同位素水文地质1

H
S P
K
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。
• 如果地下水有不同地区的降水补给来源，而且在 不闹地区形成这些降水的蒸发、凝结条件各不相 同，那么就会在不同地区降水来源δD—δO18上出 现不同的斜率和截距。据此，就可判定出地下水 的不同补给来源。
• 不同地区的降水中氢、氧同位素组成是不同的。 下面仅以土耳其沿海科尼亚平原为例来加以说明 之。
(2)判断地下水的补给来源
• 1.3 同位素水文地质学的研究新进展
(1)解译地下水资源的补给及更新速度; (2)测定水文地质参数; (3)阐明隧道开挖中地下水的补给条件;
目录(续)
• (4)利用N同位素比研究地下水N污染; • (5)探测水库的渗漏路径;
1.1 同位素的分馏作用
• 定义: 同位素的分馏作用是一种因某些物理化 学作用和生物化学作用所引起的稳定同位 素成分发生改变的作用。
(1)探索地下水的起源
• 地下水按其成因和成生环境可区分为大气成因的 溶滤水、海相成因沉积水、变质成因再生水和岩 浆成因初生水等4种类型。４种成因类型地下水由 于其水的来源和生成环境的不同，在其氢、氨同 位素组成上也存在着很大差异。这样，就可依据 不同成因类型地下水的δ D和δ O１8的变化范围来 大致地判定地下水的起源和成因。 • 有关各种成因类型地下水的δ D和δ O１8值的变化 范围，由于情况复杂，各家的数据亦不—。故仍 是一个尚待研究和积县数据的问题。
13
13
12
—
[C N ] 12 — [C N ]
13
—
• 令：
13 13
[ HC N ] [C N ] RA ; RB 12 — 12 [ HC N ] [C N ]
• 因此：
—
[ HC N ] 12 [ HC N ]
13
[C N ] 12 — [C N ]
13
—
• 通常，可用下式表示：
丰度（％） 99.984 0.016 0－10-15
99.76
0.04 0.20
• 由于稀有（重）同位素含量极低微，所以 1-N≈1；1-n≈1； 此时，有：α =Ｎ/n 可见，当α >１时才导致同位素分馏发生。 影响同位素分馏的主要因素是：温度 一般情况下，岩石比水更富含Ｏ18 ，随 着温度升高，岩石中的Ｏ18 将向水中转移。 所以深部含水层及热液中，可广泛观察到 “氧漂移”现象。
确定含水层补给区的海拔高度
• 降水中氘（D）和O18含量与当地的海拔高度有关， 这就是所谓的“高度效应”。如果地下水由河水 补给，这时受河水补给的地下水中的δD和δO18值 就会同当地由降水补给的地下水有着明显差别。 如上面所捉到的瑞土河勒河流域就是一个很好的 例子。
• 地下水补给区的海拔高度可用下式确定： 同位素入渗高度Ｈ：
• 科尼亚平原位于中东半干导地区。为了查明该平原地 下的水资源状况，曾对该平原地下水进行了同位素组 成的研究。根据氢，氧同位素组成测定结果发现，其 平原内上部含水层中水的同位素组成为δD＝ 8δO18+22，这刚好是地中海东部地区的大气降水直 线；而其平原内深部含水层中水的同位素组成为δD＝ 8δO18+10，这正是来自北部大陆地区降水的降水直 线，即水自大西洋湿汽补给的降水直线。由此可以判 定，土耳其科尼亚平原内上部潜水是受地中海方向来 的大气降水补给，而深部承压含水层则是受大西洋方 向来的北方降水补给。
• 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。
• 实践证明，经过蒸发作用的湖水，其直线斜率就 由8降低至4～6，这可作为地下水是否受湖水或其 它地表水体补给的标志。 • 如瑞士的阿勒河在伯尔尼和图恩地区附近补给地 下水，就是依据对地下水和河本中δO18测定的结 果而得出的。阿勒河发螈于阿尔卑斯山海拔较高 的地区，河水δO18约为－12‰，而当地下水为－ 9.8‰。 • 又如借助于同位素和水化学资料，有人曾判定出 约旦河及补给该河曲巴漫乌拥泉同位于其上游鲍 乌利火山口湖之间存在水力联系。湖水的氘和O18 含量接近于海水。这是因为在干旱条件下湖水强 烈蒸发的结果。
大气水中的D，O18含量分布规律
• • • • 纬度效应——随纬度增加而减少； 陆地效应——由海岸向内陆方向逐渐降低； 季节效应——与气温成正比； 高程效应——随海拔高度而减少；
• 世界上各地的降水都符合上述规律，但也有 局部差异。如Thatcher统计得到的关系式如 下： • 北半球降水直线：D (8.1 0.1)O18 (11 1)
天然水中同位素的变化范围
天然水类型
海水 大气降水 沉积水 再生水 初生水
D（‰）
0 ～+10 <-400～+10 -50～-5 -65～-20 -80～ +40
O18 （‰）
0 ～-1 -60 ～0 -4.5 ～+3 +5 ～+25 +7～+9.5
备注
比较标准 SMOW (克雷格直 线方程)
(2)判断地下水的补给来源
• 如山西229煤田地质队与中科院地质所运用氢氧 同位素也曾对山西太原地区地下水资源评价和 开发作了研究。其中，太原地区大气降水线为 δD=7.6δ18O+10；汾河水的氢氧同位素平均值 为δD=-62.3±2.8‰，δ18O=-8.32± 0.4 ‰。西 山岩溶水的δD和δ18O之间呈线性关系为： δD=5.56δ18O-16.1。可见，西山岩溶水中混入 了受强烈蒸发作用的汾河水及浅层水，它与汾 河渗漏水及上覆石炭、二叠系裂隙水有明显的 水力联系。
第1章 同位素水文地质学
蓝俊康
目录
• 1.1 同位素应用的基本原理
(1)分馏作用; (2)克雷格降水直线; (3)放射性同位素的衰变作用
• 1.2 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
目录(续)
(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
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 :
引起同位素的分馏作用的因素
• • • • • • (1)同位素的交换反应; (2)单向(不可逆)反应; (3)蒸发作用; (4)扩散作用; (5)吸附作用; (6)生物化学作用;
• 分馏系数α ：表征同位素及其含量变化程度的 系数，通常是用来表征某一元素稀有（重）同 位素富集程度。一般定义为：
RA RB
D (7.7 1.0)O18 (14 4.8) • 非洲的降水直线：
D (7.9 1.7)O18 (8 2.7) • 南美洲的降水直线：
• 澳大利亚和Biblioteka Baidu西兰： D (8 1.3)O18 (16 2.3)
3.3 放射性同位素的衰变作用
• 放射性同位素：一些元素的同位素的核质 量与能态可以自发地以一定的速率进行蜕 变,形成新的原子核，这部分同位素就被称 为放射性同位素。 • 其蜕变是由于中子过剩（中子／质子大于 1.5）而引起的。
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
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
• 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。
（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。
• 式中：RA表示在分子Ａ或在Ａ相态中重同位素 与轻同位素的比值； RB表示在分子B或在B相态 中重同位素与轻同位素的比值； • 为了具体说明分馏系数α 的含义，以某一例说 明。
• 同位素发生交换反应： HC12N+C13N—= HC13N+C12N• 根据质量作用定律，该反应的化学平衡常数为：
[ HC N ][C N ] K 12 13 — [ HC N ][C N ] [ HC N ] 12 [ HC N ]
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
(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。