穩(wěn)定同位素技術在水環(huán)境研究中的應用

穩(wěn)定同位素技術在水環(huán)境研究中的應用

一、總結1.不同類型水體中氫氧同位素分布的研究1929年，吉奧和赫克在光譜上發(fā)現(xiàn)了17個和18個。1931年，根據(jù)自由電子和質子的規(guī)律，韋登分析了發(fā)現(xiàn)的相位，并在自然界中發(fā)現(xiàn)了它們。在接下來的十年（1932-1942年），蜀、格爾、smyt、曼納、ure、伯頓、沃爾斯特、vernadley、vinogradov、tays和flex首先研究了天然水體中氫氧飽和度的分布，但數(shù)據(jù)不準確。HaroldUrey發(fā)表的文章《TheThermodynamicPropertiesofIsotopicSubstance》是對同位素地球化學開始進行研究的標志,文中提到穩(wěn)定同位素的分餾能夠提供有用的地質信息。在國際原子能機構和世界氣象組織的共同倡導下,全球目前有800多個觀測站,通過對大氣降水中穩(wěn)定同位素和相應氣象要素進行不間斷地跟蹤監(jiān)測,確定大氣環(huán)流型及全球、區(qū)域水循環(huán)的機制,為水資源的調查和分析提供基礎的環(huán)境資料。因此,人們可通過對降水時空分布規(guī)律的監(jiān)測、研究,從中分析出它所包含的水文、氣象、氣候等各方面信息使之服務于人類。2.大氣降水的氫氧同位素時空分布在我國對降水穩(wěn)定同位素的測定開始于1966年珠穆朗瑪峰科學考察。1985年以來,中國地質科學院水文地質環(huán)境地質研究建立起了“中國大氣降水同位素數(shù)據(jù)庫”,同時實現(xiàn)了與國際原子能機構的全球大氣降水同位素監(jiān)測網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換,并且取得了具有重要意義的研究成果:初步確定了中國大氣降水的氫氧同位素時空分布規(guī)律。穩(wěn)定同位素技術在生態(tài)學研究領域的發(fā)展較為迅速,與遙感技術、數(shù)學模型一起被認為是生態(tài)學的三大現(xiàn)代技術,同時也為水循環(huán)研究提供了新的手段和方法,但國內在這方面的研究還嚴重不足。二、降水中的氫氧飽和度1.采樣和方法1水廢氣處理從測量站的自制雨水收集器(由一個漏斗、一個30L的塑料容器和大約250ml純凈的凡士林組成)里采集水樣,測量收集器里總降水量后,把水樣于塑料瓶中儲存并用橡皮塞密封,保持在做氫氧同位素分析之前不再與空氣接觸。若降水是液態(tài)的(雨水),從雨水收集器采集后直接裝入塑料水樣瓶;雪樣的采集是先用塑料提筒裝滿雪,等其自然融化后,把融化水倒入塑料瓶內封好。采樣日期大多選擇在降水較大時進行,使樣品更為具有代表性,水樣采集后,加蓋密封且保存在低溫()條件下。2降水中氫氧同位素含量的測定自然界中,穩(wěn)定同位素的組成變化較微小,用同位素的豐度和同位素比值不能準確地顯示出這種微小差別,國際上一般都是用δ值表示元素同位素含量,δ值是指樣品中某元素的同位素比值Rm相對于標準樣的同位素比值Rs的千分偏差,即:式子中:R為同位素的比值,是指稀有同位素與常見同位素的含量之比,如降水量中氫、氧同位素含量分別由表示:根據(jù)實際情況,現(xiàn)在一般選用以下兩種方法測量降水中氫氧同位素的含量:(1)Epsfein,S.etal使用平衡法測,金屬鋅還原法測,然后用氣體質譜儀分析可以測得氫氧同位素含量,它們分別是與標準平均海洋水(SMOW)的千分差3系統(tǒng)聚類分析聚類圖的繪制數(shù)據(jù)處理運用SPSS統(tǒng)計分析軟件,進行回歸分析、F檢驗,在區(qū)分降水兩階段時使用系統(tǒng)聚類分析中的中間距離法加歐士距離,并通過繪制樹形聚類圖確定各個數(shù)據(jù)分組。2.大氣降水的影響地球上不同地區(qū)大氣降水中氫氧穩(wěn)定同位素的組成不同。天然降水中氫氧同位素間的關系用CraigH首先提出的全球降水線方程(簡稱GMWL)表示:,又稱為大氣降水線(簡稱MWL),公式中截距10表示全球大氣降水的平均值,如果截距大于10,則意味著該降水云氣形成過程中氣、液兩相同位素分餾不平衡程度偏大,小于10則表明在降雨過程中存在蒸發(fā)作用影響。國際原子能委員會從1961年起就在世界各地設置了114個臺站,用于專門系統(tǒng)收集和分析每月降水氫氧同位素的組成,Yurtsever獲得的全球雨水線方程:。Rozanskietal得出全球雨水線方程:。通過對至少有340個采樣點的全球地圖的研究,BowenandRevenaugh得出世界范圍內氘盈余的平均值仍是Craig提出的10‰。因此,全球雨水線方程主要選用CraigH提出的:2降水的d值為了量化不同地區(qū)實際得到的大氣降水線與全球大氣降水線在斜率和截矩上的偏移及比較這種差異,Dansgaard引入“d(氘過剩,也稱為氘盈余或氘過量參數(shù))”概念:,如果海水在平衡條件下蒸發(fā)的,那么氘過剩值等于0,但是由于動力效應,水的蒸發(fā)總在不平衡條件下進行,所以d值不等于0。d值如果越大,則反映蒸發(fā)的速率大。它既能反映海水蒸發(fā)形成云氣團時的熱力和水汽平衡條件,同時又可以反映降水形成時的地理環(huán)境和氣候條件。Craig最先提出世界范圍內氘盈余的平均值為10‰;Rozanskietal通過對206個采樣點的長期觀察得出世界范圍內氘盈余的平均值為(10.35±0.65)‰;但通過對至少有340個采樣點的全球地圖的研究,BowenandRevenaugh得出世界范圍內氘盈余的平均值仍是Craig提出的10‰。d值10‰左右,表明降水主要來自大西洋;接近22‰,主要來自地中海東部;位于14‰左右,降水來自地中海西部。3.候環(huán)境背景從水汽循環(huán)角度講,影響大氣降水氫、氧同位素分布的因素有兩個:一是區(qū)域氣候環(huán)境背景,即該降水氣團來源、性質及水汽由產(chǎn)生到輸送再至發(fā)生降水整個過程中氫、氧同位素發(fā)生的一切變化;二是局部地理因素,包括降水時各種氣象因素(降水量、氣溫、溫度等)以及當?shù)氐木暥?海拔高度,采樣點的選取等。12氫氧化合物蒸發(fā)過程中的分餾(1)瑞利蒸餾方程隨著海水的蒸發(fā)、大氣運移過程中水蒸汽的濃縮和降雨分布,使穩(wěn)定氫氧同位素分餾并產(chǎn)生了時空分布的差異性。造成不同地區(qū)降水中同位素分餾,可用CraigH(1961)提出的瑞利蒸餾方程來描述:,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是同位素的分餾系數(shù)=R1/Rv(v是氣相,1是液相)。溫度則是影響蒸發(fā)水體中穩(wěn)定同位素分餾的最重要外部因子,平衡分餾的進程完全取決于溫度,瑞利分餾模式中剩余水中δD和δ18O之間的關系,隨溫度而變化,只有當溫度等于20℃時,兩者的關系才按照全球大氣降水線的變化。(2)同位素動力分餾CraigandGordon(1965)提出了線性電阻模型,在研究時發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)過程中發(fā)生的實際同位素分餾要大于平衡條件下的同位素分餾,發(fā)生在液面和空氣水蒸氣之間的動力效應和分子交換會影響到同位素分餾,存在同位素動力分餾,Gonfiantini(1986)給出了同位素動力分餾公式:,其中CK為經(jīng)驗值(氫的為12.5,氧的為14.2),h是濕度。自然條件下的實際蒸發(fā)中,開放的水體與非飽和空氣中發(fā)生的同位素分餾和瑞利平衡過程的描述有明顯差異,所以,實際在蒸發(fā)過程中發(fā)生的同位素分餾,不僅僅要考慮平衡分餾的作用,而且還要考慮動力分餾的作用,但是,由于動力的分餾與空氣的相對濕度和液體的表面糙率等因素有關,很難完全考慮,所以許多研究中,一般是只分析平衡分餾的作用,然后再把動力分餾因子可能造成的影響加上予以綜合考慮。一般說來動力分餾比熱力分餾要強得多,但氫同位素分子卻是熱力分餾強度大,所以當動力效應干擾時,18O與O分餾強度增大,使得之間的差別減少,造成斜率、截距變小。2雨水的氫氧同位素組成從1961年起,國際原子能機構就和國際氣象組織合作,開展了全球雨水的氫氧同位素組成的監(jiān)測。根據(jù)目前匯集的資料,討論了大氣降水同位素組成變化的主要表現(xiàn)為五種效應。(1)ri效應隨著緯度的升高,溫度逐漸降低,大氣降水中的值逐漸降低。我國降水主要水氣來源于低緯度的南方海域。(2)溫度效應降雨云團中的冷凝溫度和雨水中的δ值有直接關系,溫度越是低,大氣降水值越貧化。(3)高度差海拔越高,值越低。(4)大陸效應隨著云團遠離海岸線距離的增加導致降水值逐漸降低變負。(5)降水效果降水量效應指降水中值與降水量大小呈反相關關系,一般出現(xiàn)在中低緯度海洋與海岸地區(qū),其產(chǎn)生與強對流天氣的降水過程相聯(lián)系。4.過程及對比影響大氣降水的同位素組成記錄著水循環(huán)演化的歷史信息,降水穩(wěn)定氫氧同位素組成和降水形成氣象過程及水汽源區(qū)初始狀態(tài)存在緊密聯(lián)系,且隨時間、空間變化。大氣降水氫氧同位素的分布規(guī)律是同位素地球化學中的重要規(guī)律,它不僅是用穩(wěn)定同位素研究巖石、礦物和礦床形成條件的重要背景值,而且是研究古氣候、海洋學、冰川學、湖沼學、大氣物理以及其它地學領域的重要資料。三、大氣降水氫氧同位素組成隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展,人類面臨的水資源短缺問題越來越突出,氫氧同位素技術的應用將成為水文學研究的新手段,也將在水文水資源問題上發(fā)揮更重要的作用。全球范圍內對同位素的研究已經(jīng)進行了很多年,近些年來通過模型的方式把同位素與大氣環(huán)流結合起來進行水汽循環(huán)研究時,尤其顯示出同位素在這方面研究的優(yōu)點,也使得氫氧同位素成為國際降水環(huán)境同位素研究的熱點。當為正值時,