同位素水文地质1.ppt

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 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。 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： 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： 令： 因此： 通常，可用下式表示： 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 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α１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。 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；αD＝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。 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 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： 非洲的降水直线： 南美洲的降水直线： 澳大利亚和新西兰： 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。 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： 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: 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