第四章水及水中同位素成分ppt课件.ppt

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1、Hydrogeochemistry 水文地球化学,东华理工大学水文地球化学课程组,第四章 水及水中同位素成分,Company Logo,本章内容,4.1 同位素基础知识 4.2 氢氧稳定同位素 4.3 氢的放射性同位素氚 4.4 碳同位素 4.5 硫同位素 4.6 同位素在水文地质学中的应用,Company Logo,一、同位素及分类 1、概念 同位素是指周期表中占有同一位置，其原子核中质子数相同而中子数不同的某一种元素的原子。如：11H、21H、31H，即具有相的质子数，但具有不同的质量数的原子。,4.1 同位素基础知识,Company Logo,4.1 同位素基础知识,一、同位素及分类2、

2、分类（1）按同位素产生的条件 天然同位素,如：3H，14C，18O等 人工同位素,如：人工3H，60Co，82Br（2）按结构稳定性 稳定同位素,如：D,13C,12C 放射性同位素,如：3H,14C,238U,Company Logo,一、同位素及分类 2、分类（3）按进入环境的方式 人工施放同位素，专指在研究过程中通过有目的人为投放而进入环境的部分人工同位素。如测定地下水流速流向的131I。环境同位素，包括自然环境中原本存在的天然同位素和在各种人工核反应过程中，自然进入天然环境的人工同位素，如：核反应堆。,4.1同位素基础知识,Company Logo,二、同位素组成及其表示方法和标准 1

3、、同位素组成 物质中，某元素的各种同位素相对含量，即为该物质中该元素的同位素组成。如：水分子中，氢元素有二种稳定同位素:11H、21H。这二种同位素在水中的相对含量，即为水的同位素组成。,4.1同位素基础知识,Company Logo,4.1同位素基础知识,二、同位素组成及其表示方法和标准2、同位素组成表示方法（1）同位素丰度 指在自然界或物质中某一元素的各种同位素在该元素中的所占的百分比。如氢在自然界的平均丰度：11H=99.9844%，21H=0.0156%。,Company Logo,二、同位素组成及其表示方法和标准 2、同位素组成表示方法（2）同位素比值 指物质中某一元素的两种同位素含

4、量之比 R=CA/CB 式中，C同位素含量 A重同位素 B轻同位素 例如，RD=D/H R18O=18O/16O R34S=34S/32S 等,4.1同位素基础知识,Company Logo,二、同位素组成及其表示方法和标准 2、同位素组成表示方法（3）值（千分偏差值）指物质中某一元素的两种同位素的比值相对于某一种标准比值的千分差值：()=(R样R标)/R标1000 式中：R样样品中的同位素比值 R标标准中的同位素比值 若()0，表示样品比标准富含重同位素()0，表示样品比标准富含轻同位素,4.1同位素基础知识,Company Logo,二、同位素组成及其表示方法和标准 3、国际标准 为了准确

5、的比较不同样品间同位素比值的变化，国际上采用统一标准。例如：某水样测得18O/16O=1973.410-6，水样18O=-10，说明该样品比标准富16O 10,4.1同位素基础知识,Company Logo,二、同位素组成及其表示方法和标准 3、国际标准表4-1 O、H、S、C国际标准,4.1同位素基础知识,Company Logo,三、同位素分馏与同位素效应 1、同位素分馏 某元素的同位素，由于质量差异，使其在物理-化学过程中，以不同比例分配于不同的物质或不同相之间的现象，称之为同位素分馏。原因：质量差引起物理性质和化学反应速度的差异 例如：H2O,4.1同位素基础知识,Company Lo

6、go,4.1同位素基础知识,三、同位素分馏与同位素效应 2同位素分馏系数 两种物质（或两种不同相）之间，同位素分馏程度用两种物质中同位素比值之商表示：式中：A，B 物质或相中的同位素分馏系数，A，B 物质或相中的同位素比值 例如：CO2H20系统中氧同位素分馏系数 C16O2+H218O C18O2+H216O,Company Logo,4.1同位素基础知识,三、同位素分馏与同位素效应 2同位素分馏系数 例如：CO2H20系统中氧同位素分馏系数 C16O2+H218O C18O2+H 216O 25时，=1.0407，说明CO2比与其平衡的水富含40.7的18O，富集程度的求法：（）=（A-B

7、-1）1000（）=(1.0407-1)1000=40.7,Company Logo,4.1同位素基础知识,三、同位素分馏与同位素效应 3、同位素的效应 由于某种元素的一种同位素被另一同位素所替换，从而引起物质在物理、化学性质上出现差异的现象，称之为同位素效应。同位素效应是造成同位素分馏的根本原因。C16O2 C16O18OVc16o2 Vc16o18o,Company Logo,4.1同位素基础知识,三、同位素分馏与同位素效应 3、同位素的效应（1）热力学同位素效应 指由于各种同位素原子和分子能态不同所引起的热力学性质上的差异。它是发生在热力学平衡系统中，与化学平衡和相平衡有关的同位素效应。

8、（2）动力学同位素效应 指由于同位素原子或分子的质量和能态不同引起的反应速度（包括化学的、物理的和生物化学的）上的差异。它是发生于非常平衡系统中，与不可逆过程有关的同位素效应。,Company Logo,4.1同位素基础知识,三、同位素分馏与同位素效应 3、同位素的效应（3）物理化学同位素效应 如蒸发和凝结，结晶和溶解，吸附和解吸等，是与同位素分子密度、蒸气压、热学性质、电磁学性质等物理化学性质上的差异有关的同位素效应。它既可以发生在平衡系统中，也可以发生在非平衡系统中。（4）生物化学同位素效应 指有生物参与的各种同位素效应。多数生物化学同位素效应属于动力学同位素效应。,Company Log

9、o,4.1同位素基础知识,四、主要的同位素分馏作用、同位素交换反应(1)定义 不同的化合物之间，不同相之间或不同的分子之间，只发生同位素的再分配，而不发生化学变化的反应，称为同位素交换反应：C16O2+H218O C18O2+H216O,Company Logo,4.1同位素基础知识,四、主要的同位素分馏作用(2)影响因素 A、温度：lnA/T2+B/T+C（反比关系）B、化学成分：重同位素先富集在化学键最强的分子中。石 英斜长石辉石橄榄石 18i O Al-O Mg-O 键强,Company Logo,4.1同位素基础知识,四、主要的同位素分馏作用 1、同位素交换反应(2)影响因素 C、交换

10、溶液的性质：由于有些同位素交换反应是经过溶解再沉淀的机理来实现的，因此交换反应受到盐效应的影响。例如：钠长石 进行氯同位素交换反应，发现在NaCl溶液中速度最慢，在KCl 溶液中速度最快。,Company Logo,4.1同位素基础知识,四、主要的同位素分馏作用 1、同位素交换反应(2)影响因素 同离子效应:一种矿物溶解于水中，若水溶液有与矿物溶解相同的离子，则这种矿物的溶解度降低。盐效应:矿物在纯水中的溶解度低于矿物在高含盐量的容液中的的溶解度，这种含盐量升高使矿物溶解度增大的现象。,Company Logo,4.1同位素基础知识,四、主要的同位素分馏作用 2动力同位素分馏 由动力同位素效应

11、（反应速度差异效应）引起的同位素分馏，称之为动力同位素分馏。一般规律是轻同位素比重同位素反应速度快，优先富集产物之中。（1）光合作用：生物优先吸收12C、11O、1H（2）脱硫酸作用:SO42-脱硫酸作用产生 H232S,Company Logo,4.1同位素基础知识,四、主要的同位素分馏作用 2动力同位素分馏（3）分子的扩散作用 VC16O2=Vc18o16o=Vc16o2Vc16o18o=1.022 即：C16O2比C16O18O分子的平均速度大22，当气体分子扩散时，就会引起同位素分馏。动力学效应一般比热力学效应大得多。,Company Logo,4.1同位素基础知识,四、主要的同位素分

12、馏作用 2动力同位素分馏（4）动力系统可分为开放系统和封闭系统两种方式 在封闭系统中，动力分馏与反应物的消耗程度有关，当反应物消耗越少时分馏就越明显。,Company Logo,4.1同位素基础知识,四、主要的同位素分馏作用 3、物理过程引起的同位素分馏 即物质在溶解与结晶，蒸发与浓缩，吸收与解吸等过程中，所发生的同位素分馏。如：100时，H2O的蒸气压为105Pa，D2O的蒸汽压为9.5105Pa蒸发时，显然H2O更容易进入气相。4、放射性衰变及核反应 238U206pb,Th 207pb,Company Logo,4.2 氢氧稳定同位素,一、同位素交换效应 1、氢氧同位素分馏（1）水岩同位

13、素交换反应 Si18O2+H216O Si16O18O+H2O 其结果是水中富集18O。氧漂移 由于岩石中的8O值大，水岩同位素交换的结果使水富含18O（水中的18O值增大），称为氧漂移。,Company Logo,4.2 氢氧稳定同位素,一、同位素交换效应 一般在温度80条件下发生的水岩作用中“氧漂移”明显。由于岩石中H很少，故水岩反应一般不会引起氢的漂移。在地下热水中，常发现18O高于大气降水，而D值与降水相近。,Company Logo,4.2 氢氧稳定同位素,一、同位素交换效应 影响氧漂移的因素 A、温度是影响同位素交换反应的主要因素，一般温度越高，交换反应的速度就越快，氧漂移的速度就

14、越明显；B、水及岩石的初始18O含量。这两者的初始18O差值越大，氧漂移越明显；C、水与岩石接触的时间，面积；D、压力，压力越大，氧漂移的越明显；E、水与岩石中氧元素的含量比，越小越明显；F、水与矿物的分馏系数，越大越明显。,Company Logo,4.2 氢氧稳定同位素,一、同位素交换效应 1、氢氧同位素分馏（2）水气交换反应 CO2是水中常见的气体，在低温条件下，它和水反应如下：地下中CO2主要来自土壤生物成因CO2，所以CO2中富含16O，25时，即反应后，水中的18O值比与之平衡的CO2 贫40.7。,Company Logo,4.2 氢氧稳定同位素,一、同位素交换效应 1、氢氧同位

15、素分馏 CH4、H2S气体是封闭还原环境中常见的气体，在低温条件下，它与水产生交换反应的结果是，使水中富集D,在油田水中经常发生这种现象.在通常情况下，地下水同CO2、H2S、CH4 发生的同位素交换反应很微弱，一般对水的D值影响不大.,Company Logo,4.2 氢氧稳定同位素,一、同位素交换效应 2、物理过程的同位素分馏（1）扩散作用引起的同位素动力分馏 不同的同位素分子，由于质量的不同，其分子平均速度不同，因而在分子扩散中引起同位素分馏 前面已经讲过，分子的平均速度与分子量的关系：,Company Logo,4.2 氢氧稳定同位素,一、同位素交换效应 2、物理过程的同位素分馏 在水

16、体的蒸发过程中 H216O比H218O更容易扩散进入气相 使气相富含16O,而液相富含18O 这是蒸发引起同位素分馏的原因。,Company Logo,4.2 氢氧稳定同位素,一、同位素交换效应 2、物理过程的同位素分馏（2）蒸发与凝结过程引起的动力同位素分馏。蒸发：海洋水的18O=O，经洋面蒸发，H216O优先进入气相，所以气相富集16O，18O=-13，而液相富集18O.凝结：与蒸发相反，蒸汽凝结时，H218O优先凝结成雨点，这样蒸汽团就进一步贫化，对D也有相同的规律。,Company Logo,4.2 氢氧稳定同位素,一、同位素交换效应 2、物理过程的同位素分馏,Company Logo

17、,4.2 氢氧稳定同位素,一、同位素交换效应 3单向化学反应引起的动力同位素分馏 在不可逆的化学反应中，轻同位素常在生成物中有选择地富集。从而引起同位素动力分馏。例如：有机物被细菌氧化分解产生的C2O 和水中富含16O,Company Logo,4.2 氢氧稳定同位素,二天然水的氢氧同位素的组成 1、海水 18O=0-1 D=0-1（1）表层：由于蒸发作用，18O0，D0,（2）深层（2500m）：18O、D0 一般含盐量高的海水，18O、D也高。赤道表层的海水18O、D比高纬度的地区（两极）18O、D要高。,Company Logo,4.2 氢氧稳定同位素,二天然水的氢氧同位素的组成 2、大

18、气降水 18O=0-60。D110-400（1）大气降水中H、O同位素组分的分布特征 大气降水主要来自由海水蒸发所形成的蒸汽团。在蒸汽团向大陆运移的过程中，由于不断的凝结与形成降水而产生同位素分馏，而同位素分馏受到一系列因素的制约,使得大气降水的同位素组成随着自然地理条件的不同而曾现有规律的变化:温度效应；大陆效应；纬度效应；高程效应；雨量效应；山体屏蔽效应；季节效应。,Company Logo,4.2 氢氧稳定同位素,二天然水的氢氧同位素的组成 2、大气降水（1）大气降水中H、O同位素组分的分布特征 温度效应 大气降水中的18O和D 随地面或云层的温度升高而增大，反之，则降低。在中一高纬度的

19、滨海地区，降水的年平均值与该地区的地面年平均温度成线形关系：18O=0.695t-13.6()D=5.6t-100()即气温每降低1，18O减少约0.7,D减少5.6 例如：我国全国范围内，18O=0.176t-10.39(),Company Logo,4.2 氢氧稳定同位素,二天然水的氢氧同位素的组成 2、大气降水 大陆效应 大气降水中的18O和D由沿海到大陆内部逐渐降低得现象。例如：从大西洋东岸穿过欧洲大陆，降水的D值由-30降低到-70 纬度效应 大气降水中的18o和D值随纬度增加而减少。我国从广州到北京，纬度效应为-0.24度 我国纬度效应的线性方程如下：18O=-0.24NL0+0.

20、50 D=-1.89NL0+11.39,Company Logo,4.2 氢氧稳定同位素,二天然水的氢氧同位素的组成 2、大气降水 高程效应 大气降水中18O和D随海拔高度增加而下降的现象，高程效应实际上是温度效应的反映，一般用同位素高度梯度表示:18O=-0.15-0.5/100m D=-1.2-4/100m 不同地区同位素高度梯度差别很大，江西庐山18O梯度为:-0.18/100m 喜马拉雅山18O梯度为：-9.3/100m 海拔高度越高，高程效应越明显,Company Logo,4.2 氢氧稳定同位素,二天然水的氢氧同位素的组成 2、大气降水 雨量效应 一般雨量越大，18O和D值越小。降

21、雨量与值呈负相关。例如：,Company Logo,4.2 氢氧稳定同位素,二天然水的氢氧同位素的组成 2、大气降水 山体屏蔽效应 指山体背风坡，沿云团前进方向，降水的18D和D值不断增高的现象。在山体背风坡，由于地形发生变化，云团由上升变为下降，气温升高，部分雨滴转变为蒸汽消失，结果使云团蒸汽的重同位素含量增高，导致降水值沿云团前进方向增高得现象。,Company Logo,4.2 氢氧稳定同位素,二天然水的氢氧同位素的组成 2、大气降水 季节效应 降水的18D和D值随气温，湿度，蒸发和降水的季节变化而发生周期变化。一般夏季值大，冬季值小，形成一个年周期变化。实际上，各地区大气降水的同位素组

22、成是上述各种效应综合影响的结果，各种效应的表现程度在不同地还应具体分析。上述各种效应归根到底都于温度有关，即温度效应的各种表现形式。,Company Logo,4.2 氢氧稳定同位素,二天然水的氢氧同位素的组成 2、大气降水（2）降水中18O和D关系 全球性或地区性大气降水的18O和D值往往呈线形关系。1961年克雷格（H.craig）提出了全球降水线方程，即craig降水线方程：D=818O+10 1981，IAEA修正了craig方程：D=8.1718O+10.56,Company Logo,4.2 氢氧稳定同位素,二天然水的氢氧同位素的组成 2、大气降水 1988，水工所求得我国的降水线

23、方程：D=7.6918O+7.30 1987，东华理工大学求得庐山地区的降水线方程：D=7.1618O+8.88,Company Logo,4.2 氢氧稳定同位素,二天然水的氢氧同位素的组成 3、地下水的H、O同位素组成 地下水的H、O同位素组成，主要取决于其起源：(1)大气降水补给的地下水，同位素组成和大气降水一致；(2)地下水在渗流过程中的氢氧同位素分馏可以忽略不计(3)干旱地区，蒸发作用对地下水的氢氧同位素产生一定的影响，使地下水的同位素组成偏离当地降水线方程，一般表现为 值升高，斜率减小；(4)在高温条件下，地下水和岩石之间进行氧同位素交换，可能使地下水中18O值增加（氧漂移）。,Co

24、mpany Logo,4.3 氢的放射性同位素氚,31H或T，其半衰期T1/2=12.623a，氚在水中以氚水（HTO或T2O）的形式存在，它是水的组成部分，因此是最理想的示踪剂。氚的浓度单位以氚单位表示，1TU=1个氚原子/1018个氢原子。,Company Logo,4.3 氢的放射性同位素氚,一、氚的成因 1、天然氚 高空宇宙射线与稳定的氧、氮作用产生：中子,Company Logo,4.3 氢的放射性同位素氚,一、氚的成因 1、天然氚 高空宇宙射线与稳定的氧、氮作用产生：中子 氚的产生与衰变可达到平衡。生成的氚氧化后形成氚水,然后以降水的形式降到地表,形成地表径流或进入地下水。,Com

25、pany Logo,4.3 氢的放射性同位素氚,一、氚的成因 2、人工氚 主要由空中热核实验产生的，1952-1962年，是热核试验的高峰期，产生大量的人工破坏了天然氚的平衡。例如：热核试验前，北半球大气降水中氚的含量为5-10TU，而1963年北半球大气降水中氚的含量可达到数千氚单位.1963年后，空中核试验减少，大气降水中氚的浓度也减少。与天然氚一样，人工氚氧化后形成氚水。同样以大气降水的形式降到地表形成地表径流或进入地下水中。,Company Logo,4.3 氢的放射性同位素氚,二、天然水中氚的分布的特征 1、大气降水 大气降水中的氚浓度具有以下分布特征：（1）季节效应 大气降水中的氚

26、浓度具有明显的季节性变化特征，最大浓度一般出现在6-7月份，最小浓度在11-12月，这一点与18O，D一致.（2）大陆效应 对于同一纬度来说，靠近海洋的地区大气降水中氚的含量低于内陆地区，这一点于18O,D不一致.例如：由沿海的烟台氚值为20TU，到内地开封的55TU，原因是受海洋上空贫氚的蒸汽的稀释影响。,Company Logo,4.3 氢的放射性同位素氚,二、天然水中氚的分布的特征（3）纬度效应 高纬度地区的氚含量高于低纬度地区。赤道氚值最低，两极最高，这一点与18O，D不一致。原因:随纬度增高，中子流增高，产生的氚增加。例如，由东南沿海降水氚值30TU往北到北京地区降水氚值达到200T

27、U。,Company Logo,4.3 氢的放射性同位素氚,二、天然水中氚的分布的特征（4）高程效应 大气降水中氚的含量随海拔高程增加而增加，这一点与18O,D不一致。例如：瑞士泽尔马特地区，不同高程降雪的氚值为：（5）雨量效应 同纬度地区，大气降水值随降水量的增加而减少，这一点与18O,D不一致。,Company Logo,4.3 氢的放射性同位素氚,二、天然水中氚的分布的特征 2、地下水 地下水中的氚值及其变化取决于含水层的补给来源，埋藏条件及径流条件。潜水和浅层的承压水属现代循环水，一般都有较高的氚值（30TU-40TU），而深层承压水不含或含极少的氚值（1TU）。,Company Lo

28、go,4.3 氢的放射性同位素氚,二、天然水中氚的分布的特征 2、地下水 现代循环地下水中氚值有以下一些特点：氚值低于同期大气降水，其动态变化与补给来源有关，具有滞后变化现象。在均质含水层中，地下水的氚值随深度的增加而减少，呈现出明显的垂直分带。径流条件好的含水层中，地下水的氚值往往高于径流条件差的含水层中的氚值。,Company Logo,4.4 碳同位素,一、碳同位素丰度 1、碳同位素丰度 自然界中碳有6种同位素，10-15C,主要为：12C 98.892%,13C 1.108%,14C1.210-10%12C、13C为稳定同位素。14C为放射性同位素。,Company Logo,4.4

29、碳同位素,一、碳同位素丰度 2、表示方法与组成（1）稳定同位素 13C=标准PDB:=1123.7210-5,13C=0,Company Logo,4.4 碳同位素,一、碳同位素丰度（2）放射性同位素（14C）以PMC（Percentage of modern carbon）表示，百分之现代碳。PMC=式中：A样 样品的放射性比度（dpm/g）A标 标准的放射性比度（dpm/g）dpm/g每克样品每分钟衰变次数 标准样是1840-1860年间树木的放射性比度，但已用完，目前国际标准采用NBS-4990草酸，A标=0.95NBS-4990,Company Logo,4.4 碳同位素,二、碳同位素

30、分馏 1、光合作用中的动力分馏 在光合作用中，植物中碳的分馏主要分两步：（1）植物优先从大气中吸取12C02；（2）植物优先溶解12C02，并把它转化为有机物。2、微生物活动的动力分馏 微生物中新陈代谢的产物CH4中富含12CO2,Company Logo,4.4 碳同位素,二、碳同位素分馏 3、大气CO2溶解的HCO3-固态的CO3-系统的碳同位素交换 在这个系统中，交换反应使重碳酸盐和碳酸盐富含富含13C,Company Logo,4.4 碳同位素,三、大气圈中的碳同位素成分 大气CO2的13C=-7 植物发育区 13C-7 海洋上空13C-7 工业城区 13C-7 沙漠和山区 13C近于

31、-7 火山与地热区 13C-7 土壤CO2:13C=-25(有机物的分解作用，植物根系的呼吸作用使CO2富含 12C)大气CO2的。,Company Logo,4.5 硫同位素成分,一、硫同位素丰度和组成标准 1丰度 自然界中有四种稳定同位素：32S95.1%，33S0.47%,34S4.2%，36S0.016%研究硫同位素，主要是32S和34S。2.表示方法与组成 国际标准:CDT,34S=0,Company Logo,4.5 硫同位素成分,二、硫同位素的分馏作用 1硫同位素的动力分馏（1）硫酸盐无机还原作用中的同位素动力分馏 由于32S-O键和34S-O键断裂时所需要的能量不同 的反应速度

32、也不一样。K1/K2=1.022，即32SO42-的还原速度比34SO42-快22从而导致产物H2S富含32S.,Company Logo,4.5 硫同位素成分,二、硫同位素的分馏作用（2）细菌还原硫酸盐时的动力分馏 在地下水系统中，硫酸盐细菌还原作用引起的硫同位素分馏可分为两种情况：在硫酸盐类数量有限的封闭系统中 对生成物H2S开放 例如：H2S的去气或金属硫化物的沉淀，反应产物H2S开始最大的富集32S，随着反应的进行，34S逐渐的增大，到还原过程结束时，反应产物的34S值大大超过硫酸盐的原始 34S 值。,Company Logo,4.5 硫同位素成分,二、硫同位素的分馏作用 1硫同位素

33、的动力分馏 对生成物H2S封闭 也就是说反应产物（H2S）在系统中不断的积累。在这一过程中，刚开始时，生成的H2S富含32S,随后逐渐增高，反应结束时，H2S的34S值接近于硫酸盐的原始34S值。,Company Logo,4.5 硫同位素成分,二、硫同位素的分馏作用 在有无限数量硫酸盐加入的开放系统中 在含有无限硫酸盐水补给的含水层中，由于被还原的硫酸盐能不断地得到补充，地下水中硫酸盐含量基本稳定，所以还原生成的硫化物 H2S、黄铁矿等，一般都强烈的富集32S。（3）硫化物氧化过程中的同位素分馏 在氧化反应中，富含32S的硫化物分子反应速度较快，生成的产物相对富32S。但这一过程的同位素分馏

34、程度很小。一般生成物的34S值很接近。,Company Logo,4.5 硫同位素成分,二、硫同位素的分馏作用 2、硫同位素交换反应 是硫同位素分馏的主要形式之一，它有以下一些规律：同一体系中，当同位素达到交换平衡时，硫的价态越高，含硫化合物越富34S：34SSO 34SSO 34SSO 34SH S 34SS 自然界中的硫酸盐总比共生的硫化物富含34S。同一价态化合物，金属硫键越强的矿物越富含34S：34S黄铁矿34S闪锌矿34S黄铜矿34S方铅矿 温度越低,含硫化合物之间的分馏系数越大,反之越小。,Company Logo,4.6 同位素在水文地质学中的应用,利用水及水中元素的同位素可以解

35、决许多水文地质问题:探讨各类水体的起源;研究大气降水、地表水、地下水之间的关系;确定地下水的起源、补给区及补给高程;判断水体的运动规律(流速,流向等);测定地下水的年龄;研究矿床的成因。这些内容主要在后续课程同位素水文地质学中讲，这里只介绍其中一部分。,Company Logo,4.6 同位素在水文地质学中的应用,一、确定含水层地下水的补给区及补给高程 1、基本公式法 大气降水中的D和18O值具有高程效应，据此可确定含水层中地下水的补给区高程。如果地下水取样点附近大气降水的D和18O值已知，则可按下式求得补给高程：H=式中:H补给高程(m)h取样点高程(m)s取样点地下水的同位素组成()d取样

36、点附近大气降水的同位素组成()K同位素高程梯度(-n/100m),Company Logo,4.6 同位素在水文地质学中的应用,一、确定含水层地下水的补给区及补给高程 1、基本公式法 实例：某矿泉水,18O=-10.55，附近大气降水18O=-9.25，h=385m，K=-0.3/100m 代入公式:H=如何获得K(标准法)：从山麓到山顶设置一系列观测点，观测降水中18O、SD及气温，求得18O、D与气温关系、同时求得温度梯度T，最终获得K值.例如法国某地,18O=0.4t-13.5(温度每降低10C,18O减少0.4)，温度梯度为T=-0.70C/100m K=0.4(-0.7)=-0.28

37、/100m,Company Logo,4.6 同位素在水文地质学中的应用,一、确定含水层地下水的补给区及补给高程 2、回归方程法 如果取样点附近降水的同位素未知，则可以采取不同高程，补给区比较确定的，径流途径较短的浅层地下水(下降泉)的同位素组成样品，经回归分析得到18O或DH的回归方程，然后将泉水或井水样品的D或18O代入此关系式，亦可求出补给区高程。该方法在水文地质中广泛应用.,Company Logo,4.6 同位素在水文地质学中的应用,一、确定含水层地下水的补给区及补给高程 2、回归方程法 实例 已知江西崇仁马鞍坪地区不同高程浅地下水的D,18O及取样高程如下:样号 18O()D()H

38、(m)No.1-5.93-42.3 350 No.3-5.15-29.8 110 No.6-5.57-37.6 220 No.7-5.78-35.6 280 No.8-5.70-36.9 250,Company Logo,4.6 同位素在水文地质学中的应用,一、确定含水层地下水的补给区及补给高程 2、回归方程法 据表中求得:DH：D=-25.17-0.047H=0.92 18OH：18O=-4.81-0.0032H=0.96 已知马鞍坪温泉18O=-7.23 D=-44.1，分别代入上两式，得温泉水补给高程：753m(据18O)和404m(据D),取平均值为580m左。,Company Log

39、o,4.6 同位素在水文地质学中的应用,一、确定含水层地下水的补给区及补给高程 2、回归方程法 y=A+Bx y=D或18O,x=H,Company Logo,4.6 同位素在水文地质学中的应用,一、确定含水层地下水的补给区及补给高程 2、回归方程法（1）按一定高程分别在工作区补、径、排布点采样；（2）最好选用补给范围小的下降泉(季节性泉)；（3）取样时防止同位素发生分馏。取样最好在水下进行，并在水下将瓶的内盖盖好，然后密封保存，水样瓶中尽量不留空隙，以免产生同位素分馏。（4）水样的体积50100ml,Company Logo,4.6 同位素在水文地质学中的应用,二、研究地下热水成因 大量的同

40、位素研究表明，地下热水18O、D值与当地大气降水近似，说明其降水成因为其主要部分。1、求大气降水线方程 其同位素和采样要求与方法与上一致 2、作图判别 对于某些高温地下热水因为产生水岩作用，出现“氧漂移”会导致18O值高于当地大气降水的18O值，使地下热水的18O组成偏离降水线方程，但D无明显漂移。,Company Logo,4.6 同位素在水文地质学中的应用,二、研究地下热水成因,Company Logo,4.6 同位素在水文地质学中的应用,三、计算地下水年龄 1、14C法（1）天然14C的产生及循环 天然14C主要由宇宙射线中的中子流轰击大气中N核而产生的，同时又进行14C的衰变，14C的

41、形成与衰变处于动态平衡。由天然产生的14C在空气中很低快生成14C分子，并与不活泼的12C混合，均匀分布到整个大气圈中，参与碳的总循环.。因此，14C只分布在与大气CO2发生交换关系或者前不久才失去这种关系的各种形式的含碳物质中。.一旦含碳物质脱离交换库，则其中的14C就发生衰变，这是14C测年法的基础。,Company Logo,4.6 同位素在水文地质学中的应用,三、计算地下水年龄 1、14C法（2）14C测年法原理 如前所述，一旦某含碳物质停止与外界发生交换，如有机物死亡，CaCO3沉淀，它们与大气和水中的CO2不再发生交换，那么有机体和碳酸盐中的14C得不到新的补充，其原始的14C按放

42、射性规律发生衰变：A样=A0et A样样品14C比度(PMC);A0处于交换库中的14C比度(原始14C)，一般取 用现代碳100PMC;t被测定的年龄，用“距今”表示,相对于1950年;14C衰变常数5568a;,Company Logo,4.6 同位素在水文地质学中的应用,三、计算地下水年龄 1、14C法 上式简化：t=ln=18500lg(测式基本公式)地下水14C年龄指地下水与土壤CO2(或大气CO2)隔绝后距今的年代。地下水与土壤CO2隔绝后，此时14C为A0。在含水层中运动时，14C不断衰变减少，在我们感兴趣的位置取水样，测得14C强度(A样)，即可算出补给以后经历的时间。,Com

43、pany Logo,4.6 同位素在水文地质学中的应用,三、计算地下水年龄 1、14C法（3）14C测年校正 地下水中可溶性的无机碳(CO2,CO2-3,HCO-3)在地下水运动过程中会产生一系列变化，如地下水对岩石中的碳酸盐(不含14C)的溶滤，这样会对水中14C浓度产生冲淡作用。因此，对14C年龄应进行一些校正。,Company Logo,4.6 同位素在水文地质学中的应用,三、计算地下水年龄 1、14C法（4）14C测年适用条件 由于要保证14C无途中加入，故14C测定地下水年龄仅适用于封闭条件良好的承压水，对潜水不适用。测年范围50060,000年。,Company Logo,4.6

44、同位素在水文地质学中的应用,三、计算地下水年龄 2、氚法(T,3H)（1）测年原理 测年原理与14C法一样，测年基本公式为:t=40.75log()式中:A0补给区降水输入的氚含量;A样排泄点地下水输出的氚含量;t地下水年龄;,Company Logo,4.6 同位素在水文地质学中的应用,三、计算地下水年龄 2、氚法(T.3H)由于人工核试验破坏了氚的自然平衡，再加上含水层的埋藏条件复杂，因而降水输入的初始氚含量难以确定，在实际应用中必须加以修正（2）适用条件氚T12.262a，故只能测定50年以内的水的年龄,Company Logo,本章内容,作业 某温泉区天然水同位素组成及CO2分析结果如下表；求：本区降水线方程（并做图）；本区D、18O高程效应方程；判断三个温泉的起源，并解释其18O与本区降水线偏差的原因。,Company Logo,本章内容,作业,Company Logo,本章内容,4.1 同位素基础知识 4.2 氢氧稳定同位素 4.3 氢的放射性同位素氚 4.4 碳同位素 4.5 硫同位素成分 4.6 同位素在水文地质学中的应用,