同位素水文地质概论
同位素水文地质1
• 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。
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
衰变方程式
• 根据卢瑟福和索迪的理论，设定衰变常数λ .则 有： dN N dt dN 整理后得： dt N 得： ln N t C 当t 0时，N N 0，代入上式得： C ln N 0
则：N N 0 e t
• 式中：N0为放射性母核数（即t＝0时刻的放射性 母核数）； • Ｎ为t时刻剩余的放射性母核数； • t为衰变时间； • Λ 为放射性衰变常数； 放射性元素的平均寿命ζ :
（３）判定地下水与地表水及其他水体间的 水力联系
• 地表水流及水体由干其水面暴露在大气之下，因 而存在着明显的蒸发作用，因此地表水中的氘和 O18含量总是高于大气降水和地下水。这样就可根 据水中δD及δO18以及δD——δO18图上的斜率来 判断它们之间是否存在有水力联系。因为在通常 情况下的降水直线为δD=8δO18＋10，如果降水转 为地表水并经过蒸发后，其直线斜率就会发生变 化。
同位素水文地质概论
同位素水文地质概论
同位素水文地质的研究方法主要包括同位素地球化学技术、同位素示踪技术和同位素计算模型等。
同位素地球化学技术主要用于测量地下水中同位素的含量和比例，常用的仪器有质谱仪、核反应仪和同位素示踪技术主要用于测量地下水中同位素的分布和变化规律，常用的方法有同位素示踪、核素示踪和同位素追踪等。
同位素计算模型主要用于模拟和预测地下水中同位素的分布和变化趋势，常用的模型有流动模型、输运模型和混合模型等。
同位素水文地球化学
第四章同位素水文地球化学环境同位素水文地球化学是一门具有良好的前景、发展迅速的新兴学科，也是水文地球化学的一个重要分支。
目前，地下水资源可持续利用中的重要问题是地下水补给的更新能力及地下水污染程度的评价。
用环境同位素技术研究地下水补给和可更新性，追踪地下水的污染是当前国内外较为新颖的方法之一。
目前世界上许多国家已将同位素方法列为地下水资源调查中的常规方法。
近年来，国内外环境同位素的研究从理论到实践都有较快的发展。
除了应用氢氧稳定同位素确定地下水的起源与形成条件，应用氚、14C测定地下水年龄，追踪地下水运动，确定含水层参数等常规方法外；在应用3H-3He、CFCs示踪干旱、半干旱地区浅层地下水的补给，应用14C、36Cl确定深层地下水的年龄，追溯地下水的入渗史，应用34S研究地下水中硫酸盐的来源，分析地下水的迁移过程，应用11B/10B研究卤水成因等方面都有重要进展。
4.1 同位素基本理论4.1.1 地下水中的同位素及分类我们知道，原子是由原子核与其周围的电子组成的，通常用A Z X N来表示某一原子。
这里，X为原子符号，Z为原子核中的质子数目，N为原子核中的中子数目，A为原子核的质量数，它等于原子核中的质子数与中子数之和，即：A=Z+N( 4-1-1 )为简便起见，也常用A X表示某一原子。
元素是原子核中质子数相同的一类原子的总称。
同一元素由于其原子核中中子数不同可存在几种原子质量不同的原子，其中每一种原子称为一种核素，如C原子有12C、13C、14C等核素，氧原子有16O、17O、18O等核素。
某元素的不同几种核素称为该元素的同位素(蔡炳新等，2002)，或者说同位素指的是在门捷列耶夫周期表中占有同一位置，其原子核中的质子数相同而中子数不同的某一元素的不同原子。
同位素可分为稳定同位素和放射性同位素两类，稳定同位素是指迄今为止尚未发现有放射性衰变（即自发地放出粒子或射线）的同位素；反之，则称为放射性同位素。
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。
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。
第四章 水及水中同位素成分
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, 放射性同位素, 如：3H,
12C
14C, 238U
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4.1同位素基础知识
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
元素 标准 代 号 同位素的组成
18O/16O=(1993.4 ±2.5)×
O
标准平均海水
SMO W SMO W
CDT
H
标准平均海水
10-6 δ 18O=0‰ D/H=(157.6±0.3)×10-6 δ D=0‰
若δ(‰)>0，表示样品比标准富含重同位素 δ(‰)<0 ，表示样品比标准富含轻同位素
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4.1同位素基础知识
二、同位素组成及其表示方法和标准
3、国际标准
为了准确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 1 8 O/16O = 1973.4×10-6 ， 水 样 δ18O=-10‰，说明该样品比标准富16O 10‰
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
蒸发相中富含16 O H2 O 蒸发 18 液相中富含 O 18
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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。
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。
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）。
水文地球化学同位素温泉地球化学特征
水文地球化学同位素温泉地球化学特征同位素是指原子核中质子数相同，但中子数不同的同一元素。
同位素
的存在可以通过质量数来表示，例如氢同位素有氢-1、氢-2、氢-3等。
同位素在地球化学过程中表现出特定的地球化学特征，可以用来追溯水体
形成和演化的历史，从而研究地质、气候、环境等的变化。
地球化学特征是指水体中溶解物质的组成和含量，以及其在地质过程
中的地球化学行为。
不同地区的水体地球化学特征具有一定的差异，反映
了地质环境的差异。
例如，海水中钠、氯等离子的含量很高，而淡水中钙、镁、硅酸盐等的含量较高。
地下水中的硝酸盐、硫酸盐等含量过高则可能
表明有人为污染的存在。
地球化学特征的研究可以帮助我们了解水体的形
成和演化过程，以及其对环境的响应和调控。
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？
35
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
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。
[doc] 格尔木地区同位素水文地质
![[doc] 格尔木地区同位素水文地质](https://img.taocdn.com/s3/m/330d2a7628ea81c759f57828.png)
格尔木地区同位素水文地质26青海地质】991年格尔木地区同位素水文地质孙存.煜(青海省柴达木综合地质大队)内容提要本文首次计算格尔木地区降水6D一6-so关系线(雨水线),阐明了本地区氢,氧稳定同位素高程效应,对地下水6D,6DaO偏离雨水线原因进行初步分析.探讨各种水体年龄.初步划分了地下水流系统,指明了地下水开发方向.一,研究区一般概况研究区地处青海省柴达木盆地南缘,南部为东昆仑山系之布尔汉布达山,山脉走向呈东西,一般海拔3000--4000m.构成柴达木盆地南缘屏障.盆地南缘的山前平原由南向北缓倾,坡降10‰左右.至青新公路附近,海拔降为2800m.向北细土带地形较为平缓,海拔降至2750m,地形坡降3～5-.河谷宽浅而曲折,切割深度一般4—6m.再往北地表为次生盐壳,沼泽.本区为典型的干旱气候,降水量甚微.据格尔木气象站资料.多年平均气温4.2(,多年平均降水量38.8mm/a,且集中在6--9月份,而蒸发度高达3066mm/a,湿润系数0.013.所以盆地内降水对地下水补给实际意义不大.但昆仑山海拔4000米以上.地区年降水量大于300mm/a(昆仑山垭口年降水量329.4ram).因此,山区降水是河流一地下水系统的主要补给来源.主要河流格尔木河发源于昆仑山区,纵贯南北,河长352km.流域面积22007km.,汇聚于察尔汗盐湖.属地下水降水,冰雪融水补给型河流,年迳流量 5.5亿～l0亿m.,1960一l988年多年平均流量25.86m./s.其中1977—1983年平均流量为28.07m./s,枯水期最小流量10.7m./s.从水文站至恪尔木市50kin内下渗量约占河流总流量一半左右,大量补给7申洪积扇地下水.格尔木以南第四系辱度600余米,往北至达布逊湖南(达参l井)第四系厚度2779m,成因类型主要有冰碛,冰水沉积,冲洪积,冲湖积,湖积等.地下水最有开发前景的是中,上更新统冲洪积砂砾石含水组.在戈壁带为大厚度潜水含水层,厚度约20021Om,富水性较强.平均渗透系数320_--350m/d.大口径单井涌水量5000一l500m./d,水质良好:,往北由于隔水夹层的出现.构成四个含水层纽.第一层组一般为潜水,底板埋深40m左右,含水层为砂砾石或含泥砂砾石.钻孔(滤水管口径lll6…200mm)单位涌水量400-一800米./日?米,水化学类型为HCO3?cl—Na?Mg或cl?HCO-Na?Mg?Ca型.矿化度0.4—0.91g/L.第二含水层为承压水,顶板埋深40--50m,含水层厚50OOm.岩性为上更新统砂卵砾石或含泥砂砾石层,承压水头埋深卜--3m.钻孔(滤水管口径146168m,m)单位涌水量400—900米./日?米.为HCO3?cl—Na?Mg型水.矿化度0.4g/L.第三含水层组为承压自流水.顶板埋深120m.含水层厚50m左右,含水层为中更新统冰水一洪积砂砾石,泥砾夹砂层.钻孑L(滤水管口径127—146ram),单位涌水量约249米./日?米,矿化度0.4g/L,目前较少圩果.第四含水层组亦为承压自流水.顶扳埋深170m,含水层厚约60m,岩性为中更新统第一期孙停煜:格尔本地同位素水文地质27冰水含卵砂砾石,泥砾夹砂屠.咏}_刚埋深2m或自流.钻TL<i~水管[_l径I27’rim)滞水世69米./日?米.水化学类型为H(‘o?CI…Na?Mg?Ca型,矿化度0.38g/L.230m 以】水层绀缺乏抽水资料目前很少研究..格尔木冲洪积扇地下水资源量历次计算有较大出入.主要原因是对大厚度潜水含水层下部.1垒流条件认识不清,对过水断面厚度,参数选取差异较大.格尔木幅1:20万区域水文地质普查搬~Jl-”认为该扇地下迳流量为l47万m./d.开采资源量I25万m./d.前大体相当河,渠,水库的参补给量,后者接近泄出总量.二,环境同位素数据环境同位素采样和调查工作主要于J987年6月至9月进行,1988年又补充少部分工作.这是格尔木地区首次采集的同位素水样.部分水样采自受蒸发影响较大的格尔木长观孔,部分采自流动水体(河水),抽水井,雨水,新雪等,少部分采自咸,卤水.采样和调查范围为,格尔木河谷(包括西大滩),格尔木冲洪积扇.采集氘,氧一l8及氚样各51个,碳一l4样6个.水化学利用同期长观及环境地质调查采集的样品.同位素样品由地矿部矿床地质研究所,岩溶地质研究所,北京水文地质公司等单位分析,少部分碳一¨由北京大学考古专业碳一l4实验室测定.6D,6伸.均采用对SMOW值的偏差表示.部分分析结果列于表1.格尔木地区各类型水同位素成分表1bDO取样地区.取样时间氚(Tu)水类(‰)(‰)l两大滩冰川Il987.6.30—77ll,918.48±0.36冰III融水4纳赤台泉l987.6.307ll0.9124.48±0,84岩溶夫泉格尔木河(电厂)l987.6.30—7210.084.92±0.75河水ll观23(水文队)1987.7.37{l0.53.43±0.25深承压水19格雨一ll987.6.20O.5O.5雨水21观l5l987,6,27—82—10.70.61±0l8承i水22观l5—1l987.6.27—7O一10.50.99±0.I6潜水29两大滩冰川l987.9.15—58.39.6456±2新雪3O西大滩6泵站1987.9.15～61.0—9.91l10±8冻结层r水3l西天滩5泵站l987,9.15—71.1—11.072l1士20潜水32昆仑河(纳赤台)1987.9,22—61.5—9.99l31±8河水36格尔术人工河l987.9—68.2—9.68l22士8潜水溢fiJ 37格雨一2l987.9,l1—65.7一?10.0942.63±0.45阿水38格雨一3l988.7,7—15.13.8267士1雨水39野牛沟l987.9.15—61.1—9.37l23±8l二游河水41观l8(格北)1988—72.2l0,72潜水13观18—21988—67.7…lO.52自流水格西水源地451987—71.6一l0.32l39±8夫厚度潜水SH1—1格西水源地46l987—71.5一l0.09140±8大厚度潜水SHl一ⅡSH87l987.一71.0—10.67193±18河谷潜水(水文站)青海地三,格尔木地区降水6D一O关系线美围学者克雷格(Craigh,1961)建立的全球降水6D一5DO关系线为: 6D一85O+l0l981年Y?Y urtsever和J?R?Gat根据国际原子能委员会(IAEA)的ll4个台站(】.953I978)积累的资料,用最小二乘法进行线性拟合,得到了修正的全球雨水线公式:5D=8.205O+l0.30一其中5D和5180均为降水加权年平均值.格尔木地区降水量极小,直接采集雨雪的机会较少,笔者利用当地降水,昆仑山区冰川新雪,冰川融水,河水,河谷潜水及格尔木冲洪积扇受蒸发影响较小的承压水.选择l1个水样氘,氧一l8值用最小二乘法求得该地雨水线为:5D=7.11l136.0+7.25(r:==0.99)它在斜率及截距上比全球雨水线略低,北半球6D一(8.1±0.1)60+(1l±1),表明这些水体在入渗前遭受过轻微的蒸发.格尔木冲洪积扇地下水5D,5180大部分布在雨水线右下方(图1),表明浅层水受到强烈的蒸发,尤其潜水位处于临界深度内.大部分深层水在入渗前也遭受一定的蒸发.pcSM0图l格尔木水点6D一一6O关系图SMOWJ第一期孙俘煜:格尔木地区同位素水文地质29我们再讨论丹锡各尔(Dansgard1964)的氘盈余概念:d—l,D一8bsO本区氘盈余d值大部在l3.86—18.82%..平均15.15%.IAEA观测网大多数台站的氘盈余(d)都集中在+lO%.附近,而位于干燥陆地包围的波斯湾,红海,地中海地区,氘盈余(d)偏高可达+20%..本地区介于上两者之闻,表明现今盆地云团蒸气有时来自海洋.有时来自大陆水体的二次蒸发,而昆仑山区降水云团仍主要来自海洋(印度洋).四,格尔木降水氢氧稳定同位素的高程效应爱泼斯坦(Epstain)等人发现在地形起伏较大的地区,大气降水中氢氧稳定同位素含量随着高度的增加而逐渐变化的现象称为氢氧同位素的”高程效应”.我们用硌尔木来自海洋云团的降水及西大滩冰川融水同位素测定结果来估算.西大滩冰舌末端海拔4500m,新雪6D一58.3‰,5,8o一9.64%..格尔木市区海拔2820in.取降水6D—l5.1‰,6.一 3.82%.(均为中值),得出降水bl80梯度每l00m0.346%c,5D梯度每l00m2.57%.,与我国藏东和川,黔等地高度梯度值近似.五,各种水体的年龄由于我国长期以来测试手段欠缺,目前还缺乏降水中氚数据的系统观测资料.若采用国外资料内插法,笔者又无国际原子能委员会(IAEA)建立的一些长期观测台站的公开资料,所以各种水体氚系列输入值就很难准确给定.1987年6月20日格尔木降水氚值42.63±0.45Tu,1987年9月15日所取西大滩冰川新雪氚值56±2Tu,格市海拔2820m,西大滩冰川海拔4500m,两者高差l680m,氚值不同是由于高程效应的缘故.上述数值是1987年氚输入值.1986年降水氚值本区无实测资料,据”我国1986年5—9月降水中氚等值线图”,本区降水氚值应为90Tu左右,与乌鲁木齐柴窝堡湖降水氚值含量接近.由此推断本区降水氚值应接近乌鲁木齐柴窝堡湖,而稍低于苏联伊尔库茨克.目前利用氚模型计算地下水年龄尚感困难.可以利用柴窝堡湖降水氚输入值(表2)及本地区氚(输出值)结合碳一l4推算大致相对年龄.1.格尔木河大部河段1987年河水氚值超过84Tu,最高123Tu,最低52Tu,一般都高于当年大气降水氚值,说明它们主要来源不是当年降水(个别支流上游除外),而是几年前或十几年前降水通过冰雪融化或渗入补给地下水再补给河流2’西大滩冰川融水1987年氚值l8.48±0.36Tu.而1987年新雪氚值56±2Tu,均属於核爆氚,融水主要来源显然不是新雪.考虑柴窝堡湖氚输入值及氚半衰期(12.43年).融水平均年龄(Ⅷ)约三十余年,现今冰川融水仅少部分来自当年新雪融化.而大部分来自五十年代形成的冰层的融化,说明冰川在水量上近三十年处于负均衡,这当然与气候转暖有关.亦提示了1989年格尔木河特大洪水的生因.3.格尔木河谷潜水及冲洪积扇巨厚含水层中潜水氚值为93.93—193Tu,格尔木酉水源地在-208.27m以浅两个试段抽水取样,上试段(80—110.45m)潜水氚值l39±8Tu,下试段(176.一208.27m)潜水氚值140土8Tu,均属核爆氚.抽水数十小时后应该认为已排除了冲洗液的..号虑氚的半衰期,该水体年龄大约二十年.30青海地质】991年格西水源地钻孔已揭露隔水层底板埋深在209m.这表明在潜水溢出带以南于209m以浅的潜水均处于积极交替带.邻区降水氚值表表2证竹小齐柴窝罐湖(Tu)苏联伊尔库茨克(Tu)1951O—lOl96l30Ul963550Ol968lO0I969(264)454.8l97O(269)464.2l9713005l6.6l972l5O247.2l973(105)173.3l974(131)2l6.6l975(1】5)l9O.9l976(90)lt8.jl9869O()系推算值4.溢出带以北潜水及承压水氚值大部分小于『义器本底值(1.5—2.8Tu),为无氚水(个别近河潜水孔含核爆氚),碳一14年龄测定为3380--6900B.P(碳一14半衰期取5730年),这种水体循环较缓慢,是地下水缓慢交替带,更古老的水体至今尚未发现.六,地下水流系统1963年托斯(J?Toth)把地下水流网理论应用于区域研究,提出局部,中间和区域水流系统模型.近二十年环境同位素水文地质学有很大发展,可以测定地下水年龄并示踪水质点运动,为研究地下水流系统补充了重要手段,托斯地下水流系统概念模型才获得推广应用.’格尔木冲洪积扇地下水流系统按照地下水年龄,迳流条件可分为局部水流系统和区域水流系统..(一)局部水流系统位于冲洪积扇中上部,南北长约50—60km(从水文站至溢出带),其深度在209m以浅,含水层岩性为砂卵砾石及含泥砂砾石.富水性较强,巨厚层潜水大口径单井涌水量超过5000m./d,格尔木市东,西水源地均位于该系统巨厚层潜水带.该系统地下水主要接受河,渠,库水下渗补给,其次河谷潜水侧向补给,而山区基岩裂隙水的直接补给是微不足道的.其迳流速度较快,地下水更新一次仅数十年,其排泄方式主要在冲洪积扇前缘形成大规模的溢出带,以泉出露并形成泉集河,部分消耗于水面蒸发,陆面蒸发及值物蒸腾.目前格尔木市几乎所有供水井均开采该系统地下水,现今人工采量较小(45万m./日).它水质良好矿化度约0.5g/L,为HCOs?cl—ca?Na及HC03?cl—Na?ca型水.该系统少部分水流补给区域水流系统,参加大循环.近二十余年勘探实践表明,本地区地下水现在及将来开采重点应是该局部水流系统,尤其大型水源地的选址,应给予考虑,否则将*距1950年年数,下同.第一期孙存煜:格尔木地区同位素水文地质31会造成损失.(二)区域水流系统分布于冲洪积扇209m以深及冲湖积平原,局部水流系统呈楔形锒入(图2).它南北长l00余公里,目前探明最大循环深度约500m.该系统发育着多层承压自流.水,溢出带以北潜水也受其越流补给.该系统在小桥以南为淡水,以北逐渐演化为半咸水,咸水,卤水,与察尔汗盐湖卤水的水流系统年龄关系尚未完全清楚.该系统水体主要排泄方式以顶托越流补给上层潜水,最终消耗于蒸发.次要排泄方式以周边孔隙卤水补给盐湖品间卤水.j.该水流系统含水层岩性自南而北由粗变细,由砂砾石,砾砂而逐渐变为粉,细砂.富水性也逐渐变差,单井涌水量由1000m./d降至100m./d.该水流系统地下水属于缓慢交替带,地下水全部更新一次需数千年以上,格尔木市附近深承压水及溢出带以北自流水测年3380--6900B.P.小桥以北由于咸卤水无法浓缩碳一14样品难以测定年龄,应在小桥以南采集碳一14水样或在小桥以北用其他同位素方法(如Sr)测年.圈-圈’.4目s囤e圄田s圃.图2格尔木地下水流系统示意图1.砂砾石2,砂3.亚粘土4.粘土5,地下水位6,地下水年龄(B.P)7.b180值‰8,水流系统界线I局部水流系统Ⅱ区域水流系统9.盐层,系统埋藏较深或咸卤水测年手段所限,对其研究尚感不足.仅从地下水开发利用而言,该系统现在及将来都不应作为主要开采目的层.参考文献[】]青海省第一地质水文地质大队1985青海钾肥厂格尔木西水源地水文地质详勘报告[2]青海省第一一地质水文地质大队1983格尔木幅区域水文地质普查报告(1:200000)[3]青海省第一一地质水史地质大队1986达布逊湖幅,盐湖幅区域水文地质普查报告(1:200000)*格尔木以北30kin,下同.。
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
环境同位素在水文地质和环境地质研究中的应用
环境同位素在水文地质和环境地质研究中的应用摘要：在当前我国社会经济迅猛发展过程中，对于我国的生态环境、水文环境等会造成十分严重的影响，甚至某些地方会形成不可逆的破坏和污染。
因此，在此背景之下，需要高度关注水文地质和环境地质的深入研究和有效检测，这样才能为环境的有效保护提供必要支持。
在此背景之下，需要有效利用好环境同位素技术，使其根本价值得到充分体现，这样才能为水文地质和环境地质研究取得更良好成效提供必要支持。
基于此，本文重点探究环境同位素在水分地质和环境地质研究中的应用策略等相关内容。
关键词：水文地质；环境地质；环境同位素；应用研究引言在环境同位素中，氢和氧是相对来说比较稳定的同位素，可以当做水起源的重要标志，因此在水文和地质环境的研究过程中可当做关键性工具对于自然界的水文地质和环境地质现状进行有效分析和定量评价。
在当前的水文地质和环境地质研究过程中，越来越广泛的应用环境同位素技术，使其得到有效测定，作为核心工具进行充分应用，这样可以更充分体现出应有的生态环境保护效果，以环境检测为切入点进行切实检测评估，以此体现出应有的应用价值。
1环境同位素的概述通常所谓的环境同位素主要指的是在生态环境中广泛存在的、其浓度变化规律相对来说比较稳定，不会受到研究者的相关控制和影响而体现出环境研究的精准性和可行性。
因此环境同位素是相对来说比较稳定的、具有放射性的同位素，在当前的水文地质和环境变化等相关方面的研究过程中，对于环境同位素有越来越广泛的应用。
在该类水文地质环境变化之中进行深入研究，比较常见的同位素主要指的是由水分子组成的同位素以及放射性同位素等。
因此在针对水文地质和环境地质进行研究过程中，要着重针对该类同位素进行深入分析，充分匹配环境同位素技术和相关仪器设备等，结合相对应的研究课题和环境因素、环境条件，对于不同工作阶段工作程度进行深入分析，从而体现出环境同位素的优势和应用价值，进而为水文地质和环境地质的有效检测、衡量和定量评估提供必要条件。
水化学—稳定同位素技术在岩溶水文 地质研究中的应用
第39卷第5期2020年10月中国岩溶Vol.39No.5Oct.2020CARSOLOGICASINICA水化学—稳定同位素技术在岩溶水文地质研究中的应用高旭波1，2，向绚丽1，侯保俊3，高列波4，张建友3，张松涛3，李成城1，姜春芳1（1.中国地质大学（武汉）环境学院，武汉430074；2.自然资源部、广西岩溶动力学重点实验室/中国地质科学院岩溶地质研究所，广西桂林541004；3.山西省水资源管理中心，太原030001；4.山西省娘子关泉域管理处，山西阳泉045000）摘要：水化学—稳定同位素技术在岩溶水系统分析中得到了广泛的应用，尤其是在指示岩溶水文地球化学过程、识别岩溶水补给循环途径、溶质溯源及岩溶水污染监测防控等方面显示了独特的优势，产生了丰富的成果。
本文着重阐述了环境稳定同位素δD 、δ18O 、87Sr/86Sr 的工作原理，及水化学—稳定同位素技术在岩溶水文地质研究中的应用。
此外，论文还以娘子关泉域和北京西山岩溶水系统为例，介绍了运用水化学—稳定同位素技术分析岩溶水系统补给的思路和方法，展望了该技术在岩溶水文地质和岩溶生态环境领域中的应用前景。
关键词：岩溶水文地质；水化学—稳定同位素技术；岩溶水补给；娘子关泉域；西山岩溶水系统中图分类号:P641.3文献标识码:A文章编号:1001-4810（2020）05-0629-08开放科学（资源服务）标识码（OSID ）：0引言全球岩溶分布面积约为2200万km 2，占陆地面积的15%，有超过四分之一的人口是以岩溶地下水作为供水水源［1］。
我国是岩溶大国，岩溶面积344万km 2，约占国土面积的1/3。
岩溶水资源作为岩溶地区主要的供水水源，在区域社会经济发展中具有举足轻重的地位。
由于岩溶介质天然具有的强异质性和各向异性，以及强烈人类活动叠加的影响下，使得岩溶水系统结构、演化和水文循环过程日趋复杂［2］。
开展岩溶水文地质调查研究，查明岩溶水系统的补给、循环、水岩作用和演化过程，对合理开发利用水资源、保护岩溶水资源和水生态具有重要意义。
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同样开始关注含水层的古气候信息储存问题，１９９２ 年在美国的拉蒙特－多尔蒂地质研究所
（ＬＤＧＯ），就含水层作为古气候档案的潜力召开了三天的讨论会，指出重要的问题是地下水
测年和古气候变化指标的选取。分别在英国、澳大利亚、美国、法国、前苏联、泰国等地开
展了相应方面的研究。此方面的研究目前处在发展阶段。
２×１０６
亲水的，适用于古老地 Ａ０ 的确定 下水，受化学作用影响 不同来源
地壳
小，适用．
加速质谱计
Ｕ ２３４／２３８ ２．５×１０５ 铀系元素链衰变 ５×１０５
适用非常古老地下水 Ａ０ 的确定 化学作用解释
１８Ｏ 稳定的
自然
１０５
一般适用
非平衡分馏
３２Ｓｉ １０５
目前在地下水测年研究中存在三大问题：一是对地下水年龄的真正内涵不清楚；二是 将测年简单理解为数据获取；三是认为年龄不可信。地下水的年龄不同于岩石或矿物的年龄， 地下水处在不断运动且与流经介质相互作用着。确切地说没有任何一滴水是由单一年龄的水 构成的，实际上测得的是组合水年龄的平均值，其精度受测年方法、研究对象和取样过程的 制约。常用的各种环境同位素方法，各有最佳适用范围，选择时应与具体问题及地质、水文 地质条件相结合。地下水测年不应是简单的取样、分析、获取数据，而应当是精心设计、周 密分析和综合判断。这就要求水文地质学家既要掌握环境同位素理论，又必须熟知自已专业 领域的知识，尤其是区域水文地球化学的知识和现代水－岩作用理论。
3.2 地下水 14C 测年
14C 是元素碳的放射性同位素，半衰期为 5730a。自 1949 年 Libby 提出可用天然 14C 测 定年龄以来的 50 年间，获得极大发展。1957 年德国学者 K.O.Munnich 首次提出用 14C 测定 地下水年龄，而后逐渐被推广，在应用中不断得到改进和完善。是目前地下水测年中应用最
在解释 14C 测年资料时 （Geyh 和 Bachhaus 1979、Pearson 和 Andres 等 1983，Frohlich 等 1987，Phillips 等 1989），人们主要采用质量传输模型或仍采用活塞流模型，假定水动力 条件十分简单。近几年地下水中稀有气体古温度测定研究也证明，地下水动力条件是测年的 决定因素。由于地下水大量开采，在某些超采区发现地下水 14C 年龄往往是抽水时间的函数， 是什么原因导致 14C 变化还不十分清楚。这种变化有利于重建初始 14C 含量，可否用于水文 地质概念的发展等问题都有待深入研究。回顾几十年的研究，所用测年核素的水文地球化学 和水动力混合作用是制约测年发展的两大问题。若想获得好的成果就必须将测年纳入科学研 究的全过程之中。
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。
广，也是较成熟的方法之一。 早期的工作主要是围绕 14C 成因和运移展开。已查明 14C 主要由宇宙射线与大气中元素
N、O、C 的稳定同位素发生核反应而产生，最重要的是慢中子与 14N 的反应。随后 14C 与 氧反应成为大气圈 CO 和 CO2 的一部分，参与全球碳循环进入水圈和生物圈。通过生成、衰 变达到相对稳态的平衡浓度。当吸收 14C 的植物和动物死亡后，其体内的 14C 含量随时间而 降低，这时 14C 成为一种理想的“时钟”，我们就可以利用 14C 来测定它们“死亡”以来的 时间。地下水主要是由大气降水补给的，在形成过程中溶入了含一定量 14C 的 CO2，同时， 它也进入了与大气相对隔绝的非交换库。水中所含碳物质的形成和水运动的影响成为 14C 测 年中的两大问题。早在 1958 年 Eriksson 就提醒人们在地下水测年中多注重水动力混合问题； Pearson 等 1964 年讨论了碳化学对 14C 测年的影响，认为水中重碳酸和溶解 CO2 的初始 14C 含量具有决定性影响。在其后的 20 年里，研究基本围绕地下水中溶解无机碳的形成及对测 年的影响而展开，先后有 Vogel(1970)、Tamers(1975)、Mook(1972,1977)、Wigley(1977)、 Ingerson 和 Pearson(1978)、Plummer 和 Pearson(1978)、Reardon 和 Fritz(1978)、Fontes(1979)、 IAEA(1983)、Geyh 等(1980,1984)、Zuber(1986)等提出了多种校正模型。这些模型探索了解 决水中总溶解无机碳形成过程中产生的化学作用及同位素交换混合作用等问题。有力地推动 了地下水 14C 测年技术的提高。但也带来了混乱，正如已故前 IAEA 同位素水文处领导人 Fontes 在一篇综述性文章中所提出的，“没有一种模式是通用的”，人们在大量的模式面前感 到迷惑，对方法本身产生了怀疑。
第一作者简介：孙继朝， 男， 1957 年生， 研究员，从事水文地质、环境同位素研究。
表 1 可用于地下水测年的环境同位素
同位素 半衰期(a) 或过程
起源
测年域 (a)
质量
限制
３Ｈ １２．３１
宇宙射线
１９５２ 年以来 性能理想
不同来源
热核试验
通常适用
模型选择
反应堆
时间域短
系列资料
Bath(1979 年)和 Phillips(1989 年)等的研究认为，pH 介于 6－8 的低矿化地下水，水岩作 用很难改变水的年龄。Geyh(1991 年)将同一批资料用不同模型进行对比计算分析，得出结 论是：在地下水接受补给的一万年内，校正年龄沿斜率为 1 的相关线分布，随后受水岩作用 控制，而不再有大的波动，校正年龄趋于恒定，并且发现各种模型产生的误差随模型参数增 多而趋于复杂，计算误差累计增加，结论是校正值的产生部分来自模型本身，并非天然的水 岩作用。
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
宇宙射线 热核试验
≈１０００
衔接 ３Ｈ，３９Ａｒ 和 １４Ｃ，存有 Ａ０ 值确定
问题．
样量达 １０ｍ３
地壳
计数时间长
３９Ａｒ ２６９
宇宙射线
≈２０００ 不受化学作用影响可 分离过程复杂样品达
地壳
与 １４Ｃ 作对比，适用 １０ｍ３ 计数时间长
８１Ｋｒ ２．１×１０５ 宇宙射线
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。
在地下水环境同位素的研究中，地下水的环境同位素测年是其中最重要的研究内容之 一。依据国际原子能机构（ＩＡＥＡ）编著的“地下水水文学中的同位素技术”论文集和有关专 著，可用于地下水测年的环境同位素方法列表示出（表 １），对各种同位素半衰期、可测年 范围、方法的局限性等一并在表中示出。
我国的环境同位素水文地质研究工作始于 ２０ 世纪 ６０ 年代末 ７０ 年代初，８０ 年代至今得 到较大发展，比较有代表性的研究要属对河北平原地下水的环境同位素研究。在河北平原， 先后有刘存富等、张之淦等在 ８０ 年代的研究，初步建立了第四系地下水环境同位素组成剖 面；孙继朝、齐继祥等，姚足金、陈宗宇等在 ９０ 年代的研究，提出地下水储存有古气候变 化和环境演化信息等的新认识；在同期哈承佑等在长江三角洲地区地下水的研究，新疆地矿 局、岩溶地质研究所等在天山山前冲洪积扇区地下水环境同位素的研究，李文鹏等在格尔木 地区地下水环境同位素的研究等提供了中国北方可对比的环境同位素剖面，对推动我国地下 水同位素测年等方面的研究提供了范例，为今天的研究奠定了良好基础。由于受经济技术条 ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿