第二章 地下水同位素组成特征PPT讲稿.ppt

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1、第二章 地下水同位素组成特征第1页，共44页，编辑于2022年，星期三第2页，共44页，编辑于2022年，星期三地下水中的同位素：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。包括水自身的氢、氧同位素，以及水中溶质的同位素。氢：氢：1H、2H、3H；氧：氧：16O、17O、18O稳定同位素：稳定同位素：12C和和13C、32S和和34S、28Si和和30Si、86Sr和和88Sr、54Fe和和56Fe等；等；放射性同位素放射性同位素：14C、36Cl、238U、234U、131I等等第3页，共44页，编辑于2022年，星期三2.1 基本概念基本概念一、同位素丰度一、同位素丰

2、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。比。例如：自然界中例如：自然界中18O的平均同位素丰度是的平均同位素丰度是0.205%，它表示在，它表示在十万个氧原子中有十万个氧原子中有205个个18O原子；原子；又如：海水的氧同位素丰度为：又如：海水的氧同位素丰度为：16O=99.763%,17O=0.0375%，18O=0.1995%。第4页，共44页，编辑于2022年，星期三二、同位素比值二、同位素比值 (R)指物

3、质（样品）中某元素的重同位素与指物质（样品）中某元素的重同位素与常见轻同位素含常见轻同位素含量量(或丰度或丰度)之比，即：之比，即：式中式中X*和和X分别表示重同位素和分别表示重同位素和常见轻同位素常见轻同位素含量。含量。例如：海水氢、氧同位素的例如：海水氢、氧同位素的R值为：值为：第5页，共44页，编辑于2022年，星期三三、千分偏差值三、千分偏差值(，)指指样样品品的的同同位位素素比比值值(R样样)相相对对于于标标准准样样品品同同位位素素比比值值(R标标)的的千千分分偏差，即：偏差，即：值值能能直直接接反反映映出出样样品品同同位位素素组组成成相相对对于于标标准准样样品品的的变变化化方方向向

4、和和程程度度。若若0，表表明明样样品品较较标标准准样样品品富富含含重重同同位位素素；若若1，说明A物质比B物质富含重同位素；AB1，则说明B物质比A物质富含重同位素；AB=1，说明A、B物质中的重同位素含量相同。六、同位素分馏系数六、同位素分馏系数第12页，共44页，编辑于2022年，星期三同位素分馏系数同位素分馏系数的通常表示方法：的通常表示方法：第13页，共44页，编辑于2022年，星期三七、氢氧稳定同位素分馏七、氢氧稳定同位素分馏 对对于于氢氢氧氧稳稳定定同同位位素素来来说说，蒸蒸发发和和凝凝结结是是引引起起同同位位素素分分馏馏的的重重要要作作用用。一一般般来来说说，由由于于蒸蒸发发和和

5、凝凝结结所所造造成成的的同同位位素素分分馏馏，结结果果往往往往是是，气气相相富富集集较较轻轻的的同同位位素素，而而液相和固相富集较重的同位素。液相和固相富集较重的同位素。第14页，共44页，编辑于2022年，星期三水与岩石同位素交换反应造成的分馏：水与岩石同位素交换反应造成的分馏：岩石的岩石的18O值比水大，因此岩石与水发生同位素交换值比水大，因此岩石与水发生同位素交换的结果往往是，水富含的结果往往是，水富含18O，即水中，即水中18O增大。这一现增大。这一现象常称为象常称为“氧氧-18-18漂移漂移”。2H18O第15页，共44页，编辑于2022年，星期三硫同位素分馏：硫同位素分馏：一一般般

6、在在硫硫化化氢氢氧氧化化为为硫硫或或硫硫酸酸盐盐的的过过程程中中、海海水水结结晶晶出出石石膏膏的的过过程程、石石膏膏溶溶解解的的过过程程中中，都都没没有有明明显显的的硫硫同同位位素素分分馏馏。而而在在生生物物还还原原硫硫酸酸盐盐的的过过程程中中，可可以以产产生生比比较较明明显显的的分分馏馏，而而且且这这一一过过程程进进行行的的越越缓缓慢慢，分分馏馏越越明明显显。其其分分馏馏的的结结果果是是产产生生的的硫硫化化氢氢中中富富集集轻轻的的同同位素，而在硫酸盐中富集位素，而在硫酸盐中富集重的同位素。重的同位素。第16页，共44页，编辑于2022年，星期三Plot of 34S of dissolved

7、 sulfate vs.chloride concentration in groundwater第17页，共44页，编辑于2022年，星期三Plot of isotope fractionation between dissolved sulfate and total reduced sulfur vs.chloride concentration in groundwater第18页，共44页，编辑于2022年，星期三2.2 大气降水的氢氧稳定同位素组成大气降水的氢氧稳定同位素组成一、大气降水线（一、大气降水线（GMWL）1961年年Craig通过对全球降水样品同位素资料的分通过对全球降

8、水样品同位素资料的分析指出，雨水的析指出，雨水的2H和和18O值之间存在着线性关系，并值之间存在着线性关系，并得出了如下的相关关系式：得出了如下的相关关系式：被称为被称为Craig公式公式.第19页，共44页，编辑于2022年，星期三 在以在以18O为横坐标、以为横坐标、以D为纵坐标的图上，世界各地降水的为纵坐标的图上，世界各地降水的同位素组成都沿着上式反映的直线分布，同位素组成都沿着上式反映的直线分布，被称为全球雨水线被称为全球雨水线（GMWL）。海海水水第20页，共44页，编辑于2022年，星期三全球大气降水氢氧同位素组成全球大气降水氢氧同位素组成 第21页，共44页，编辑于2022年，星

9、期三不不同同的的地地区区，降降水水的的2H与与18O值值之之间间的的关关系系往往往往偏偏离离上上述述的的全全球球降降水水线线方方程程。例例如如，Yurtsever（1975）根根据据北北美美大大陆陆8个个台台站站的的资资料得到雨水线为：料得到雨水线为：郑淑慧等（郑淑慧等（1982）根据我国）根据我国8个城市的资料得到的我国的降水线为：个城市的资料得到的我国的降水线为：与与上上述述的的全全球球降降水水线线相相对对应应，我我们们把把各各地地区区的的降降水水线线称称为为地地区区降降水水线线（LMWL）。第22页，共44页，编辑于2022年，星期三GNIP中国站点分布及氧同位素等值线中国站点分布及氧同

10、位素等值线 第23页，共44页，编辑于2022年，星期三二、影响大气降水同位素组成变化的主要因素二、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”：温度效应温度效应 高度效应高度效应 纬度效应纬度效应 大陆效应大陆效应 雨量效应雨量效应 第24页，共44页，编辑于2022年，星期三温度效应温度效应大大气气降降水水的的D和和18O值值与与地地面面年年平平均均气气温温往往往往呈呈线线性性关关系系，温温度度升升高高，值值增增大大，温温度度降降低低，值值减减小小，称称这种效应为温度效应。这种效应为

11、温度效应。大西洋沿岸滨海地区（大西洋沿岸滨海地区（Dansgaard，1964）在在这这一一地地区区，温温度度每每升升高高1，大大气气降降水水的的18O值值大大约约增增加加0.695，D值则增加约值则增加约5.6。第25页，共44页，编辑于2022年，星期三兰兰州州张张掖掖石家庄石家庄包头包头乌鲁木齐乌鲁木齐第26页，共44页，编辑于2022年，星期三高度效应高度效应大大气气降降水水的的D和和18O值值随随着着地地形形高高程程的的增增高高而而减减小小的的现现象象被被称称为为高高度度效效应应。一一般般来来说说，地地形形高高程程与与降降水水的的值值之之间间常常呈呈线线性性关关系系，以以18O为例，

12、这种关系式可写为：为例，这种关系式可写为：h为为地地形形高高程程，k为为同同位位素素高高度度梯梯度度，b为为地地区区常常数数。对对一一个个确确定地区来说定地区来说k、b通常为一定值。通常为一定值。这一地区这一地区2H和和18O的高度梯度分别为的高度梯度分别为-0.31/100m和和-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补给区的位置和高度位置和高度。第27页，共44页，编辑于2022年，星期三纬度效应纬度效应大大气气降降水水的的D和和18O值值与与纬纬度度的的变变化化存存在在着着相相关关关关

13、系系，纬纬度度升升高高，值值减减小小，纬纬度度降降低低，值值增增大大，称称这这种种效效应应为为纬纬度度效效应应。这这是是温温度度和和蒸蒸汽汽团团运运移移过过程程中中同同位位素素瑞瑞利分馏的综合反映。利分馏的综合反映。我国东北地区大气降水的纬度效应为：我国东北地区大气降水的纬度效应为：第28页，共44页，编辑于2022年，星期三纬度效应纬度效应 第29页，共44页，编辑于2022年，星期三大陆效应大陆效应大大气气降降水水的的D和和18O值值随随远远离离海海岸岸线线而而降降低低，这这一一现现象象称称之之为为大大陆陆效效应应。这这与与水水汽汽凝凝结结引引起起的的同同位位素素瑞瑞利利分分馏有关。馏有关

14、。第30页，共44页，编辑于2022年，星期三第31页，共44页，编辑于2022年，星期三雨量效应雨量效应大大气气降降水水的的D和和18O值值与与当当地地降降雨雨量量存存在在某某种种相相关关关关系，这一现象称之为雨量效应。系，这一现象称之为雨量效应。这这与与雨雨滴滴降降落落过过程程中中的的蒸蒸发发效效应应和和环环境境水水蒸蒸气气的的交交换换有有关。关。广州广州昆明昆明第32页，共44页，编辑于2022年，星期三Annual means(filled dots)and monthly means(light squares)of 18Ovs.precipitation amount（mm per

15、 month).(a)and（c)modeled,(b)and(d)observed.第33页，共44页，编辑于2022年，星期三第34页，共44页，编辑于2022年，星期三第35页，共44页，编辑于2022年，星期三第36页，共44页，编辑于2022年，星期三2.3 放射性同位素及定年放射性同位素及定年第37页，共44页，编辑于2022年，星期三一、放射性同位素衰变原理一、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 第38页，共44页，编辑于2022年，星期三二、放射性同位素的半衰期与定年范围二、放射性同位素的半衰期与定年范围

16、u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，u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，u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。第39页，共44页，编辑于2022年，星期三放射性同位素的半衰期与定年范围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。u 3H主要测定近50年以来的“年轻”或“现代”地下水；u 14C常用于测定2000-40000年的古地下水年龄。第40页，共44页，编辑于2022年，星期三三三 放射性同位素氚放射性同位素氚

17、 半衰期半衰期=12.43 年年 测年上限测年上限=50 年年单位：单位：TU TU=10-18=0.119 Bq/kg H2O 氚在高空生成后，与氧原子化合成含氚水分子；氚在高空生成后，与氧原子化合成含氚水分子；所有现代循环水都受到了氚的标志，是理想的示踪所有现代循环水都受到了氚的标志，是理想的示踪剂剂 大气降水的氚浓度平均为大气降水的氚浓度平均为10 TU 左右（北半球）左右（北半球）第41页，共44页，编辑于2022年，星期三1953年后年后,核爆氚进入大气，破坏了氚的自然平衡。核爆氚进入大气，破坏了氚的自然平衡。计算年龄时：计算年龄时：1、模型法：、模型法：确定氚输入函数和输出函数，计

18、算年龄；确定氚输入函数和输出函数，计算年龄；2、核爆、核爆氚氚标志法：标志法：把把1953年以后的水为年以后的水为“新水新水”；以前的水为以前的水为“古水古水”第42页，共44页，编辑于2022年，星期三二、放射性同位素二、放射性同位素14C 测年上限测年上限=5-6万年万年 式中：式中：A0为样品的初始为样品的初始14C放射性浓度（放射性浓度（Bq/g），实际应），实际应用时取用时取“现代碳现代碳”标准（标准（813.6 Bq/g）；）；A 停止交换停止交换t年后样品的年后样品的14C放射性浓度（放射性浓度（Bq/g）；）；t 停止交换后所经历的时间停止交换后所经历的时间 14C衰变常数，衰

19、变常数，=ln(1/5730),代入后得到：代入后得到：第43页，共44页，编辑于2022年，星期三应用时满足以下条件：应用时满足以下条件：1、A0为已知常数，并在为已知常数，并在5-6万年内保持恒定万年内保持恒定2、样品进入到非交换库后，碳同位素处于封闭状态，、样品进入到非交换库后，碳同位素处于封闭状态，其浓度只受放射性衰变的影响。其浓度只受放射性衰变的影响。事实并非如此，因此对样品事实并非如此，因此对样品14C进行校正：进行校正：（1）时间校正：不同年代样品的初始）时间校正：不同年代样品的初始14C进行校正进行校正（2）同位素分馏校正：消除含碳物质种类的不同造成的初始）同位素分馏校正：消除含碳物质种类的不同造成的初始14C浓度差异浓度差异第44页，共44页，编辑于2022年，星期三