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一張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第二張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6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等第三張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6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。

2、例如：自然界中18O的平均同位素豐度是0.205%，它表示在十萬(wàn)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%。 第四張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6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： 第五張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月三、千分偏差值(，) 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：值能直接反映出樣品

3、同位素組成相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)樣品的變化方向和程度。若0，表明樣品較標(biāo)準(zhǔn)樣品富含重同位素；若1，說(shuō)明A物質(zhì)比B物質(zhì)富含重同位素；AB1，則說(shuō)明B物質(zhì)比A物質(zhì)富含重同位素；AB=1，說(shuō)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)第十二張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月同位素分餾系數(shù)的通常表示方法： 第十三張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月七、氫氧穩(wěn)定同位素分餾 對(duì)于氫氧穩(wěn)定同位素來(lái)說(shuō)，蒸發(fā)和凝結(jié)是引起同位素分餾的重要作用。一般來(lái)說(shuō)，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。第十四張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月水與

4、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第十五張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月硫同位素分餾： 一般在硫化氫氧化為硫或硫酸鹽的過(guò)程中、海水結(jié)晶出石膏的過(guò)程、石膏溶解的過(guò)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(guò)程中，可以產(chǎn)生比較明顯的分餾，而且這一過(guò)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。 第十六張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月Plot of 34S of dissolved s

5、ulfate vs. chloride concentration in groundwater第十七張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月Plot of isotope fractionation between dissolved sulfate and total reduced sulfur vs. chloride concentration in groundwater第十八張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6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(guò)對(duì)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，

6、并得出了如下的相關(guān)關(guān)系式： 被稱為Craig公式 . 第十九張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 在以18O為橫坐標(biāo)、以D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）。 海水第二十張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月全球大氣降水氫氧同位素組成 第二十一張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月不同的地區(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

7、們把各地區(qū)的降水線稱為地區(qū)降水線（LMWL）。第二十二張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月GNIP中國(guó)站點(diǎn)分布及氧同位素等值線 第二十三張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6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) 第二十四張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月溫度效應(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)（ Dansgaa

8、rd，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。第二十五張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月蘭州張掖石家莊包頭烏魯木齊第二十六張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月高度效應(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(lái)說(shuō)，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(lái)說(shuō)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)

9、地下水補(bǔ)給區(qū)的位置和高度。第二十七張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月緯度效應(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(tuán)運(yùn)移過(guò)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：第二十八張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月緯度效應(yīng) 第二十九張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月大陸效應(yīng)大氣降水的D和18O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)。第三十張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第三十一張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月雨

10、量效應(yīng)大氣降水的D和18O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(guò)程中的蒸發(fā)效應(yīng)和環(huán)境水蒸氣的交換有關(guān)。廣州昆明第三十二張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月Annual means (filled dots) and monthly means (light squares) of 18Ovs. precipitation amount（mm per month) .(a) and（c) modeled, ( b) and (d) observed. 第三十三張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第三十四張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第三十五

11、張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第三十六張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2.3 放射性同位素及定年第三十七張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月一、放射性同位素衰變?cè)?原子核單位時(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 第三十八張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6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(lái)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(lái)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

12、和32Si等。第三十九張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6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(lái)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。 第四十張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月三 放射性同位素氚 半衰期 = 12.43 年 測(cè)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(biāo)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）第四十

13、一張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6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”第四十二張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月二、放射性同位素14C 測(cè)年上限 = 5-6萬(wàn)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)（813.6 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(shí)間 14C衰變常數(shù)， = ln(1/5730), 代入后得到：第四十三張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月