第九章同位素技術在地理學中的應用

1、1啟發(fā)思維，擴展看問題的角度了解同位素技術在地理學相關研究領域中的應用理解同位素技術的基本原理2 核內(nèi)質(zhì)子數(shù)相同，所含中子數(shù)不同的一類核素o 在化學元素周期表中占據(jù)相同位置，它們具有相同的核外電子排布結(jié)構，因而總的化學性質(zhì)相同，只是質(zhì)量不同。氘 (D) 氚(T)3 根據(jù)原子結(jié)構的穩(wěn)定性o 穩(wěn)定同位素 原子核的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)以及原子核結(jié)構都是穩(wěn)定不變的，自然界中多數(shù)原子核都屬于這一類，如2H、18O。 應用：示蹤o 放射性同位素 原子核含有較多的中子或質(zhì)子，它就會發(fā)生裂變以形成一個穩(wěn)定的核。原子核不穩(wěn)定能自發(fā)進行放射性衰變或核裂變而轉(zhuǎn)變成其它一類核素的同位素稱為放射性同位素，如天然同位素3H、1

2、4C等。 應用：測齡，示蹤4 根據(jù)同位素來源o 天然同位素 地理學中最常用的天然同位素是穩(wěn)定同位素2H、18O、15N、13C和放射性同位素3H、 14C；o 人工同位素 通過人工方法（如核反應、粒子加速器等）制造出來的同位素，如核爆產(chǎn)生的3H等。5 同位素分餾o 由于同位素質(zhì)量不同，因此在物理、化學及生物化學作用過程中，一種元素的不同同位素在兩種或兩種以上物質(zhì)(物相)之間的分配具有不同的同位素比值的現(xiàn)象1H1H16O2H2H18O蒸發(fā)過程重同位素分子有較低的活動性：質(zhì)量大的分子具有較小的速度，與其他分子的碰撞頻率較小，這也就是質(zhì)量輕的分子反應速度快的原因6思考：隨溫度升高，同位素分餾程度如何

3、變化？ 同位素分餾o 實質(zhì)：輕重同位素分子結(jié)合力的差異造成的分子活性差異o 自然界中的化學反應、蒸發(fā)作用、擴散作用、吸附作用、生物化學反應都能引起同位素分餾。o 應用：經(jīng)過同位素分餾作用，同一元素的同位素在不同物質(zhì)或同一物質(zhì)的不同相態(tài)的輕重同輕重同位素含量不同位素含量不同，為分析物理、化學及生物反應提供了條件。7 同位素豐度o 一種元素的各種同位素在原子中所占的百分比稱為同位素豐度氫氫氧氧同位素同位素豐度（豐度（%）同位素同位素豐度豐度1H99.98516O99.7572H（D）0.01517O0.0383H（T）18O0.205氘氚8 同位素比率是一種元素的兩種同位素豐度之比豐富同位素的豐度

4、稀有同位素的豐度R)OHOH)OH(ROHHOH)OH(R162182218211222)()(2161618218212213213OCOOCCORCOCOCOR9 值是指樣品中兩種穩(wěn)定同位素的比值相對于標準樣品同位素比值的千分之偏差o 值能反映出樣品同位素組成相對于標準樣品的變化方向和程度。如值為負值，表明樣品中的稀有元素比標準樣品少，反之，表明樣品中稀有元素比標準樣品多。1000 標準標準樣品RRR102H,18Oo 維也納標準海洋水（VSMOW）。13Co 美國南卡羅萊州白堊紀皮狄組的擬箭石（PDB）34So 美國迪亞布洛峽谷鐵隕石中隕硫鐵的硫（CDT）15No 大氣N21000 標準

5、標準樣品RRR豐富同位素的豐度稀有同位素的豐度R112H（D）,18O在水循環(huán)研究中的應用15N, 18O在識別硝酸鹽污染研究中的應用13C,15N在生態(tài)系統(tǒng)研究中的應用 穩(wěn)定同位素在氣候變化研究中的應用122H(D),18O是水中的天然示蹤劑蒸發(fā)及降水過程中 D與 18O是怎么變化的？13水中D與 18O有什么關系？海洋 18O：0水汽 18O：-10降水 18O：-7降水后水汽 18O：-13河流 18O：-5土壤 18O：-4 全球大氣降水線方程（GMWL）：D=818O+10 區(qū)域大氣降水線方程（LMWL）同位素富集同位素貧化大氣降水中D和18O的富集或貧化與什么因素有關？14 大氣降

6、水的同位素效應 溫度效應o 從以上資料可看出，大氣降水的同位素組成與當?shù)貧鉁氐年P系密切，且呈正相關變化，但不同地區(qū)變化差異很大。地點平均氣溫（）18O值（）18O-t線性方程相關系數(shù)烏魯木齊7.66-12.0118O=0.417t-15.2020.886包頭12.69-8.4818O=0.181t-10.7710.624拉薩13.6-18.8718O=0.667t-27.8070.74石家莊13.87-7.9518O=0.121t-9.6350.371太原14.53-5.5318O=0.008t-5.6470.662張掖15.89-6.818O=0.54t-15.380.662蘭州17.21-

7、6.3718O=0.327t-11.9960.63615 大氣降水的同位素效應 緯度效應o 從低緯度到高緯度，隨著溫度的降低，降水的重同位素逐漸貧化16 大氣降水的同位素效應 季節(jié)效應o 不同地區(qū)由于溫度、濕度和氣團運移等因素存在季節(jié)性的變化，因此降水的同位素組成也會有季節(jié)性的變化。 大陸效應o 大陸效應也稱離岸效應，也就是大氣降水的同位素組成隨遠離海岸線逐步降低17 研究大氣降水同位素特征有什么意義？o 利用同位素研究流域水循環(huán)的基礎 地表水、土壤水及地下水從降水中“繼承”了氫氧同位素特征，并在水循環(huán)過程中發(fā)生改變o 分析區(qū)域降水水汽來源 不同水汽來源的降水氫氧同位素特征不同o 研究古氣候

8、利用冰芯中保留的古降水中的氫氧同位素特征，推斷古代氣溫變化18 受土壤水蒸發(fā)的影響，在土壤剖面上同位素在地表富集160140120100806040200-12-10-8-6-4-20 土壤水中的18O 18O (per mil)深度（cm）0.00.10.20.30.4 土壤水含量土壤水含量地下水某農(nóng)田剖面的氧同位素觀測數(shù)據(jù)19 蒸發(fā)后的土壤水分和隨后降水補給水分的混合補給地下水。蒸發(fā)線20濕潤干旱 降水后徑流成份組成示意圖21 利用同位素分割徑流成分o 同位素混合方程sig22 降水入滲補給過程o 同位素示蹤補給方式o 估算補給速度降水入滲23活塞式入滲活塞式入滲捷徑式入滲（優(yōu)先流入滲）捷

9、徑式入滲（優(yōu)先流入滲） 地下水補給的復雜性o 山前平原（沙漠）當?shù)亟邓?；山區(qū)降水；冰川融水o 現(xiàn)代降水；古降水同位素研究地下水補給主要應用于什么氣候類型的地區(qū)？為什么？24陳建生等在Nature（2004）發(fā)表論文：Groundwatermaintains dune landscape利用氫氧穩(wěn)定同位素分析，得到結(jié)論：中國西北阿拉善高原的巴丹吉林沙漠下隱藏著大量的淡水資源，其與500公里以外的祁連山冰川積雪之間，更存在著一條巨大的“調(diào)水通道”祁連山深大斷裂。2518O在大氣植物土壤界面上的傳遞和分餾示意圖在大氣植物土壤界面上的傳遞和分餾示意圖（數(shù)據(jù)來源（數(shù)據(jù)來源:Dawson（2002）and

10、Yakir（2000）如何利用氫氧同位素研究土壤如何利用氫氧同位素研究土壤-植物植物-大氣系統(tǒng)的水循環(huán)過程？大氣系統(tǒng)的水循環(huán)過程？26 研究植物根系吸水深度o 根系在吸水過程中不存在同位素的分餾作用16012080400-12-8-4018O (per mil)depth (cm)地下水27 問題的提出o 玉米在不同生長階段根系主要利用的是哪個深度的土壤水？有什么意義？28 問題的提出o 玉米在不同生長階段根系主要利用的是哪個深度的土壤水？o 傳統(tǒng)的研究方法 根系挖掘 缺點？o 同位素示蹤方法 前提條件？29160140120100806040200-12-10-8-6-4-201601401

11、20100806040200-90-80-70-60-50-40160140120100806040200-12-10-8-6-4-20160140120100806040200-90-80-70-60-50-40160140120100806040200-12-10-8-6-4-20160140120100806040200-90-80-70-60-50-40深度 (cm)0.00.10.20.30.4土壤體積含水量深度 (cm)0.00.10.20.30.4土壤體積含水量深度 (cm)0.00.10.20.30.4(c)深度 (cm)0.00.10.20.30.4 夏玉米莖水的18O或D

12、土壤水的18O或D18O (per mil)深度 (cm)0.00.10.20.30.4 土壤含水量D (per mil)深度 (cm)0.00.10.20.30.4(a)(b)玉米不同生長期的主要根系吸水深度拔節(jié)期開花期完熟期30 分割蒸散發(fā)（同位素貧化）31 硝酸鹽（NO3 ）污染的危害o 硝酸鹽在消化道中可被還原成有毒的亞硝酸鹽，亞硝酸鹽將低鐵紅蛋白氧化成高鐵紅蛋白，使之失去輸送氧的能力，另外亞硝酸鹽還可與仲胺類化合物反應生成具有致癌作用的亞硝胺類物質(zhì)。o 長期飲用含高濃度硝酸鹽的水，會使人畜中毒。典型的是是“藍嬰兒綜合征” ，癥狀為嬰兒身體發(fā)藍色，呼吸短促。o 是引起水體富營養(yǎng)化的重要

13、物質(zhì)32 硝酸鹽（NO3 ）的污染來源o 天然硝酸鹽 大氣沉降 土壤氮硝化作用產(chǎn)生的NO3o 人為硝酸鹽 農(nóng)業(yè)合成氮肥 生活污水、人畜糞汁如何識別硝酸鹽污染來源？33不同來源NO3的15N和18O取值范圍示意圖修改自Kendall(1998)、Xue et al.(2009)和Nestler et al. (2011)34 研究實例Li S., Liu C., Li J., Liu X., Chetelat B., Wang B., Wang F. Assessment of the Sources of Nitrate in the Changjiang River, China Using

14、 a Nitrogen and Oxygen Isotopic Approach. Environmental Science & Technology. 2010, 44(5): 1573-1578.35 研究實例36 研究實例37 不同區(qū)域植物中存在穩(wěn)定同位素(H, C, N, O)組成差異o 不同地理分布的植物存在不同的13C值 植物13C值還受土壤含水量、濕度、光照、溫度和大氣CO2濃度等環(huán)境因子的影響C3類植物類植物C4類植物類植物CAM類植物類植物13C：-22-3013C：-9-1413C：-10-30水稻、小麥、大麥、燕麥、黑麥、馬鈴薯、甘薯、豆類、茄果類、葉菜類玉米、

15、高粱、甘蔗、谷子菠蘿3839判斷動物的營養(yǎng)級有什么意義？ 在一定環(huán)境條件下, 動物組織15N值在相鄰營養(yǎng)級間差異( 15N)明顯, 且比較恒定, 大約為3.0 5.0 化分動物的營養(yǎng)級相鄰營養(yǎng)級間13C值的差值(13C)較小, 約為0.41.0, 4015N和13C哪個更適合于判斷動物的營養(yǎng)級？41 傳統(tǒng)的食物鏈結(jié)構研究方法o 通過直接觀察、胃容物分析、食物殘留物分析及其糞便分析等來實現(xiàn). 數(shù)據(jù)只能反映動物最近取食情況, 很難調(diào)查動物的食物變化, 尤其是較長時間段內(nèi)或是動物一生的取食變化情況; 數(shù)據(jù)只能反映表面現(xiàn)象, 對于有些食物, 動物雖然采食了, 但并沒有被消化吸收 對于有些體型很小的動物

16、(昆蟲和土壤動物), 調(diào)查更為困難. 缺點42 動物組織同位素值反映食物的同位素組成特征o 動物呼出氣體和血液同位素值反映的是幾小時到幾天的食物特征; o 脂肪、肌肉和毛發(fā)等組織同位素值反映的是幾周、幾個月甚至幾年的食物特征; o 骨骼、牙齒則反映其幾十年、一生的食物變化特征43 利用穩(wěn)定同位素示蹤技術,分析崇明東灘鹽沼濕地夏季不同生境大型底棲動物的食物來源和營養(yǎng)結(jié)構44天津厚蟹和無齒相手蟹的食物主要來源于沉積有機質(zhì)和維管束植物中華擬蟹守螺的食物來源較多,沉積有機質(zhì)、懸浮顆粒有機質(zhì)和植物都占一定比例,反映出其對食物的選擇性不大彈涂魚的15N值較高, 以捕食小動物為食45 利用同位素研究食物來源

17、在考古學的應用46 利用同位素研究食物來源在考古學的應用o 原理C3類植物類植物C4類植物類植物CAM類植物類植物13C：-22-3013C：-9-1413C：-10-30水稻、小麥、大麥、燕麥、黑麥、馬鈴薯、甘薯、豆類、茄果類、葉菜類玉米、高粱、甘蔗、谷子菠蘿動力肌肉，富集1 骨骼中骨膠原，富集5 骨骼中羥磷灰石，富集12 47 利用同位素研究食物來源在考古學的應用o 原理： 15N規(guī)律豆科植物：0%；非豆科植物：23食草類動物的15N, 大約為37一級食肉類動物以及各種魚類, 15N 值為912大氣N2 15N ，0二級食肉類動物, 15N 值更高48賈湖先民主要以C3 類食物為食, 食譜

18、屬于雜食類49狩獵和捕撈業(yè)作物種植家畜馴養(yǎng)由由15N分析不同階段古人類食物結(jié)構的變化分析不同階段古人類食物結(jié)構的變化采集50 原理o 陸地上不同區(qū)域植物同位素組成(D, 13C, 15N和18O)有明顯差異o 動物組織中的同位素組成總是與其食物中的同位素組成相一致o 動物從一個地方遷移到其他地方時, 動物組織中的同位素特征就會轉(zhuǎn)化為新食物的同位素組成o 這種轉(zhuǎn)化是一種動態(tài)的漸變過程, 原來食物的同位素特征還會在動物組織中保留一段時間51Hobson和Wassenaar利用大陸上D的分布格局研究了新熱帶區(qū)鳥類在繁殖地與越冬地間的遷移活動. 他們分析了北美洲落葉闊葉林中6種候鳥羽毛 D值時發(fā)現(xiàn),

19、羽毛 D值與該地區(qū)降水中的平均 D值密切相關(R2 = 0. 89), 并且隨地理緯度變化呈現(xiàn)明顯規(guī)律性變化. 525354冬季較負的13C和15N值分布主要歸因于陸源輸入的貢獻 利用13C估算有機質(zhì)陸源貢獻率和水生生物貢獻率o 陸源( - 27. 1)和水生生物( - 23. 6) 55 鑒別蜂蜜o 蜜源植物屬C3 植物, 13C約為- 30- 22 o 高果糖玉米糖漿的植物屬C4 植物, 13C約為- 14 -9 鑒別果汁 追溯動物的飼料和地理起源o 13C, D, 18O56 氣候變化研究方法o 湖泊沉積物 沉積物粒度：降水量多少 碳酸鹽沉積：代表相對濕潤的氣候 穩(wěn)定同位素（13C，18

20、O） 地球化學指標：Sr, Rbo 年輪 年輪寬度、密度、灰度 ：降水量、氣溫 穩(wěn)定同位素（ 13C ， 18O ，2H）57 冰芯o 冰川積累量：降水量o 穩(wěn)定同位素（18O ，2H）：氣溫o 地球化學指標o 微生物 石筍o 穩(wěn)定同位素（18O ，2H）：降水量，氣溫，大氣CO2濃度o 石筍微層 ：降水量o 地球化學指標 孢粉：植物-氣候 海洋沉積物，珊瑚5859冰芯氧同位素為什么可以研究氣候變化？60從格陵蘭冰芯氧同位素變化要以得到什么結(jié)論？6162氧同位素對氣溫的指示63冰川積累量對降水量的指示64656612CO213CO2植物體內(nèi)的13C相比空氣CO2是大還是小？ 植物體內(nèi)的13C的

21、影響因素o 降水 降水少，植物體內(nèi)水分少，氣孔變小，植物體內(nèi)CO2分壓減小，13C分餾減小，13C值變大o 溫度 溫度高，植物蒸騰作用強，氣孔變大，13C值變小o 大氣CO2濃度 大氣CO2濃度減小， 13C值變大676869 多個氣象因素合成一個復合因子o TH=溫度-降水量o TH大，暖干；TH小，冷濕70 應用同位素進行氣候重建71 原子核自發(fā)放射出各種射線的現(xiàn)象稱為放射性，放射性射線主要由、三種射線組成。o 衰變：原子核中的過剩中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子并放出一個電子和反中微子n p+ + + + Qo +衰變：原子核中過剩質(zhì)子轉(zhuǎn)變成中子并放出+粒子和中微子（v）p+ n + + + + Qo 電

22、子俘獲(EC)：p+ + e n + + Qo 衰變：HeYXAZAZ424272 原子核自發(fā)放射出各種射線的現(xiàn)象稱為放射性，放射性射線主要由、三種射線組成。o 射線：即光子，波長很短，穿透力強o 射線：即氦核，質(zhì)量大，穿透力弱，電離作用強o 射線：即電子，穿透力弱，電離作用弱73放射性衰變規(guī)律 單位時間內(nèi)衰變的原子核數(shù)目與t時刻存在的原子核數(shù)目成正比o 式中：Nt時刻母體的原子核數(shù)目；-dN/dt衰變速率，負號表示隨時間而減少；衰變常數(shù)，表示一個原子核在單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的幾率。NdtdN74放射性衰變規(guī)律o N：t時刻母體的原子核數(shù)目；-dN/dt：衰變速率，負號表示隨時間而減少；：衰變常

23、數(shù)o 積分可得o 當t=0時，N=N0，則o 將C值代入o 得到指數(shù)衰減公式o 得出原子核由N0衰變到N的時間NdtdN-lnN=t+CC=-lnN0ln(N/N0) =tN = N0etoNNtln1ln(N/N0)=tN=N0et75 半衰期o 放射性原子核的數(shù)目衰減到原有數(shù)目的一半所需要的時間o 不同核素的半衰期差異很大，3H半衰期為12.43年，14C的半衰期為5730年，36Cl半衰期為30萬年。oNNtln1693. 02ln21ln12/1t76 放射性活度（或放射性強度）o 時間內(nèi)的衰變次數(shù)，常用Becquerel (貝可，Bq)表示，即每秒放射性衰變一次（1dps）為1Bq。

24、o 另外一個表示單位為居里（Curie, Ci），定義為每秒衰變3.71010 次 放射性比度o 表示液體和氣體樣品的放射性濃度單位一般為Bq/m3。表示固體樣品的放射性濃度單位為Bq/g，773H和14C同位素組成的表示 天然水中3H（氚）濃度常用“氚單位”TU（Tritium unit）表示o 1氚單位相當于1018中氫原子中存在1個氚原子的放射性強度。14C含量通常用樣品的放射性濃度表示，即Bq/g。o 由于直接測定14C的絕對濃度非常困難，在實際應用中常用相對濃度單位表示，即樣品的放射性比度與標準樣品的放射性比度相比，也稱樣品的現(xiàn)代碳百分含量（pmC）100標樣AAA（pmC）78 長

25、半衰期的放射性同位素（14C、36Cl和81Kr等）可用來測定古地下水年齡； 較短半衰期的放射性同位素（3H、37Ar、85kr等）可測定近幾十年以來的地下水 測齡范圍介于年輕地下水與古地下水之間的“次現(xiàn)代”水年齡的39Ar和32Si等。o 目前，比較成熟且常用的放射性同位素有3H和14C。3H主要測定近50年以來的“年輕” 地下水，14C常用于測定2000-20000年的古地下水年齡。NNNNt00ln1ln1793H法測定地下水年齡 氚（3H或T）是氫的放射性同位素，它的半衰期為12.43年。3H的來源：宇宙射線；人工核實驗3H法估算地下水年齡是根據(jù)地下水是否受到20世紀60年代核爆試驗期

26、間產(chǎn)生的大量核爆氚的標記，將地下水形成時間劃分為核爆試驗前和核爆試驗后兩個階段。o 1953年核爆試驗之前，全球大氣降水氚濃度的背景值為10TU左右，1953年至20世紀6070年代全球大規(guī)模的核爆試驗產(chǎn)生的巨量氚使大氣降水的氚濃度急劇增大800100020003000400019551960196519701975198019851990北半球北半球3H 濃度濃度(TU)北半球陸地降雨中北半球陸地降雨中3H平均含量的歷時分布曲線平均含量的歷時分布曲線813H法測定地下水年齡 Ian Clark 和Peter Fritz（1997）針對大陸地區(qū)提出如下的地下水年齡的經(jīng)驗劃分方案：o 30TU相當一部分可能為20世紀6070年代補給；o 50TU主要在20世紀6070年代補給。8214C法測定地下水年齡14C測定年齡介于2,000-20,000年古地下水的重要手段。o 利用地下水14C年齡測定結(jié)果可以很好地確定地下水流向和地下水的循環(huán)速度，并結(jié)合其他氣候變化