同位素水文地质学
00绪言同位素地质学
地幔中的水
深部层圈
绪 言
赋存于地面以下岩石空隙中的水 （土层） 研究对象：研究地下水的科学
水 文 地 质 学 概 念
研究内容 （任务）
研究与岩石圈、地幔、水圈、大气圈、生 物圈以及人类活动相互作用下地下水水量 和水质的时空变化规律，以及对各个圈层 所产生的影响；
并研究如何运用这些规律和影响去兴利除 害，为人类服务
绪 言
早期有关地下水的“研究”
在古希腊和古罗马文明中，哲学家和科学家已经考虑所谓 的“地下水”，他们为降水停止很长时间后的干旱季节的泉水 和河流中的水流所困惑。柏拉图（公元前427～347年）和其 它哲学家提供了一个答案：他们认为地下水源于与海洋联通的 洞穴。借助于波浪的运动，海水从海洋送到这些洞穴中，再从 洞穴送到泉水和河流。他们假设，地下纯化过滤了海水中的盐 分，以解释泉水和河水是淡水。
法证实，暂时被冷落。
入渗说：与此同时，美国的兰（ne）、戈登 （W.C.Gorden）俄国的安德鲁索夫（N.I.Andrusov）分别提出 了埋藏水（沉积水）的存在。这些水是与沉积物堆积同时存在 于岩石孔隙之中的，粘性土固结压密时可能将水释入周围含水 层中。 18世纪德国水文学家福利盖尔反对入渗说，提出了凝结说， 认为水汽冷凝为液态水是地下水的主要来源。无法证实，被放
井涌水超过正常排水能力时，就造成矿井水灾，通常也称 为透水。（人为不慎凿穿）
绪 言
2）地下水过量取用、地下排水不当引发的地质环境问题 地面沉降 过量开采，地下水位下降，土层压缩，地面沉降
露天矿井大量排水引起地面沉降、开裂和塌陷等地质灾害
绪 言
海水入侵
海水入侵是海水渗入沿海（滨湖）地区地下含水层的现象。 源于“人为超量开采地下水造成水动力平衡的破坏”。 海水入侵使灌溉地下水水质变咸，土壤盐渍化，灌溉机井 报废，导致水田面积减少，旱田面积增加，农田保浇面积减少， 荒地面积增加。最严重的会导致工厂、村镇整体搬迁，海水入 侵区成为不毛之地。
同位素水文地质学
重庆利用2006年5月至2007年4月期间的δD、δ18O数据，建立了当地大气降水线方程(LMWL): δD =8.73δ18O+ 15.73，相关系数r= 0.97。
相对于全球以及中国大气降水线斜率与截距都偏大。
这是由于该大气降水线的数据建立在次降水的数据基础上，由于“降水量效应”（淋滤效应），即多次降水过程，同位素分馏作用会导致残余水汽中稳定同位素比例持续减轻。
重庆每年11月至第2年4月主要以锋面降水为主，西风气流以及偏北气流带来的亚洲内陆地区的水汽来源于干旱半干旱地区，风速大，蒸发比较旺盛，因此同位素偏重，这在δ18O和d中均有体现。
而在5～ 10月期间，偏南气流的影响显著;特别是在夏季风影响深刻的6～ 9月期间，来自于热带和副热带大洋的温暖潮湿气团给当地带来大量降水，使得降水中的过量氘d值减小。
结论：(1)初步建立了重庆大气降水线方程: δD= 8.73δ18O+ 15.73。
(2)重庆雨水中的稳定同位素值在年内具有明显的季节变化，夏季降水中稳定同位素值比冬季降水中明显偏轻。
夏季海洋性的水汽来源以及水汽由海洋到陆地运移过程中的多次凝结降水是导致这一现象的主要原因。
稳定同位素值最偏重的降水事件出现在春末夏初，表明了由温度、湿度等控制的蒸发作用对重同位素的富集效应。
(3)当地大气降水稳定同位素组成没有体现出温度效应，与温度呈现出一种负相关的关系（与南方一致）但体现出一定的降水量效应。
(4)重庆春季和秋季的降水量占全年降水量的比例可达30%左右，这些非夏季风影响时期的大气降水及其稳定同位素组成对当地全年大气降水稳定同位素的加权平均值有重要影响。
特别是在当夏季出现伏旱天气而导致降水显著减少的年份。
成都1）成都地区大气降水同位素值表现出非常明显的季节变化：夏半年偏负，冬半年偏正，符合季风气候的降水特征。
成都地区是典型的季风影响区，夏季受东亚季风、印度季风的双重影响，来源于海水蒸发的暖湿气团在每年的夏半年形成丰富的季风降水；而由于大巴山的阻挡，本区受冬季风的影响比较微弱，所以冬半年的水汽可能主要来源于当地地表水的蒸发。
同位素在水文地质研究中的应用与发展
示踪 剂稀 释测 井 。把 放射 性示 踪剂 放到 一定 深度 的 钻 孔或井 孔 中 ， 当滤 水管 中 的水 柱 被示踪 剂标 记后 ，
被标记的地下水主要沿着地下水水流方 向， 以一定
的流散 角 被地 下 水带 至 孔 外含 水 层 中而 稀 释 ， 稀 其
释速 度 与地 下 水渗 透 流速 有 关 ， 漂 移到 含 水 层 中 而 的示踪剂 放射性 晕 反射 回来作 用于 孔 内 。其 方 向各 不 相 同 ， 强 的方 向相 对 应 于地 下 水 流 出滤 水 管 的 最
１ １ 人 工 放 射 性 同位 素 的 应 用 ．
同的 一 组 核 素 ， 括 放 射 性 同 位 素 （ ａ ｉａｔ ｅ 包 Ｒ ｄｏ ｃｉ ｖ ｉ ｔｐ ） ｓ ｏ ｅ 和稳 定 同位素 （ｔｂｅ ｓ ｔｐ ） 凡能 自发地 ｏ Ｓａ ｌ ｉｏｏ ｅ 。
人工 放射 性 同位素 法是 人为 地将 某些放 射性 同 位素添 加到某 体系 、 环境 中， 然后通 过 测定地 质体 中
所添加 的 同位 素 的丰度 在各 个方 向上 的变化 特 征来 研 究该体 系 的特征 ， 如常 用 的¨Ｉ。 ｒ 。常 用于 水 、 Ｂ 等 。 文 地 质参 数 （ 如地 下 水 的渗 流 速 度 ， 石 的渗 透 率 、 岩 裂 隙度等 ） 的测 定 、 下水 污染 示踪 和研 究坝 体渗 漏 地 等 方面 。
１ 近２ ０余年 同位 素在 水文 地质 研究 中的应 用 目前 ， 位 素水 文 地 质学 主要 从事 研 究地 下 水 同 及土壤污染问题、 地下水循环与演化、 水文地质勘察 技术 与方 法 、 水文地 质野 外 实验技 术 、 文地 球化 学 水 信息技术以及其它与水文地质环境相关研究领域。 以下 将从 人工放 射 性 同位素法 和 环境 同位素法 两个 方 面简 要 介 绍 同位 素在 水 文 地 质 研 究 中的 典 型 应
同位素示踪技术在水文地质学中的应用
同位素示踪技术在水文地质学中的应用一、引言水文地质学是研究地下水和地质构造之间相互作用的学科，同位素示踪技术是一种研究地下水流动和地下水污染传输的有效手段。
本文将详细介绍同位素示踪技术在水文地质学中的应用。
二、同位素示踪技术概述同位素示踪技术以自然界中存在的同位素为研究对象，通过对同位素进行监测、分析，来了解环境的物质与能量循环和转化过程。
其中比较常用的同位素有氢同位素（2H，称作氘）、氧同位素（18O、16O）、碳同位素（13C、12C）、氮同位素（15N、14N）等。
同位素示踪技术在水文地质学中的应用主要涉及氢氧同位素示踪、碳同位素示踪和氮同位素示踪等方面。
三、氢氧同位素示踪氢氧同位素示踪利用地下水中氢氧同位素比值的空间差异，研究地下水的来源、流动路径和补给特征。
其原理是：不同区域的地下水来源，其水分子中氢氧同位素比值是不同的。
通过测定地下水中氢氧同位素比值，可以判断地下水的补给源区和补给方式，进而对地下水补给机制、地下水与地表水的关系等进行研究。
氢氧同位素的测定主要采用同位素比值质谱仪（Isotope Ratio Mass Spectrometer，IRMS），通过测定样品中特定同位素的质量比，计算出其同位素比值。
同时，为了确定样品中同位素比值的精确度，通常采用同位素标准物质进行校正。
四、碳同位素示踪碳同位素示踪主要应用于研究地下水中有机和无机碳的来源及其转移特征。
碳同位素示踪的基本原理是：不同碳来源的同位素比值存在区别，通过测定地下水中有机和无机碳的碳同位素比值，可以推测其来源和服务的地质环境。
常用的碳同位素有自然含量的13C和12C。
在研究地下水中有机和无机碳来源的过程中，13C和12C的变化可以反映生物活动和化学反应的影响。
例如，如果地下水中有机碳主要来自植物残渣，其13C/12C比值应该相对较高；如果来自生物和人类排放物，则其13C/12C比值会比较低。
碳同位素的测定方法包括气相色谱-质谱联用技术（Gas Chromatography-Mass Spectrometry，GC-MS）和元素分析仪（Elemental Analyzers，EA）。
同位素水文地质学
同位素水文地质学同位素水文地质学是研究地下水的同位素特征和其在地质和水文过程中的应用的学科。
同位素水文地质学的研究对于理解地下水系统的起源、补给和流动方式以及水资源管理具有重要意义。
背景和定义同位素水文地质学是地理学、地球化学和水文学交叉的学科，利用同位素的比例和分布特征来研究地下水的起源、水文动态以及水文地质过程。
同位素可以是地球自然界中存在的稳定同位素（如氢同位素、氧同位素、碳同位素等）或放射性同位素（如放射性碳-14、放射性锶-90等）。
地质学和水文学的重要性同位素水文地质学在地质学和水文学领域中发挥着重要的作用。
在地质学中，通过分析同位素特征，可以推断地下水体的来源、年龄及其受到的影响。
同位素水文地质学也可以用于研究水文过程，如水循环、水体补给、地下水的流动路径以及地下水与地表水之间的相互作用。
总之，同位素水文地质学在地质学和水文学的研究中具有重要的地位，为我们深入理解地下水体的形成和运动提供了有力的工具和方法。
同位素示踪技术是一种常用于水文地质研究的方法，它能够通过测量水中不同同位素的比例来揭示水文地质过程和水体来源。
同位素示踪技术主要包括同位素稳定性示踪和同位素放射性示踪。
同位素稳定性示踪同位素稳定性示踪是通过测量水体中不同同位素的稳定性同位素比例变化来推断水文地质过程。
稳定性同位素是指在天然环境中相对稳定的同位素，如氢（D/H）、氧（18O/16O）和碳（13C/12C）等。
这些同位素在水文地质中的应用广泛，能够揭示水的源地、水体的混合和水体的循环过程。
例如，氢同位素（D/H）可以用于确定水体的来源和补给方式。
氧同位素（18O/16O）常用于研究地下水与地表水之间的相互作用和补给关系。
碳同位素（13C/12C）则可以用于探究有机污染物的来源和迁移途径。
同位素放射性示踪同位素放射性示踪是利用放射性同位素分析方法来研究水文地质问题。
放射性同位素主要包括碳-14和氚等。
放射性同位素的测量可以揭示水体的循环速率、补给方式以及水体演化的时间尺度。
环境同位素水文地质课程总结
环境同位素水文地质课程总结1、同位素水文地质学的定义及理论基础
2、同位素水文地质学的研究任务和内容
3、同位素的定义及分类
4、同位素丰度、同位素比值、千分之偏差
5、同位素分子，同位素效应
6、同位素分馏定义
7、热力学分馏和动力学分馏的定义及特点
8、同位素分馏系数、分馏值、富集系数的定义、计算及其相互关系。
9、放射性衰变定义、特点
10、衰变类型
11、放射性衰变规律及应用
12、衰变常数、半衰期的物理定义及关系
13、放射性同位素单位表示
14、蒸发过程、凝结过程、同位素交换反应过程中氢氧稳定同位素的分馏特点
15、海洋水、大气降水、地表水、地下水中氢氧稳定同位素的组成和时空分布特征
16、全球降水线、氘剩余
17、大气降水的同位素效应
18、流域研究中的过程分割
19、碳硫同位素动力学非平衡分馏以及热力学平衡分馏的类型及特点
20、地下水的δ13C DIC组成、演化
21、地下水的δ13C DIC影响因素
22、3H和14C的起源
23、大气降水、地表水、地下水中3H时空分布特征、影响因素。
23、放射同位素测年的基本原理
24、地下水年龄
25、氚同位素测年数学物理模型
26、地下水14C年龄。
刍议同位素在水文地质中的应用与研究
１１人 工放 射 性 同 位 素 的 应 用 ．
人 工放射性 同位素法 是人 为地将 某些放射性 同位素添加 到某体 系、 环境 中，然 后通过 测定 地质 体中所添 加 的同位 素 的丰度在 各个 方 向上
示 踪研 究 ， 以示踪 大 空间 范 围、 长时 问跨度 的 物质 的运 动 ，反 演或 预测元 素演 化 过程 的 环境 。
国同位 素技水 文地 质上 的应用起 步相对 较 晚。 目前普遍 认 为， 同位 素
水文地质学是介于水 文地 质学和 同位素地球化 学之 间的一 门新兴交叉学 科 ，主要 研 究地 下水 和 地 表水 的环境 同位 素 组成 ，探 讨 其 补给 、径 流 、排泄 、水 体 之 间 的混合 、水体 年龄 等 有实 际 应用 意 义 的水 文地 质 问题 。
１２环 境 同位 素 的 应 用 ．
环境 同位素存 在于 环境 ，该方 法是利用 自然体 系 中本 来就 有 的同 位素 做示踪 剂来研 究水 文地 质学上 的 问题 。分为放 射性 同位素 （ Ｔ、 如
“Ｃ、” Ｔ Ｕ、。 ｈ、”Ｓｒ等 ） 和稳 定 同位素 （ Ｄ、１０、１Ｃ、。Ｓ等）。常 。
在该次 学术研 讨会 中我 国专家 学者 总结了取 得的丰 硕成 果 ： 在雨 水 ①
线、方法 和数学模型 的研 究上 ： 在利用环境 同位素研 究地下水成 因和 ②
补给来源方面 ： ③环境同位素方法在水文地质勘察和环境评价上 ： ④利用 地下水成矿作用 和水 同位素特 征找矿上 ： ⑤在环境 同位素测试技 术装备
踪 剂标记 后 ，被标 记 的地下 水主要 沿着地 下水水流 方 向 ，以一 定 的流
散角被地 下水 带至孑 外含 水层 中而稀释 ，其稀释速 度 与地下 水渗 透流 Ｌ 速有 关 ，而漂移 到含 水层 中的示 踪剂 放射 性晕 反射 回来 作用 于孔 内。 其方 向各不 相同 ，最 强 的方 向相 对应 于地下水 流 出滤 水管 的方 向，而 最弱 的方 向与流入 滤水 管的 方向相对 应 。故根 据对 孔周侧 得 的计 数率 便可 确 定地 下 水流 向。
论同位素在水文地质中应用及发展情况论文
论同位素在水文地质中的应用及发展情况摘要：80年代以来，同位素法在水文地质中的应用越来越广泛，本文分别探讨了环境同位素、人工同位素法在水文地质中的应用及发展情况。
关键词：同位素；水文地质；应用中图分类号：f407.1 文献标识码：a 文章编号：引言同位素在环境领域的应用主要是以环境同位素（环境中自然存在而不是人工加入的核素）作为示踪剂，对水体、大气及土壤中特定对象的来源及迁移过程等进行判断和研究。
作为示踪剂的同位素可以是稳定同位素或者放射性同位素，而以稳定同位素的应用最为广泛。
特定来源的物质有特定的同位素组成，因此某种元素的不同同位素在物质中的丰度比可以作为该种物质的标识，通过测定同位素丰度比，可以对环境中某种物质的来源及迁移过程等进行判定或研究，这就是稳定同位素作为示踪剂的原理。
同位素技术在环境污染、水文与水资源、海洋及湖泊生态系统等领域应用十分广泛。
由于稳定同位素在特定污染源中具有特定的组成，且具有分析结果精确稳定、在迁移与反应过程中组成稳定的特点，已被广泛应用于环境污染事件的仲裁、环境污染物溯源和示踪中。
例如：通过测量稳定碳同位素13c和12c的组成解析大气中多环芳烃的来源、考察含氯有机污染物的原位修复与生物降解过程；通过观测稳定氮同位素组成解析湖泊沉积物中有机物来源；通过测量硫的稳定同位素组成研究从水体中硫酸盐污染到大气中硫来源等众多环境问题；利用稳定铅同位素指标206pb／207pb进行铅来源解析与示踪已被广泛运用到土壤、地下水、降水、大气、湖泊沉积物等介质中铅来源的研究］。
环境同位素方法在解决许多水文地质问题方面，如确定地下水水龄、研究地下水的形成机制、运动及补给、地下水中的污染源、地表水与地下水的相互关系、监视和跟踪海水入侵的变化趋势等，已经成为国内外广泛认可和使用的方法。
例如：澳大利亚利用同位素技术分析了解了中部地区大自流盆地的地下水系统，包括地下水运动规律和地下水年龄，为合理开发利用地下水提供了基础信息；美国利用同位素技术分析洪水的过程、洪水中地表水和地下水所占的比例，为洪水控制及水文学研究提供了依据；我国也应用同位素技术对渭河两岸和黑河流域地表水和地下水转换规律进行了研究，对于科学评价流域水资源状况，合理规划水利工程、进行地下水和地表水联合调度具有重要意义。
同位素技术在水文学中的应用
同位素技术在水文学中的应用同位素技术在水文学中的应用一. 基本概念1 .同位素同位素：具有相同原子序数(即质子数相同，因而在元素周期表中的位置相同)，但质量数不同，亦即中子数不同的一组核素。
特点：相同元素同位素的化学性质相同。
同位素的分类：按照同位素是否衰变，可将同位素分为：放射性同位素和稳定同位素。
按照同位素是否是由人工产生的，可将同位素分为：天然同位素和人工同位素。
2.同位素技术同位素技术就是利用水中天然存在的环境同位素（如2H、3H、18O、14C 等）来标记和确定水的年龄、特征、来源及其组成，或者在水中加入放射性含量极低的人工同位素作为示踪剂来确定水的运移和变化过程。
前者称为环境同位素技术，后者称为人工同位素示踪技术。
2.1同位素技术方法的一般程序：第一，要按照一定要求，采集待测试的样品，并按规定进行包装；第二，把样品送到实验室进行测试；第三，根据测试结果进行仔细分析。
2.2同位素技术方法：第一，同位素丰度：反映同位素成分组成的指标是同位素绝对丰度和相对丰度。
第二，同位素分馏：由于同位素质量不同，因此在物理、化学及生物化学作用过程中，一种元素的不同同位素在两种或两种以上物质(物相)之间的分配具有不同的同位素比值的现象。
自然界中的化学反应、不可逆反应、蒸发作用、扩散作用、吸附作用、生物化学反应等过程都能引起同位素分馏。
同位素分馏系数（α）表示两种物质之间的同位素分馏程度，等于两种物质的同位素比值（R）之商，即а=R A/R B（式中：R A为分子在A或是A相态中重同位素与轻同位素的比值，R B为分子在B或是B相态中的重同位素与轻同位素的比值）二.同位素在水文学中的应用20 世纪50 年代开始，同位素技术应用于解决各种水文学和水文地质学问题，随着同位素分析技术的发展，通过研究水体及某些溶解盐类的同位素组成，同位素技术和方法已经成为水科学研究的现代手段之一，同位素技术和方法可以有效地示踪水循环，如指示水的来源，水体的运移途径和数量，确定水的年龄，记录水岩相互作用的地球化学过程，环境同位素和人工同位素在水汽来源、地表水与地下水的相互作用、地下水起源及测年、水体污染物的来源以及气候变化和人类活动对水循环的影响等研究领域的应用十分广泛.为确定各类水体的成因和演化机制提供重要的依据，也为合理利用水资源奠定了基础。
水文地球化学讲解
天然同位素：在自然界中天然 存在的
人工同位素：人工合成的
按结构 稳定性
稳定同位素：原子核稳定，其本身 不会自发进行放射性衰变或核裂变 的同位素
放射性同位素：原子核不稳定，能自 发进行放射性衰变或核裂变，而转 变为其它一类核素的同位素
• 核素的稳定性是相对的，它取决于现阶段的实验 技术对放射性元素半衰期的检出范围，目前一般 认为，凡是原子存在的时间大于1017年的就称稳 定同位素，反之则称为放射性同位素 。
元素---原子核中质子数相同的一类原子的总称。
核素----同一种元素由于其原子核中中子数不同可 存在几种质量不同的原子，其中每一种原子称为 一种核素。
同位素---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，即 具有相同的质子数，但具有不同的质量数的原子。
2、同位素分类
• 一般来说质量数A＜209的同位素大部分是稳定的， 只有少数是放射性的,如3H，14C，40K，87Rb等； 而质量数大于209的同位素绝大部分属于放射性 同位素。
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
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
δD（V-SMOW）‰
-64.0 -66.1 -63.6 -61.1 -61.7 -52.6 -56.5 -60.5 -62.2 -62.4
δ18O(V-SMOW)‰
-8.82 -9.05 -8.99 -8.67 -8.30 -6.53 -7.52 -8.30 -8.40 -8.86
样品的δ值可通过质谱仪直接测得，但δ值的大小与选 用的标准样品直接相关。
同位素水文地质1解读
N n / 1 N 1 n
• 式中，N/(1-N)为一种化合物或相态中富化分 馏时稀有（重）同位素原子所占的份额（同 位素比值）；n/(1-n)为另一种化合物或相态 中富化分馏时稀有（重）同位素原子所占的 份额（同位素比值）；
氢、氧同位素在水中的丰度
同位素
１Ｈ（氕） 2Ｈ（氘） 3Ｈ（氚） 16O 17O 18O
• 有人应用同位素法同水化学法相互配合，进行了大 匈牙利平原地下水储量补给条件的研究。以此具体 研究了上更新统碳酸盐岩层承压水通过黄土状粘土 隔水层补给笫四系砂层含水层潜水的可能性。为此 曾利用了两个含水层中氘的含量资料，承压水δD 平均＝－86‰；潜水δD平均＝－63‰。根据两个 含水层中氘合量的差异，最后判明承压水补给潜水 是极不明显的。 • 应用同位素法对合水层之间相互水力联系的研究， 也曾在阿尔及利亚、突尼斯、苏丹阿垃伯等国进行 过。
H
S P
K
பைடு நூலகம்
水点高程
• 式中：δS 为水点露头（泉）的δＯ１８值； δＰ为大气降水中的δＯ１８值；Ｋ为同位素高度梯度， 相应于海拨高度每变化100m时的δＯ１８的变化量。 • 欧州大部地区同位素高度梯度为0.2～０.3‰／ 100m。 • 我国西藏东部和四川、贵州一些地区的同位素高 度梯度约为0.26‰／100m。
克雷格降水直线
• H.Craigh等人对全球各个不同温度区间大气 降水中D，O18含量的资料进行分析研究， 终于发现一个重要的相关关系： • δ O18=0.695 t—13.6‰ • δ D= 5.6 t—100 ‰ 式中，t为一个地区上空的空气中年平均温 度。
克雷格降水直线
• 在此基础上，可将大气降水中的D，O18含 量之间的关系归纳为如下形式： • δ D=a + b δ O18 • 根据资料，求得参数a,b。最终降水的关系 直线为： • δ D= 8δ O18 + 10
同位素水文地球化学
（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 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；
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； 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：
③
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) ① 经验法估算: P.27
(6)
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： 14 N+1 n→14C+1 H(P) (质子) 7 0 1 生成的14C很快氧化成14CO2分子，并与 不活泼的12CO2混合，遍布于整个大气圈。 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。
1．
水体的氚和14C定年
氚法：
（1） 氚的起源：大气层上部—宇宙射线的 快中子（超过400万电子伏特）与稳定的14N 的核反应： 14N+n→3H(T)+12C 3H(T)与大气中的氧原子化合成HTO,以大气 降水或水汽的形式参与水循环。
同位素水文地质1
(5)确定不同含水层间的水力联系
• 由于不同含水层中地下水的同位素组成可能不同，故依据 各个含水层的氘和O18含量就可判定出它们之间的相互联 系程度。此种方法有时可能是解决这类向题的唯一可行手 段，例如在解决难以通过地区的大比例尺水文地质测绘时 就是一种可行的手段。 • 还有学者曾利用同位素对莱州湾海水入侵的成因和变化发 展作了研究。结果表明，在莱州湾西部的广饶地区属于卤 水（古海水）入侵区，该区地下水变咸是由于地下水超量 开采导致地下水位降低，使地下卤水入侵所致；在莱州湾 东部的龙口地区属于现代海水入侵区；在莱州地区则既存 在海水入侵又存在着卤水入侵。
• 粘土矿物中与水相比，富含O18而贫氘 （H2）； • 石膏结晶水中，也富含O18而贫氘（H2）， 达到α O18 ＝1.004；α D＝0.98；
3.2 克雷格降水直线
• 构成地球上水圈总储量９７％以上的大洋 水在稳定同位素D，O18含量上是最稳定的 水，因此H.Craigh建议以大洋水作为衡量天 然水中氘和O18含量的标准。 • 由于温度和压力的不同，地球上最贫氘和 O18的天然水中出现在２极地区的降水之中； 而富氘和O18的天然水中则出现在干旱地区 的封闭盆地之中。
1 N0
t
t 0
tdN
1
常见放射性元素的半衰期
• 平均寿命是半衰期的1/0.6931倍，因此放射 性元素的衰变也可用半衰期表示。 • 氚的半衰期：12.26年； • Ｃ14的半衰期：5568±30年；
氢.氧同位素在水文地质学中的应用
• • • • • • • (1)探索地下水的起源; (2)判断地下水的补给来源; (3)判定地下水与地表水的关联系; (4)确定地下水补给区的海拔高度; (5)确定不同含水层间的水力联系; (6)确定各种来源水的混合比例; (7)其它研究: 热水/卤水/油田水等
第9章 同位素水文地球化学方法
第九章同位素水文地球化学方法同位素是指核内质子数相同（即核电荷相同、原子序数相同），而中子数不同（即原子量不同）的同一种元素。
它们在元素周期表中居于同一位置。
同位素水文地球化学可以用来解决水文学、水文地质学、资源和环境学中的许多问题。
在水文学中可用同位素来研究冰川的形成和年龄、河水流量、地表水的弥散作用、湖泊动力学、湖泊和水库的渗漏、悬浮泥沙、底砂搬运和沉积物；在土壤学中解决土壤含水量、土壤密度、非饱和带水的运移；水文地质学中的含水层特征、地下水起源、地下水年龄（滞留时间）、地表水与地下水的联系、含水层间越流、地下水的盐化、地热水的成因、地温；在资源开发中可用同位素来研究矿产的成因；在环境学中用同位素来研究污染源和污染途径；在工程中常用同位素来示踪等。
在同位素水文地球化学中区分有稳定同位素和放射性同位素；环境（天然）同位素和人工示踪同位素等。
以下将对放射性同位素、环境稳定同位素和人工示踪同位素分别进行介绍。
第一节同位素测定地下水年龄法一、测定地下水年龄的同位素数学物理模型1.基本概念根据放射性衰变定律，同位素测定年龄的基本方程为：t = (T1/2/ln2) ln(A0/A t) (9.1.1)式中，半衰期为T1/2 的放射性原子的衰变使它的放射性活度在时间段t内从A0减少为A t。
如果已知t=0时刻的初始放射性活度A0 和t时刻样品的放射性活度A t ，则我们就可以测定年龄。
但事情并非如此简单，一是五十年代热核试验以来，大气降水中的放射性同位素浓度（A0）已不是常量；二是地下水在渗流过程中会发生不同程度的弥散混合。
因此，计算地下水年龄时，首先要建立水混合的物理模型，然后根据同位素物质平衡原理建立数学计算模型。
用这种方法建立的地下水测年模型称之为测定地下水年龄的同位素数学物理模型。
为了建立数学模型，人们引入了地下水年龄分配函数g(t)的概念（Zuber, 1986, 1994）。
g(t)又称系统的反应函数或权重函数，其表达式为：g(t) = C I（t）Q / M （9.1.2）式中，C I（t）为因系统入口处t=0时刻的瞬时注入所导致的在实测点所观测到的示踪剂的浓度；Q为系统的流量；M为注入示踪剂的活度或质量。
同位素水文地质概论
５×１０５
适用古老地下水
待研究手段
４Ｈｅ 聚积速度 稳定的
≈１０５
补充手段，存有问题 非持恒的
８５Ｋｒ １０．８
核反应堆与 １９６０ 年以来 无互相作用
分离过程复杂计数时
核电站
间长
１２９Ｉ １５．７Ｍａ
宇宙射线
３－８０Ｍａ 运用于古老地下水 地下产生和岩石同位
地下水环境同位素研究进展
孙继朝① 贾秀梅
（中国地质科学院水文地质环境地质研究所，石家庄 ０５００６１）
摘要： 在回顾国内外地下水环境同位素研究的基础上，对影响我国环境同位素技术发展的主要问题进行了 初步分析。针对地下水勘查、监测任务和全国地下水资源及其环境问题调查评价项目需要，强调环境同位 素技术研究应从国情出发，注重与世界先进技术和全球性水循环研究计划的接轨；重点放在地表水、地下 水之间及含水系统不同含水层之间的相互作用及其变化过程分析的技术开发上。在实施地下水勘查与监测 项目的过程中，逐步实现环境同位素技术应用的规范化、标准化和系统化。
关键词： 地下水 勘查与监测技术 环境同位素 规范化 标准化
１．引言
近 ５０ 年发展起来的环境同位素技术为地下水的深入研究提供了新的手段。尤其在地下 水形成及其变化的分析上提供了新的信息。环境同位素水文地球化学就是通过研究地下水中 天然同位素的组成、分布和变化规律，并运用这些规律解决各种水文地质问题。
3．最常用的环境同位素测年方法
3.1 氚法测年
氚是氢的放射性同位素，半衰期为 12.31a，在大气中受宇宙射线作用导致核裂变而产生， 在高纬度地区降雨的天然背景值为 25TU，在赤道带小于 4TU（1TU 相当于 1018 个氢原子中 有一个氚），氚氧化成水进而参与水循环。氚法测年由 Libby(1953)提出，可测定 100a 内的 水年龄，测年精度往往好于±5-10%。地表核试验使降水氚含量高出近 3 个数量级，为地下 水补给研究提供了可能。随着分析技术发展，氚测年技术被广泛应用，且取得若干好成果。 正如上述，该方法属对人工核试验污染氚的示踪调查，在方法应用中常遇到的问题就是自 1953 年以来大气降水氚背景系列资料问题，尽管国际原子能机构（IAEA）和世界气象组织 (WMO)自 20 世纪 60 年代初就在世界范围内建立了较完善的观测网，取得较系统的观测数 据，但我国直到 80 年代中期才建立起自已的观测网，为我国应用研究提供基本条件，但仍 缺少历史资料。关丙钧等曾提出利用相关外推方法恢复历史降水氚系列，我国若干学者都先 后对特殊地区进行恢复。70 年代以来全球性核试验减少，大气降水氚含量呈指数递减，近 几年渐渐趋于自然背景值，对应用来说增加了困难，在国外逐渐发展起来的 3H－3 He 法等 在我国基本还没有开展工作。虽然氚测年存在问题很多，但是，归纳起来主要有两条，一是 系列背景资料缺乏，二是实验分析质量还有问题。如果分析质量可靠，在对水文地质结构认 识清晰的基础上,氚法仍是年轻水年龄界定的较好手段，且对认识新老水补排关系至关重要。
第六章同位素技术在水文学中的应用
6.2.6 利用同位素技术研究提防渗漏问题
利用同位素的“标记”功能，对地下水、河水、降水进行同 位素分析，确定水体之间的水力联系，从而能判别地下水的补给 源、渗漏区的位置与范围。这一技术可以应用于堤坝的渗漏研究 中，有助于堤坝渗漏原因调查和堤坝防渗治理（陈建生等，2004
）。
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6.2同位素技术在水文学中的应用
6.2.1 利用放射性同位素技术测定地下水的年龄
放射性元素的半衰期是一个确定的常数。根据这一特性， 可以测定地下水在含水层中储存的时间，即常说的地下水年龄 。根据测定的地下水年龄可以帮助分析地下水的起源、成因和 再生能力等。
目前，地下水年龄测定较成熟的是14C测定技术。14C具有5730 年的半衰期，可以由自然和人工两种作用产生。在自然作用下 ，由宇宙射线产生的次中子和氮相互作用，可形成14C。在大气 中，14C被氧化，以14CO2的形式存在。当14CO2溶解于水表面时，衰变 记时开始。因此，水体与大气隔绝的时间越久（即年龄越老），14C含 量越低，即14C含量与正常的稳定同位素12C含量的比值就越低。
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由式（6.1.2）转换得到如下式子：
No Image
（6.2.1）
其中 ImNaoge， 为Im1Nao4geC的半衰期，代入上式，可 以得到计算14C的年龄公式：
No Image
（6.2.2）
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6.2.2 利用放射性同位素示踪技术研究地下水的运动规律 ，确定水文地质参数
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6.2.4 利用稳定同位素技术研究水中化学组分的来源
假如不同水源的稳定同位素（δD和δ18O）存在明显差 异，且同位素含量基本稳定，就可以根据水体稳定同位素 含量与不同水源稳定同位素含量之间的关系，来大致估算 不同水源对水体的补给比例。这一技术方法可以用于确定 地下水特别是深层地下水的补给来源，可以用于确定矿坑 充水主要来源。这些研究可以为水文地质分析、矿坑防治 水工作提供重要的参考依据。
同位素与水文
12CO 2 13CO 2
植物体内的δ13C相比空气CO2是大还是小？
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光合作用中13C同位素分馏原理
• 植物体内的δ13C的影响因素
o 降水
• 降水少，植物体内水分少，气孔变小，植物体内 CO2分压减小，δ13C分馏减小，δ13C值变大
o 温度
• 温度高，植物蒸腾作用强，气孔变大，δ13C值变小
o 从以上资料可看出，大气降水的同位素组成与 当地气温的关系密切，且呈正相关变化，但不 同地区变化差异很大。
13
大气降水的同位素效应
• 纬度效应
o 从低纬度到高纬度，随着温度的降低，降水的 重同位素逐渐贫化
14
大气降水的同位素效应
• 季节效应
o 不同地区由于温度、湿度和气团运移等因素存 在季节性的变化，因此降水的同位素组成也会 有季节性的变化。
(a)
深度 (cm)
0.0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 -12 0.0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 -12 0.0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 -12 -10
0.1
0.2
玉米不同生长期的主 要根系吸水深度
拔节期
-8 0.1
-6 0.2
-4 0.3
-2
深度 (cm)
0 0.4
-80 0.1
-70 0.2
-60
-50 0.3
-40 0.4
(b)
深度 (cm)
深度 (cm)
开花期
-80 0.1 -70 0.2 -60 -50 0.3 -40 0.4
-10 0.1
-8
-6 0.2
水文地质勘查技术手段-同位素技术与勘查技术手段选择课件
物探
都适应
遥感
都适应
应用条件 掩盖程度
暴露、半暴露 暴露、半暴露
都适应
都适应 都适应
施工条件
优缺点
都适应
简单易行
都适应
成本低、见效快
水源好、交通 方便
效果好，投资大
交通方便、地 效率高、成本低，效
形平缓
果差、难掌握
都适应
效率高、成本高
• 总结： • 同位素技术 • 勘查技术手段的选择（重点）
掩盖程度 暴露区 半暴露区 半掩盖区 掩盖区
4.施工条件
勘查技术手段的选择 地质填图（为主）+坑探工程（少量）+钻探工程（少量）
地质填图+坑探工程（较多）+钻探工程（少量） 重型坑探工程+地质填图（少量）+物探+钻探工程
物探+钻探工程
施工条件主要是指勘查区的交通、水源、电力等条件会影响勘查技术手段的 选择，如交通、电力、水源不便，则不太适宜选择钻探手段。
1.水文地质勘查阶段
勘查阶段
勘查技术手段的选择
普查 水文地质测绘为主，配合少量的物探、坑探、钻探和试验工作
详查
大中比例尺的水文地质测绘为主，配合少量的钻探、试验和一 定时期的地下水长期观测工作
勘探
钻探及试验为主，并要求进行全面的室内实验及一年以上的地 下水动态观测
开采 水源地开采动态的研究，必要时辅以补充勘探、专门试验等
自然界中某些元素常见多种同位素，如氧有16O、17O、18O三种同位素 ；氢1H、2H、3H三种同位素等。
同位素可以分为放射性同位素如14C、3H等和稳定同位素，如13C、12C、 1H、2H、16O、17O、18O等。地下水中稳定同位素成分及其含量变化，主 要是由于地下水在埋藏和循环过程中因地球物理、地球化学和生物化学作 用发生的同位素分馏作用引起；放射性同位素的成分及含量变化主要是由 于核物理作用引起的放射性衰变作用形成。
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同位素水文地质学是一门研究地下水动态变化的科学。
它利用同位素技术来研究地下水的成因、流动规律和演变过程。
同位素是指具有相同数量的质子和中子，但不同原子量的同一种元素的不同种类。
例如，氧气中的氧-16和氧-18就是两
种同位素。
地下水中常常含有许多同位素，如氧-16和氧-18。
这些同位素在地下水中的相对含量可以用来研究地下水的成因和演化过程。
例如，氧-18在地下水中的相对含量可以用来研究地下水的年龄和来源。
如果地下水中氧-18的含量较高，则可能来自古老的地下水；如果氧-18的含量较低，则可能来自新近形成的地下水。
同位素水文地质学还可以用来研究地下水的流动规律。
例如，如果地下水中同位素的比例发生变化，则可能表明地下水正在流动。
这对于研究地下水的运动路径和速度非常有帮助。
同位素水文地质学还可以用来研究地下水的质量变化。
例如，如果地下水中同位素的比例发生变化，则可能表明地下水的质量正在发生变化。
这对于研究地下水的质量变化趋势和预测未来变化趋势非常有帮助。
同位素水文地质学的研究方法包括对地下水中的同位素进行测量和分析，并利用计算机模拟和数学模型来研究地下水的动态变化。
这需要使用专门的仪器和技术，如质谱仪和氧同位素分析仪。
同位素水文地质学在水资源管理、水环境保护和水资源开发等领域有着广泛的应用。
它可以帮助我们了解地下水的流动情况，从而有效地管理和保护地下水资源。
总的来说，同位素水文地质学是一门重要的科学，它利用同位素技术研究地下水的成因、流动规律和演变过程，为我们管理和保护地下水资源提供了重要的理论和技术支持。