧士距离,并通过绘制树形聚类图确定各个数据分组。2.大气降水的影响地球上不同地区大气降水中氢氧稳定同位素的组成不同。天然降水中氢氧同位素间的关系用CraigH首先提出的全球降水线方程(简称GMWL)表示:,又称为大气降水线(简称MWL),公式中截距10表示全球大气降水的平均值,如果截距大于10,则意味着该降水云气形成过程中气、液两相同位素分馏不平衡程度偏大,小于10则表明在降雨过程中存在蒸发作用影响。国际原子能委员会从1961年起就在世界各地设置了114个台站,用于专门系统收集和分析每月降水氢氧同位素的组成,Yurtsever获得的全球雨水线方程:。Rozanskietal得出全球雨水线方程:。通过对至少有340个采样点的全球地图的研究,BowenandRevenaugh得出世界范围内氘盈余的平均值仍是Craig提出的10‰。因此,全球雨水线方程主要选用CraigH提出的:2降水的d值为了量化不同地区实际得到的大气降水线与全球大气降水线在斜率和截矩上的偏移及比较这种差异,Dansgaard引入“d(氘过剩,也称为氘盈余或氘过量参数)”概念:,如果海水在平衡条件下蒸发的,那么氘过剩值等于0,但是由于动力效应,水的蒸发总在不平衡条件下进行,所以d值不等于0。d值如果越大,则反映蒸发的速率大。它既能反映海水蒸发形成云气团时的热力和水汽平衡条件,同时又可以反映降水形成时的地理环境和气候条件。Craig最先提出世界范围内氘盈余的平均值为10‰;Rozanskietal通过对206个采样点的长期观察得出世界范围内氘盈余的平均值为(10.35±0.65)‰;但通过对至少有340个采样点的全球地图的研究,BowenandRevenaugh得出世界范围内氘盈余的平均值仍是Craig提出的10‰。d值10‰左右,表明降水主要来自大西洋;接近22‰,主要来自地中海东部;位于14‰左右,降水来自地中海西部。3.候环境背景从水汽循环角度讲,影响大气降水氢、氧同位素分布的因素有两个:一是区域气候环境背景,即该降水气团来源、性质及水汽由产生到输送再至发生降水整个过程中氢、氧同位素发生的一切变化;二是局部地理因素,包括降水时各种气象因素(降水量、气温、温度等)以及当地的纬度,海拔高度,采样点的选取等。12氢氧化合物蒸发过程中的分馏(1)瑞利蒸馏方程随着海水的蒸发、大气运移过程中水蒸汽的浓缩和降雨分布,使稳定氢氧同位素分馏并产生了时空分布的差异性。造成不同地区降水中同位素分馏,可用CraigH(1961)提出的瑞利蒸馏方程来描述:,其中Ro是原始水蒸汽的比值,Rv是剩余蒸汽的比值,f是蒸汽剩余部份,a是同位素的分馏系数=R1/Rv(v是气相,1是液相)。温度则是影响蒸发水体中稳定同位素分馏的最重要外部因子,平衡分馏的进程完全取决于温度,瑞利分馏模式中剩余水中δD和δ18O之间的关系,随温度而变化,只有当温度等于20℃时,两者的关系才按照全球大气降水线的变化。(2)同位素动力分馏CraigandGordon(1965)提出了线性电阻模型,在研究时发现蒸发过程中发生的实际同位素分馏要大于平衡条件下的同位素分馏,发生在液面和空气水蒸气之间的动力效应和分子交换会影响到同位素分馏,存在同位素动力分馏,Gonfiantini(1986)给出了同位素动力分馏公式:,其中CK为经验值(氢的为12.5,氧的为14.2),h是湿度。自然条件下的实际蒸发中,开放的水体与非饱和空气中发生的同位素分馏和瑞利平衡过程的描述有明显差异,所以,实际在蒸发过程中发生的同位素分馏,不仅仅要考虑平衡分馏的作用,而且还要考虑动力分馏的作用,但是,由于动力的分馏与空气的相对湿度和液体的表面糙率等因素有关,很难完全考虑,所以许多研究中,一般是只分析平衡分馏的作用,然后再把动力分馏因子可能造成的影响加上予以综合考虑。一般说来动力分馏比热力分馏要强得多,但氢同位素分子却是热力分馏强度大,所以当动力效应干扰时,18O与O分馏强度增大,使得之间的差别减少,造成斜率、截距变小。2雨水的氢氧同位素组成从1961年起,国际原子能机构就和国际气象组织合作,开展了全球雨水的氢氧同位素组成的监测。根据目前汇集的资料,讨论了大气降水同位素组成变化的主要表现为五种效应。(1)ri效应随着纬度的升高,温度逐渐降低,大气降水中的值逐渐降低。我国降水主要水气来源于低纬度的南方海域。(2)温度效应降雨云团中的冷凝温度和雨水中的δ值有直接关系,温度越是低,大气降水值越贫化。(3)高度差海拔越高,值越低。(4)大陆效应随着云团远离海岸线距离的增加导致降水值逐渐降低变负。(5)降水效果降水量效应指降水中值与降水量大小呈反相关关系,一般出现在中低纬度海洋与海岸地区,其产生与强对流天气的降水过程相联系。4.过程及对比影响大气降水的同位素组成记录着水循环演化的历史信息,降水稳定氢氧同位素组成和降水形成气象过程及水汽源区初始状态存在紧密联系,且随时间、空间变化。大气降水氢氧同位素的分布规律是同位素地球化学中的重要规律,它不仅是用稳定同位素研究岩石、矿物和矿床形成条件的重要背景值,而且是研究古气候、海洋学、冰川学、湖沼学、大气物理以及其它地学领域的重要资料。三、大气降水氢氧同位素组成随着经济社会的快速发展,人类面临的水资源短缺问题越来越突出,氢氧同位素技术的应用将成为水文学研究的新手段,也将在水文水资源问题上发挥更重要的作用。全球范围内对同位素的研究已经进行了很多年,近些年来通过模型的方式把同位素与大气环流结合起来进行水汽循环研究时,尤其显示出同位素在这方面研究的优点,也使得氢氧同位素成为国际降水环境同位素研究的热点。当为正值时,