环境同位素概论ppt剖析

• 20世纪50年代~60年代，放射性同位素与稳定 同位素应用于地球科学的许多领域。在学科的 交叉、渗透中逐步发展形成了两大分支学科— —同位素地质年代学与稳定同位素地球化学。 而后更细的分支同位素水文地质学和同位素环 境地球化学等应运而生。
• 应用与发展前景。
同位素的基本概念
一、基本概念
(一) 同位素(isotope)
• 同位素是指具有相同质子数和不同中子数的原 子，即在化学元素周期表中占据同一位置。它 们具有基本相同的化学性质，但质量不同。
✓某元素X的原子核质量数为A，N为核内中子数，Z 为质子数（等于核外电子数）则 A=N+Z；通常用符 号 AX 表示。
✓例如，H元素有三种同位素：1H核内只有质子数1 个；2H核内中子数、质子数各1个；3H核内质子数1 个，中子数2个；分别叫：氕、氘、氚。
230Th dating (U/Th dating or 238U-234U-230Th dating) From as young as 3 years to over 600 ka
(e.g., Edwards et al., 1987; Edwards, 1988; Cheng et al., 2000; Stirling et al., 2001)
降水
NNHO－33
NH3 NO－3
植物残余
地
污水
有机－N
化肥 NH3
堆肥
有机－N
下
NH3
NO－3
蛋白质
环
N2
NH3
N2 N2
植物 蛋白质
境
里
固氮
N2
氮
分解硝化 NH＋4 硝化 蛋白质
N2 NH＋4
反硝化
反硝化
吸附
吸附
分解
NH＋4
硝化
NNOH－＋34
反硝化
的 来 源
NO－3
NO－3
NO－3
及
循
渗入
环
•同位素环境地球化学 •同位素水文地质学 •第四纪地质学
三、基本任务与研究内容
(1) 研究各种环境物质，包括大气、水体（及其 溶解化学组分）生物以及土壤、岩石等的同 位素组成及其时空演化规律。
地 球 系 统 科 学 为 指 导
(2) 研究上述物质与其环境介质之间的同位素交换 和再分配规律。
90
地下水
途
NO－3
NO－3
NO－3
迳
在还原带中进行的反硝化 N2(aq) N2O
30
27
24
15NNO3-( AIR)
21
45
4
30
18
16
14
农家肥污染 29 44
15 5
12 9
7
混合污染
26 32
46
6
8
34
13
3
人造化肥污染
0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 NO3- (mg/L)
地 球 化 学 元 素 周 期 表
稳
✓据理论
定
推测化学
核
元素至少 有6000种
素 的 中
以上的同
子
位素核素，
数
N
已发现 300余种
比 质
天然核素
子
和1600余
数
Z
种人工核
分
素。
布
图
常见环境同位素
H元素：1H、2H或D、3H *或T * O元素：16O、17O、18O C元素：12C、13C 、14C * N元素：14N 、 15N S元素：32S、34S Sr元素：84Sr 、86Sr、 87Sr、 88Sr Pb元素：204Pb、206Pb、207Pb、208Pb U元素：235U*、238U* Rb元素：85Rb、87Rb*
1 0.0 ~ 2.5 2 3.0 ~ 5.0
3 6.6 ~ 8.6 4 7.4 ~ 9.1
石
笋
氧
同
1
2
位
素
环
海水
流
δ18O 0 ~ 1.5
效
应
1971-2000年平均夏季（6-8月） 整 层积分的水汽输送矢量分布, 单 位:g/(s.cm)
4 3
海水 δ18O -1 ~ 0.5
水汽图引自丁一汇报告
Dating Materials
1cm
calcite stalagmite
二、学科范畴
地球化学：研究地球的化学组成、化学作 用和化学演化的科学，是地质学与化学、物 理学相结合而产生和发展起来的边缘学科。
✓同位素地球化学：根据自然界的核衰变、裂变 及其他核反应过程所引起的同位素变异，以及物 理、化学和生物过程引起的同位素分馏，研究天 体、地球以及各种地质体的形成时间、物质来源 与演化历史。
衙门洞
25
英帕尔
保山
-10.0 昆明
荔波
∩∩ 董歌洞
桂林 -6.1
-4.1
25
厦门
台
北回归线 曼德勒
个旧
柳州 -5.7
汕头 湾
广州 -5.2
南宁 香港-4.7
印度季风
20°
琅勃拉邦
N
0
250
500
750 km
海南
20
东亚季风
95
100
105
110
115
120°E
石笋氧同位素 记录分布模式
近2000年内 δ18O ‰VPDB:
环境同位素概论
太阳 辐射 能量
冷却 蒸发作用
衰减
海冰
海洋
大气层温度变化 和水循环作用
大气圈
云层 降水
富集
瑞利分馏
酸雾
人类活动影响
土地利用
渗滤水
外源水
酸雾
火山活动
表面径流 高山洞穴系统 冰川
低温层： 海冰，冰盖，冰川
冰盖
生物圈 土壤生物作用
低地洞穴系统
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
绪论
一、环境同位素的定义
环境同位素(environmental isotope )：存在 于自然环境中的同位素。主要是天然形成 的，但也有一部分来源于核试验产生的人 工放射性同位素(如氚)。它不包括作为示 踪剂的人工投放的放射性同位素。 •天然存在或非人为目的进入环境的同位素， 包括环境稳定同位素和环境放射性同位素 。
Decay chains
238U
234U
230Th
206Pb
4.468 ±0.005
Half-life x109 years
(Jaffey et al. 1971)
245,250
75,690
±490 years ±230 years
(Cheng et al. 2000)
Dating Methods
(3) 环境物质测年，即研究环境化学组分的放射性 同位素母、子体的衰变与积累规律。
(4) 应用天然同位素和人工同位素解决各种环境问 题。
(5) 揭示和提取环境信息载体的同位素记录重建古 环境。
四、学科的研究历史与发展概况
•Soddy F. 首先命名“同位素” 一词（1913） •Urey H.C. 最早知道碳酸盐氧 同位素比值与沉淀温度有关， 确立同位素分馏理论（1947） •Epstein S. 建立同位素地质 温度计（1953） •Dansgaard W. 提出环境同位 素效应（1964）
95
100
105
110
115
120
125
西宁
青岛
35
35
兰州
-7.1
洛阳 郑州
徐州
唐古拉山区
玉树
∩ 万象洞
西安∩
∩
九仙洞
大鱼洞
马尔康
∩ 老母洞 ∩
合肥 上海
甘孜
三宝洞
武汉
杭州
30
30
-15.2
拉萨
林芝
成都
万州 ∩
重庆 水鸣洞
和尚洞 ∩
宜昌
∩
-6.0 九江
南昌
莲花洞
长沙
中甸
遵义
吉首
福州
丽江
贵阳
-8.3