地下水同位素組成特征

關(guān)于地下水同位素組成特征第1頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第2頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月地下水中的同位素：

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，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月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(gè)氧原子中有205個(gè)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，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月二、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，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月三、千分偏差值(δ，‰)

指樣品的同位素比值(R樣)相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)樣品同位素比值(R標(biāo))的千分偏差，即：δ值能直接反映出樣品同位素組成相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)樣品的變化方向和程度。若δ>0，表明樣品較標(biāo)準(zhǔn)樣品富含重同位素；若δ<0，表明樣品較標(biāo)準(zhǔn)樣品貧化重同位素；δ=0則表明樣品的重同位素含量與標(biāo)準(zhǔn)樣品相同。

例如：δ

18O=+10‰，表示樣品中的18O

比標(biāo)準(zhǔn)樣多10‰

。

δ(‰)=第6頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月四、氫、氧同位素標(biāo)準(zhǔn)

氫、氧同位素國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)樣品是“標(biāo)準(zhǔn)平均海水”（SMOW，standardmeanoceanwater），

實(shí)際上并不存在供實(shí)驗(yàn)室使用的SMOW標(biāo)準(zhǔn)，而是使用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)局配置的1號(hào)蒸餾水（NBS－1），它與SMOW標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系為：

第7頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）推薦的氫氧同位素標(biāo)準(zhǔn)，采用海洋蒸餾水，稱為”維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海水”（VSMOW）。第8頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月五、同位素分餾

同位素以不同比例分配于兩種物質(zhì)或物相中的現(xiàn)象稱為同位素的分餾。

H2O水←→H2O汽

同位素分餾的結(jié)果使得重同位素相對(duì)富集于一種物質(zhì)或物相中，而輕同位素則在另一種物質(zhì)或物相中富集。

第9頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第10頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月同位素Rayleigh分餾

第11頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

通常用同位素分餾系數(shù)(α)來表示同一體系中兩種物質(zhì)(物相)之間同位素分餾的程度，其定義式為：式中，RA為A物質(zhì)的同位素比值，RB為B物質(zhì)的同位素比值。αA－B>1，說明A物質(zhì)比B物質(zhì)富含重同位素；αA－B<1，則說明B物質(zhì)比A物質(zhì)富含重同位素；αA－B=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，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月同位素分餾系數(shù)的通常表示方法：

第13頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月七、氫氧穩(wěn)定同位素分餾

對(duì)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，而液相和固相富集較重的同位素。第14頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月水與巖石同位素交換反應(yīng)造成的分餾：

巖石的δ18O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δ18O增大。這一現(xiàn)象常稱為“氧-18漂移”。δ2Hδ18O第15頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月硫同位素分餾：

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(jìn)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位素。第16頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月Plotof34Sofdissolvedsulfatevs.chlorideconcentrationingroundwater第17頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月Plotofisotopefractionationbetweendissolvedsulfateandtotalreducedsulfurvs.chlorideconcentrationingroundwater第18頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2大氣降水的氫氧穩(wěn)定同位素組成一、大氣降水線（GMWL）

1961年Craig通過對(duì)全球降水樣品同位素資料的分析指出，雨水的δ2H和δ18O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，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

在以δ18O為橫坐標(biāo)、以δD為縱坐標(biāo)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，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月全球大氣降水氫氧同位素組成第21頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月不同的地區(qū)，降水的δ2H與δ18O值之間的關(guān)系往往偏離上述的全球降水線方程。例如，Yurtsever（1975）根據(jù)北美大陸8個(gè)臺(tái)站的資料得到雨水線為：

鄭淑慧等（1982）根據(jù)我國(guó)8個(gè)城市的資料得到的我國(guó)的降水線為：

與上述的全球降水線相對(duì)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，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月GNIP中國(guó)站點(diǎn)分布及氧同位素等值線第23頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月二、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(cè)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，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月溫度效應(yīng)大氣降水的δD和δ18O值與地面年平均氣溫往往呈線性關(guān)系，溫度升高，δ值增大，溫度降低，δ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δ18O值大約增加0.695‰，δD值則增加約5.6‰。第25頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月蘭州張掖石家莊包頭烏魯木齊第26頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月高度效應(yīng)大氣降水的δD和δ18O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δ值之間常呈線性關(guān)系，以18O為例，這種關(guān)系式可寫為：h為地形高程，k為同位素高度梯度，b為地區(qū)常數(shù)。對(duì)一個(gè)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(cè)地下水補(bǔ)給區(qū)的位置和高度。第27頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月緯度效應(yīng)大氣降水的δD和δ18O值與緯度的變化存在著相關(guān)關(guān)系，緯度升高，δ值減小，緯度降低，δ值增大，稱這種效應(yīng)為緯度效應(yīng)。這是溫度和蒸汽團(tuán)運(yùn)移過程中同位素瑞利分餾的綜合反映。我國(guó)東北地區(qū)大氣降水的緯度效應(yīng)為：第28頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月緯度效應(yīng)第29頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月大陸效應(yīng)大氣降水的δD和δ18O值隨遠(yuǎn)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，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第31頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月雨量效應(yīng)大氣降水的δD和δ18O值與當(dāng)?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，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月Annualmeans(filleddots)andmonthlymeans(lightsquares)ofδ18Ovs.precipitationamount（mmpermonth).(a)and（c)modeled,(b)and(d)observed.

第33頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第34頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第35頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第36頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3放射性同位素及定年第37頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月一、放射性同位素衰變?cè)碓雍藛挝粫r(shí)間內(nèi)衰變數(shù)目與衰變時(shí)原子核數(shù)目成正比。半衰期：原子核數(shù)目減少一半所需時(shí)間第38頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月二、放射性同位素的半衰期與定年范圍長(zhǎng)半衰期的放射性同位素（14C、36Cl和81Kr等）可用來測(cè)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(cè)定近幾十年以來的地下水，還有測(cè)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，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月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(cè)定近50年以來的“年輕”或“現(xiàn)代”地下水；

14C常用于測(cè)定2000-40000年的古地下水年齡。第40頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月三放射性同位素氚半衰期=12.43年測(cè)年上限=50年單位：TUTU=10-18=0.119Bq/kgH2O

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(biāo)志，是理想的示蹤劑大氣降水的氚濃度平均為10TU左右（北半球）第41頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月1953年后,核爆氚進(jìn)入大氣，破壞了氚的自然平衡。計(jì)算年齡時(shí)：

1、模型法：確定氚輸入函數(shù)和輸出函數(shù)，計(jì)算年齡；

2、核爆氚標(biāo)志法：把1953年以后的水為“新水”；以前的水為“古水”第42頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月二、放射性同位素14C

測(cè)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(shí)際應(yīng)用時(shí)取“現(xiàn)代碳”標(biāo)準(zhǔn)（813.6Bq/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(shí)間λ