第二章 地下水同位素组成特征

O 0.24 NL 0.04
18 0
H 0.184 NL 6.88
2 0
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纬度效应
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大陆效应
大气降水的δD和δ18O值随远离海岸线而降低，这一 现象称之为大陆效应。这与水汽凝结引起的同位 素瑞利分馏有关。
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2.3 放射性同位素及定年
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一、放射性同位素衰变原理
原子核单位时间内衰变数目与衰变时原子核数 目成正比。
半衰期：原子核数目减少一半所需时间
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2.2 大气降水的氢氧稳定同位素组成
一、大气降水线（GMWL）
1961年Craig通过对全球降水样品同位素资料 的分析指出，雨水的δ2H和δ18O值之间存在着线 性关系，并得出了如下的相关关系式：
D 8 O 10
18
被称为Craig公式 .
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Annual means (filled dots) and monthly means (light squares) of δ18Ovs. precipitation amount（mm per month) .(a) and（c) modeled, ( b) and (d) observed.
岩石的δ18O值比水大，因此岩石与水发生同位素 交换的结果往往是，水富含18O，即水中δ18O增大。 这一现象常称为“氧-18漂移”。
δ2H
δ18O
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硫同位素分馏：
一般在硫化氢氧化为硫或硫酸盐的过程中、海水 结晶出石膏的过程、石膏溶解的过程中，都没有 明显的硫同位素分馏。而在生物还原硫酸盐的过 程中，可以产生比较明显的分馏，而且这一过程 进行的越缓慢，分馏越明显。其分馏的结果是产 生的硫化氢中富集轻的同位素，而在硫酸盐中富 集重的同位素。
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Plot of 34S of dissolved sulfate vs. chloride concentration in groundwater
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Plot of isotope fractionation between dissolved sulfate and total reduced sulfur vs. chloride concentration in groundwater
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二、放射性同位素的半衰期与定年范围
长半衰期的放射性同 位素（14C、36Cl和 81Kr等）可用来测定 古地下水年龄， 较短半衰期的放射性 同位素（3H、37Ar、 85kr等）可测定近几 十年以来的地下水， 还有测龄范围介于年 轻地下水与古地下水 之间的“次现代”水 年龄的39Ar和32Si等。
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雨量效应
大气降水的δD和δ18O值与当地降雨量存在某种相关 关系，这一现象称之为雨量效应。
O 0.0099 P 2.7467
18
广州 昆明
O 0.0226 P 4.4690
18
这与雨滴降落过程中的蒸发效应和环境水蒸气的交 换有关。
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国际原子能机构（IAEA）推荐的氢氧同位素标准，采用海洋 蒸馏水，称为”维也纳标准平均海水”（VSMOW）。
D (155 .76 0.05) 10 6 H VSMOW
18O 16 ( 2005 .2 0.45) 10 6 O VSMOW
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七、氢氧稳定同位素分馏 对于氢氧稳定同位素来说，蒸发和凝结是引起同 位素分馏的重要作用。一般来说，由于蒸发和凝 结所造成的同位素分馏，结果往往是，气相富集 较轻的同位素，而液相和固相富集较重的同位素。
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水与岩石同位素交换反应造成的分馏：
O kh b
18
h为地形高程，k为同位素高度梯度，b为地区常数。对 一个确定地区来说k、b通常为一定值。
18O 0.0031 (m) 6.19 h
D 0.026 (m) 30.20 h
这 一 地 区 2H 和 18O 的高 度 梯 度分 别 为 -0.31‰/100m和 -
D 7.95 O 6.03
18
郑淑慧等（1982）根据我国8个城市的资料得到的我国的降 水线为：
D 7.9 O 8.2
18
与上述的全球降水线相对应，我们把各地区的降水线称为地 区降水线（LMWL）。
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GNIP中国站点分布及氧同位素等值线
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2.6‰/100m。 因此，常借助于研究区内大气降水的同位素高度效应，推测 地下水补给区的位置和高度。
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纬度效应
大气降水的δD和δ18O值与纬度的变化存在着相关关 系，纬度升高，δ值减小，纬度降低，δ值增大， 称这种效应为纬度效应。这是温度和蒸汽团运移 过程中同位素瑞利分馏的综合反映。 我国东北地区大气降水的纬度效应为：
R
18
O
18 O 16 1993 2.5 106 O 海水
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三、千分偏差值(δ，‰)
指样品的同位素比值(R样)相对于标准样品同位素比值(R标) 的千分偏差，即：
R样 R标 1000 δ(‰)= R标
δ值能直接反映出样品同位素组成相对于标准样品的变化方 向和程度。若δ>0，表明样品较标准样品富含重同位素； 若δ<0，表明样品较标准样品贫化重同位素；δ=0则表明样 品的重同位素含量与标准样品相同。 例如：δ ‰ 。
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同位素Rayleigh分馏
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六、同位素分馏系数
通常用同位素分馏系数(α)来表示同一体系中两种物质(物相) 之间同位素分馏的程度，其定义式为：
A B
RA RB
18 （ O/16O） 水 18O水汽 18 （ O/16O） 汽
式中，RA为A物质的同位素比值，RB为B物质的同位素比值。 αA－B>1，说明A物质比B物质富含重同位素；αA－B<1，则说 明B物质比A物质富含重同位素；αA－B=1，说明A、B物质 中的重同位素含量相同。
大西洋沿岸滨海地区（ Dansgaard，1964）
O 0.695T 13.6 H 5.6 T 100
18
2
在这一地区，温度每升高1℃，大气降水的δ18O值大 约增加0.695‰，δD值则增加约5.6‰。
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0 -2 -4 y = 0.5848x - 16.014 R = 0.7907
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二、同位素比值 (R)
指物质（样品）中某元素的重同位素与常见轻同 位素含量(或丰度)之比，即：
X* R X
式中X*和X分别表示重同位素和常见轻同位素含量。 例如：海水氢、氧同位素的R值为：
2H RD 158 2 106 H 海水
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二、影响大气降水同位素组成变化的主要因素 全球大气降水同位素观测结果表明，降水同位 素 组成随着地理位置、季节和降水量等因素的改变 而改变，被总结为若干“效应”： 温度效应 高度效应 纬度效应 大陆效应 雨量效应
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温度效应
大气降水的δD和δ18O值与地面年平均气温往往呈线 性关系，温度升高，δ值增大，温度降低，δ值减 小，称这种效应为温度效应。
2
δ 18 O
-6 -8 -10 -12 -14 0 5 10 平均气温（ C）
0
张 掖 包头 石家庄
兰 州
乌鲁木齐
15 20
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高度效应
大气降水的δD和δ18O值随着地形高程的增高而减小的现 象被称为高度效应。一般来说，地形高程与降水的δ值之 间常呈线性关系，以18O为例，这种关系式可写为：
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放射性同位素的半衰期与定年范围
目前，比较成熟且 常用的定年放射性 同位素有3H和14C。 3H主要测定近50 年以来的“年轻” 或“现代”地下水； 14C常用于测定 2000 - 40000年的 古地下水年龄。
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三 放射性同位素氚
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在以δ18O为横坐标、以δD为纵坐标的图上，世界各地降 水的同位素组成都沿着上式反映的直线分布，被称为全球 雨水线（GMWL）。
海 水
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全球大气降水氢氧同位素组成
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不同的地区，降水的δ2H与δ18O值之间的关系往往偏离上述 的全球降水线方程。例如，Yurtsever（1975）根据北美 大陆8个台站的资料得到雨水线为：
实际上并不存在供实验室使用的SMOW标准，而是使用美 国标准局配置的1号蒸馏水（NBS－1），它与SMOW标 准之间的关系为：
D D 1.050 H SMOW H NSB1
18O 18O 16 1.008 16 O O SMOW NSB1
半衰期 = 12.43 年 测年上限 = 50 年
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第二章 地下水同位素组成特征
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地下水中的同位素： 包括水自身的氢、氧同位素，以及水中溶质的 同位素。 氢：1H、2H、3H； 氧：16O、17O 、18O 稳定同位素：12C和13C、32S和34S、28Si和30Si、86Sr 和88Sr、54Fe和56Fe等； 放射性同位素 ：14C、36Cl、238U、234U、131I等
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2.1 基本概念 一、同位素丰度
指某一元素的各种同位素在该元素中所占的百分含量，即 用百分值表示的某一元素各种同位素的原子数和该元素原 子总数之比。 例如：自然界中18O的平均同位素丰度是0.205%，它 表示在十万个氧原子中有205个18O原子； 又如：海水的氧同位素丰度为： 16O = 99.763%, 17O = 0.0375%，18O = 0.1995%。
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同位素分馏系数的通常表示方法：
RA R标 A 1000 R标
RB R标 B 1000 R标
RA (
A
1000
1) R标
RB (
RA RB
B
1000
1) R标
A B
AB
A 1000 1 A 1000 B 1000 1 B 1000
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五、同位素分馏 同位素以不同比例分配于两种物质或物相中的现 象称为同位素的分馏。 H2O水←→ H2O汽 同位素分馏的结果使得重同位素相对富集于一种 物质或物相中，而轻同位素则在另一种物质或物 相中富集。
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18O
= +10 ‰，表示样品中的18O 比标准样多10
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四、氢、氧同位素标准
氢、氧同位素国际标准样品是“标准平均海水” （SMOW，standard mean ocean water），
D (158 2) 10 6 H SMOW
18O 16 (1993 .4 2.5) 10 6 O SMOW