最新同位素水文地球化学ppt课件

14C的T1/2为5730±40a，地下水定年的上限为（5~6） ×104a。
⑵ 14C定年和14C浓度单位及标准 ① 14C定年公式
t=1/λ㏑(A/A0)
λ=0.693/λ=1.029×10－4a－1
A—— 测得含碳样品的14C产生的放射性，单
位为每分钟每克碳衰变次数（dpm/g）
A0——同一样品与大气平衡时的放射比度 ② 14C相对浓度单位和标准
E. 化学沉淀或生物沉淀的碳酸钙样品的14C含
量对局部比与大气处于平衡的植物的14C含量对局
部条件依赖的程度要高的多。
⑷ 14C年龄误差来源及修正 ① 测量误差；
② 大气中14C含量的变化：P33 图1—2 ③ 利用标准样品及δ13C的变化关系消除系 统误差
⑸ 14C法测定含碳样品的年龄的步骤：
同位素水文地球化学
同位素水文地球化学， 是直接或间接地应用水和
水溶 物质中保存的与水体 来源、形成环境和演化历 史有关的天然同位素信息， 去揭示各种水体的成因、
赋存条件及演化规律 ，为 查明水和水资源服务的学
科。
（2） 地下水氚的定年：
①在一定条件下，地下水流中任意一点 的 滞留氚时（间T）(t)含有量关与，氚其的关输系式入为量：（T0）和水的
上升：1954~1956，1964~1966时期两个高峰期，最
高氚浓度达2000Tu。
（4） 大气降水中的氚的各种效应 ① 纬度效应：氚浓度随纬度的增高而增高；
② 大陆效应：在同一纬度带上，氚浓度随远离 海岸线而逐步升高；
原因：赤道的宇宙射线中子强度变小，极地最 大，因而平流层各处氚的生产率有差别；大气环流 作用的影响；海洋表面的交换和稀释作用；人工氚 来源的加入。
2．同位素丰度：指自然界存在的某一元素中各 同位素所占的原子百分比。
3．同位素比值：指某一种元素的两种同位素丰 度之比。用R表示，例：SMOW的D/H=155.75×10-6 18O/16O=1997×10-6；迪亚布洛峡谷铁陨石的陨硫铁 34S/32S=0.0450045等
4. δ值：样品中两种稳定同位素的比值相对于某种 标准对应比值的千分差值：
再由 αA-B = RA/RB = （δA +1000 ） /（δB + 1000 ）
6．同位素相对富集系数(Δ值)
(1）Δ值也是用来表示两种物质间同位素 组成差别的程度。定义为：ΔA-B=δA-δB。
注意：① 同种元素的同位素组成的比较
② 绝对差。
(2） ΔA-B、αA-B和δA、δB之间的关系：
用：
Am=
校正。
Am，——待测样品测得的未经校正值；
δ13C——待测样品的值。
⑤对地下水的14C年龄测定，由于受到来自矿 物的非放射性产生的碳酸盐的稀释，还需校正（扣 除死碳）。
14CO2进入（溶解在地下水中）地下水时，以
HCO3－的方式：
Ca CO3+ 14CO2+H2O→2 HCO3－+Ca2+
特点：（1）同位素组成的变化相对小些；
13.5A6ds=p0m.9/g5碳ANBS-4990(1950年) =0.95Aox =
Aox——草酸标准经分馏校正后的标准； 放射性A测ox定，—值—；草酸标准制得的某批次CO2的
δ13C，——草酸标准制得 的δ13C的测定值（PDB）。
的
某
批
次
CO2
校正方法是: Aox= ② 测定出待测样品的放射性比度，并利
的影响；
发源于近海山地、丘陵区的河流：
a. 自南向北氚浓度逐渐增高；
b. 河水中的氚浓度低于流域内同期大气降水。
发源于内陆高原河流：
a. 自东向西河水氚浓度逐渐增加；
b.河水中的T高于当地大气降水，反映大陆内
部和高山区来水比例较大。
(6) 地下水流动模型及年龄的计算：
常用模型：
①活塞流模型（PEM） Cout/Cin0= e－λt ②指数模型 (EM) Cout/Cin0=1/(1+λt) ③弥散模型 (DM)
③ Slap(Standard light Antarctic Precipitation) 南极原始的粒雪样品。
④ PDB(Pee Dee Belemnite)美国卡罗莱纳州白 垩 素系标准Pe，e DPDeeB组的中δ1拟3C箭=0石,δ制18O成=的0。CO2作为碳氧同位
算：PDB的δ18OPDB与SMOW的δ18OSMOW之间的换
馏的①草对酸燃标烧准为的C放O射2过性程比中变产值生进了行同校位正素：分 准）A，s—其18放40射~1性86比0年变间为生0.B长g/的g碳树,现木代碳碳（的标百 分含量为13.56 dpm/g碳。实际使用的是 NBS—4990草酸（1950）；
关国系际：标准样品（As）与NBS—4990存在以下
样品现代碳百分含量（Pmc或﹪mod）
A=Am/As×102(Pmc) Am——待测样品的放射性比度 As——标准样品的放射性比度（13.56dpm/g）
（3）大气圈及水圈中的14C浓度的变化
A. 德夫里效应：根据树轮年代学研究， 在 射公元性前比1变50较0—191世700纪年高间出，2﹪大，气这CO种2的系1统4C的放 变化被认为是太阳的行为引起宇宙射线强度 的改变、地球磁场强度和古气候的变化引起 的；
一、基本概念
同位素是指原子核内质子数相同而中子 数不同的一类原子，它们具有基本相同的化 学性质，并在化学元素周期表中占据同一位 置。
例如，H元素：1H、D、3H O元素：16O、17O、18O C元素：12C、13C S元素：32S、34S
1．稳定同位素：指目前尚未发现存在放射性衰 变的同位素。如：H、D、16O、17O、18O等。
② 只涉及到同一元素的同位素组成。
（3）同位素分馏系数(α)与δ值的关系
根据δ的定义，可以分别写出：
则
δA =｛ （RA—Rs）/ Rs ｝× 1000 δB=｛（RB—Rs）/ Rs ｝× 1000
RA= ｛ （δA / 1000 ）+ 1 ｝ RS
RB= ｛ （δB / 1000 ）+ 1 ｝ RS
③ 季节效应：最大浓度在6~7月，最小浓度在 11~12月；
④ 高度效应：大气降水氚含量高处大于低处；
降水量效应：在同一纬度地区，大气降水的氚浓度 随降水总量的增加而减少。
（5）各种地表水体的氚浓度变化规律：
① 湖泊：
A. 主要由大气降水补给的湖泊：氚浓
度存在季节性变化，降水滞留时间短和小湖
① 经验法估算: P.27
1. 14C定年
⑴ 14C起源及演化循环
①大气层上部宇宙射线产生的中子（主
要是慢中子）与稳定的14N原子之间的核反 应产生14C：
147N+10n→14C+11H(P) (质子)
不活泼生的成1的2C1O4C2混很合快，氧遍化布成于14整CO个2分大子气，圈并。与
④ 水圈和部分含碳酸盐的沉积物的14C主要来 自大气CO2的溶解和同位素交换作用，构成了大气 圈、生物圈、水圈以及岩石圈中部分碳酸盐的天然 14C的循环。
⑤ 各水体中的含14C的物质从交换储存库转入 非交换储存库后，就赋予了定年的意义：即14C经β －衰减成稳定的14N:
146C→147N+β－+γ+Q
B.休斯效应：20世纪以来的木头的初始 放射性比变平均比19世纪低2﹪，这是由于工 业 进革入命大后气燃层烧引有起机 的燃 。料使大量不含14C的CO2
C.同位素分馏效应：光合作用、同位素交换等 由于自然界中碳的分馏作用也引起另外放射性碳含 量的变化。
D.人工放射性核爆炸，使大气圈14C含量增加。
δ样-标：以国际标准表示样品的δ值； δ样-工：以工作标准表示样品的δ值； δ工-标：以国际标准表示的工作标准的δ值。
–
二、稳定同位素分类：
1．轻质量稳定同位素：氢、氧、碳、硫
特点：（1） 同位素组成变化大；
（2） 同位素分馏的原因：在于元素
的物理化学和生物作用。
2．重质量数稳定同位素：锶、钕、铅等
校正方法目前有二：
第一，利用样品的δ13CPDB，倘若其值界于海相 碳 酸 盐 （ δ13C=0±3‰PDB ） 和 植 物 （ 平 均 为 － 25‰PDB）之间，再根据同位素质量平衡公式，可 以计算出非放射性碳的稀释量的比例，进而确定地 下水的初始14C的含量；
第二， P87
第二部分
地下水的同位素示踪技术
δ(‰)=｛ （Rx—Rs）/ Rs ｝× 1000
例如：硫同位素以迪亚布洛峡谷铁陨石中陨
硫 铁 的 硫 为 标 准 (CDT) ， 这 个 标 准 硫 的
34S/32S=0.0450045 。 它 的 同 位 素 组 成 相 当 于 整 个 地
球的平均同位素组成。样品的δ34S为“+”时，表示
样品比标准富34S，相反表示贫34S。
① 大气层的休止层渗漏效应： 大气层上部（休止层）的氚通过气团交换向对
流层迁移（渗漏），这种交换主要是在中纬度高压 带休止层不连续区域内，其交换强度随季节而异， 每年的晚冬和春季期内达到最大值；
② 氚自身的衰变和与贫氚的海洋表面水分子 交换，导致大气氚浓度的降低；
③ 大气层人工核试验导致大气氚浓度的急剧
②大气层上部不断产生新14C，但这些
14C又不断的衰减和被生物圈和水圈的物质
所吸收，从而使大气圈中的14C浓度维持一
种相对稳定的动态平衡状态。
②大气层上部不断产生新14C，但这些14C 又不断的衰减和被生物圈和水圈的物质所吸 收，从而使大气圈中的14C浓度维持一种相对 稳定的动态平衡状态。
③生物圈物质吸收14C的主要方式是植物 的光合作用和呼吸作用，而动物以直接或间 接食用食物来获得14C（生命效应），一旦生 命终止，14C就不能进入有机体内，这时有机 体内的14C就不断地随着时间的推移而变少。
定义δ值的目的在于：
① 因为自然界的稳定同位素组成的变化很微，用 δ值可以明显表示变化的差异；
② 便于全世界范围内数据大小的对比。
5．同位素分馏和同位素分馏系数(α)： （1）同位素分馏：是指在一系统中，某元素的同
位素以不同的比值分配到两种物质或物相中的现象。 例如：同一热液体系中，共存的硫化物和硫酸盐， 二者的同位素组分不一致，前者富32S、后者富34S。 又如：在蒸发过程中，蒸汽相富H、16O，液相中相 对富D和18O。 （2）同位素分馏系数(α)： 某一化合物中两种同位素丰度之比与另一种化
把αA-B两边取对数
lnαA-B=ln(δA+1000) — ln(δB+1000)
再按麦克劳林对数幂公式展开，得出近
似值：
103lnα(A-B)≈δA—δB=ΔA-B
7．标准样品及其值的换算：
① SMOW：标准平均海水、H、O同位素国 际标准。
② V-它水相混而成的。
δ18OSMOW=1.03086δ18OPDB+30.86
⑤ CDT(Canyon Diablo Troilite)美国亚利桑那州 Comyon Diablo铁陨石中陨硫铁相的硫同位素组 成，34S/32S=0.450045，δ34SCDT=0。
⑥ 标准换算：
δ样-标=δ样-工+δ工-标+ 10-3δ样-工·δ工-标
T=T0 e－λt
t=1/λ㏑(T/ T0)
只 浓度要T测，得就氚可的以输求入得浓地度下（水T的0）年和龄地。下水的氚
②氚单位（Tu）：在1018个氢原子中有
一个氚原子。
衰变的③最氚终的产半物衰为期3HTe1/：2为12.43a，属β－衰变，
31H→32He+β－+γ－+Q
(3) 大气层中氚浓度（T0）的变化：
泊的变化最大；
B. 在大而深的湖泊内氚浓度存在垂直
分布性；
C. 一些由地下水补给的湖泊不存在上
述变化，甚至不含氚。
②. 海洋：因海水体积庞大，解析强， 海水氚浓度变化不明显；
③ 河水：
A. 河水氚浓度取决于补给来源：大气降水补
给的河水T较高，地下水补给的T低；
B. 河水氚浓度受地理位置、高度等自然环境
合物的相应比值之商。定义为αa—b＝ RA /RB 。式中：
RA为A物质的一种元素的同位素丰度之比；RB为B物 质中同种元素的同位素丰度之比。
α>1，表示A物质比B物质富重同位素，α<1表示富轻 同位素。
注意：
① α只表示两种物质间同一元素的同位素组成相 对差别的程度，不涉及造成这种差别的原因；