地下水同位素組成特征

1、關(guān)于地下水同位素組成特征第1頁，共45頁，2022年，5月20日，8點2分，星期四第2頁，共45頁，2022年，5月20日，8點2分，星期四地下水中的同位素： 包括水自身的氫、氧同位素，以及水中溶質(zhì)的同位素。 氫：1H、2H、3H； 氧：16O、17O 、18O穩(wěn)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頁，共45頁，2022年，5月20日，8點2分，星期四2.1 基本概念一、同位素豐度 指某一元素的各種同位素在該元素中所占的百分含量，即用百分值表示的某一元素各種同

2、位素的原子數(shù)和該元素原子總數(shù)之比。 例如：自然界中18O的平均同位素豐度是0.205%，它表示在十萬個氧原子中有205個18O原子； 又如：海水的氧同位素豐度為： 16O = 99.763%, 17O = 0.0375%，18O = 0.1995%。 第4頁，共45頁，2022年，5月20日，8點2分，星期四二、同位素比值 (R) 指物質(zhì)（樣品）中某元素的重同位素與常見輕同位素含量(或豐度)之比，即：式中X*和X分別表示重同位素和常見輕同位素含量。 例如：海水氫、氧同位素的R值為： 第5頁，共45頁，2022年，5月20日，8點2分，星期四三、千分偏差值(，) 指樣品的同位素比值(R樣)相對于

3、標準樣品同位素比值(R標)的千分偏差，即：值能直接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。若0，表明樣品較標準樣品富含重同位素；若1，說明A物質(zhì)比B物質(zhì)富含重同位素；AB1，則說明B物質(zhì)比A物質(zhì)富含重同位素；AB=1，說明A、B物質(zhì)中的重同位素含量相同。 六、同位素分餾系數(shù)第12頁，共45頁，2022年，5月20日，8點2分，星期四同位素分餾系數(shù)的通常表示方法： 第13頁，共45頁，2022年，5月20日，8點2分，星期四七、氫氧穩(wěn)定同位素分餾 對于氫氧穩(wěn)定同位素來說，蒸發(fā)和凝結(jié)是引起同位素分餾的重要作用。一般來說，由于蒸發(fā)和凝結(jié)所造成的同位素分餾，結(jié)果往往是，氣相富集較輕的同位素

4、，而液相和固相富集較重的同位素。第14頁，共45頁，2022年，5月20日，8點2分，星期四水與巖石同位素交換反應(yīng)造成的分餾： 巖石的18O值比水大，因此巖石與水發(fā)生同位素交換的結(jié)果往往是，水富含18O，即水中18O增大。這一現(xiàn)象常稱為“氧-18漂移”。2H18O第15頁，共45頁，2022年，5月20日，8點2分，星期四硫同位素分餾： 一般在硫化氫氧化為硫或硫酸鹽的過程中、海水結(jié)晶出石膏的過程、石膏溶解的過程中，都沒有明顯的硫同位素分餾。而在生物還原硫酸鹽的過程中，可以產(chǎn)生比較明顯的分餾，而且這一過程進行的越緩慢，分餾越明顯。其分餾的結(jié)果是產(chǎn)生的硫化氫中富集輕的同位素，而在硫酸鹽中富集重的同

5、位素。 第16頁，共45頁，2022年，5月20日，8點2分，星期四Plot of 34S of dissolved sulfate vs. chloride concentration in groundwater第17頁，共45頁，2022年，5月20日，8點2分，星期四Plot of isotope fractionation between dissolved sulfate and total reduced sulfur vs. chloride concentration in groundwater第18頁，共45頁，2022年，5月20日，8點2分，星期四2.2 大氣降水的氫

6、氧穩(wěn)定同位素組成一、大氣降水線（GMWL） 1961年Craig通過對全球降水樣品同位素資料的分析指出，雨水的2H和18O值之間存在著線性關(guān)系，并得出了如下的相關(guān)關(guān)系式： 被稱為Craig公式 . 第19頁，共45頁，2022年，5月20日，8點2分，星期四 在以18O為橫坐標、以D為縱坐標的圖上，世界各地降水的同位素組成都沿著上式反映的直線分布，被稱為全球雨水線（GMWL）。 海水第20頁，共45頁，2022年，5月20日，8點2分，星期四全球大氣降水氫氧同位素組成 第21頁，共45頁，2022年，5月20日，8點2分，星期四不同的地區(qū)，降水的2H與18O值之間的關(guān)系往往偏離上述的全球降水線

7、方程。例如，Yurtsever（1975）根據(jù)北美大陸8個臺站的資料得到雨水線為： 鄭淑慧等（1982）根據(jù)我國8個城市的資料得到的我國的降水線為： 與上述的全球降水線相對應(yīng)，我們把各地區(qū)的降水線稱為地區(qū)降水線（LMWL）。第22頁，共45頁，2022年，5月20日，8點2分，星期四GNIP中國站點分布及氧同位素等值線 第23頁，共45頁，2022年，5月20日，8點2分，星期四二、影響大氣降水同位素組成變化的主要因素 全球大氣降水同位素觀測結(jié)果表明，降水同位 素組成隨著地理位置、季節(jié)和降水量等因素的改變而改變，被總結(jié)為若干“效應(yīng)”： 溫度效應(yīng) 高度效應(yīng) 緯度效應(yīng) 大陸效應(yīng) 雨量效應(yīng) 第24頁

8、，共45頁，2022年，5月20日，8點2分，星期四溫度效應(yīng)大氣降水的D和18O值與地面年平均氣溫往往呈線性關(guān)系，溫度升高，值增大，溫度降低，值減小，稱這種效應(yīng)為溫度效應(yīng)。大西洋沿岸濱海地區(qū)（ Dansgaard，1964） 在這一地區(qū)，溫度每升高1，大氣降水的18O值大約增加0.695，D值則增加約5.6。第25頁，共45頁，2022年，5月20日，8點2分，星期四蘭州張掖石家莊包頭烏魯木齊第26頁，共45頁，2022年，5月20日，8點2分，星期四高度效應(yīng)大氣降水的D和18O值隨著地形高程的增高而減小的現(xiàn)象被稱為高度效應(yīng)。一般來說，地形高程與降水的值之間常呈線性關(guān)系，以18O為例，這種關(guān)系

9、式可寫為：h為地形高程，k為同位素高度梯度，b為地區(qū)常數(shù)。對一個確定地區(qū)來說k、b通常為一定值。這一地區(qū)2H和18O的高度梯度分別為-0.31/100m和-2.6/100m。 因此，常借助于研究區(qū)內(nèi)大氣降水的同位素高度效應(yīng)，推測地下水補給區(qū)的位置和高度。第27頁，共45頁，2022年，5月20日，8點2分，星期四緯度效應(yīng)大氣降水的D和18O值與緯度的變化存在著相關(guān)關(guān)系，緯度升高，值減小，緯度降低，值增大，稱這種效應(yīng)為緯度效應(yīng)。這是溫度和蒸汽團運移過程中同位素瑞利分餾的綜合反映。我國東北地區(qū)大氣降水的緯度效應(yīng)為：第28頁，共45頁，2022年，5月20日，8點2分，星期四緯度效應(yīng) 第29頁，共4

10、5頁，2022年，5月20日，8點2分，星期四大陸效應(yīng)大氣降水的D和18O值隨遠離海岸線而降低，這一現(xiàn)象稱之為大陸效應(yīng)。這與水汽凝結(jié)引起的同位素瑞利分餾有關(guān)。第30頁，共45頁，2022年，5月20日，8點2分，星期四第31頁，共45頁，2022年，5月20日，8點2分，星期四雨量效應(yīng)大氣降水的D和18O值與當?shù)亟涤炅看嬖谀撤N相關(guān)關(guān)系，這一現(xiàn)象稱之為雨量效應(yīng)。這與雨滴降落過程中的蒸發(fā)效應(yīng)和環(huán)境水蒸氣的交換有關(guān)。廣州昆明第32頁，共45頁，2022年，5月20日，8點2分，星期四Annual means (filled dots) and monthly means (light squares

11、) of 18Ovs. precipitation amount（mm per month) .(a) and（c) modeled, ( b) and (d) observed. 第33頁，共45頁，2022年，5月20日，8點2分，星期四第34頁，共45頁，2022年，5月20日，8點2分，星期四第35頁，共45頁，2022年，5月20日，8點2分，星期四第36頁，共45頁，2022年，5月20日，8點2分，星期四2.3 放射性同位素及定年第37頁，共45頁，2022年，5月20日，8點2分，星期四一、放射性同位素衰變原理 原子核單位時間內(nèi)衰變數(shù)目與衰變時原子核數(shù)目成正比。 半衰期：原子核

12、數(shù)目減少一半所需時間 第38頁，共45頁，2022年，5月20日，8點2分，星期四二、放射性同位素的半衰期與定年范圍 長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， 還有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。第39頁，共45頁，2022年，5月20日，8點2分，星期四放射性同位素的半衰期與定年范圍 目前，比較成熟且常用的定年放射性同位素有3H和14C。 3H主要測定近50年以來的“年輕”或“現(xiàn)代”地下水； 14C常用于測定2000 - 40

13、000年的古地下水年齡。 第40頁，共45頁，2022年，5月20日，8點2分，星期四三 放射性同位素氚 半衰期 = 12.43 年 測年上限 = 50 年單位：TU TU = 10-18 = 0.119 Bq/kg H2O 氚在高空生成后，與氧原子化合成含氚水分子； 所有現(xiàn)代循環(huán)水都受到了氚的標志，是理想的示蹤劑 大氣降水的氚濃度平均為10 TU 左右（北半球）第41頁，共45頁，2022年，5月20日，8點2分，星期四1953年后,核爆氚進入大氣，破壞了氚的自然平衡。計算年齡時： 1、模型法：確定氚輸入函數(shù)和輸出函數(shù)，計算年齡； 2、核爆氚標志法：把1953年以后的水為“新水”；以前的水為“古水”第42頁，共45頁，2022年，5月20日，8點2分，星期四二、放射性同位素14C 測年上限 = 5-6萬年 式中：A0為樣品的初始14C放射性濃度（Bq/g），實際應(yīng)用時取“現(xiàn)代碳”標準（813.6 Bq/g ）；A 停止交換t年后樣品的14C放射性濃度（Bq/g）；t 停止交換后所經(jīng)歷的時間 14C衰變常數(shù)， = ln(1/5730), 代入后得到：第43頁，共45頁，2022年，5月20日，8點2分，星期