地下水中的同位素及分类 　地下水地球化学及同位素研究

我们知道，原子是由原子核与其周围的电子组成的，通常用来表示某一原子。这里，X为原子符号，Z为原子核中的质子数目，N为原子核中的中子数目，A为原子核的质量数，它等于原子核中的质子数与中子数之和，即：

水文地球化学

为简便起见，也常用^AX表示某一原子。

元素是原子核中质子数相同的一类原子的总称。同一元素由于其原子核中中子数不同可存在几种原子质量不同的原子，其中每一种原子称为一种核素，如C原子有¹²C、¹³C、¹⁴C等核素，氧原子有¹⁶O、¹⁷O、¹⁸O等核素。某元素的不同几种核素称为该元素的同位素（蔡炳新等，2002），或者说同位素指的是在门捷列耶夫周期表中占有同一位置，其原子核中的质子数相同而中子数不同的某一元素的不同原子。同位素可分为稳定同位素和放射性同位素两类，稳定同位素是指迄今为止尚未发现有放射性衰变（即自发地放出粒子或射线）的同位素；反之，则称为放射性同位素。

地下水中的同位素一方面包括水自身的氢、氧同位素；另一方面还包括水中溶质的同位素。

氢有三种同位素，分别是：¹H，称其为氕，以H来表示；²H，称其为氘，以D来表示；³H，称其为氚，以T来表示。氧有六种同位素，分别是：¹⁴O、¹⁵O、¹⁶O、¹⁷O、¹⁸O和¹⁹O。上述氢和氧的同位素中，¹H、²H、¹⁶O、¹⁷O和¹⁸O为稳定同位素，其余为放射性同位素。氢的两种稳定同位素在水中的含量比例为H∶D=5000∶1；氧的三种稳定同位素在水中的含量比例为¹⁶O∶¹⁷O∶¹⁸O=3150∶5∶1。可见，氢的两种稳定同位素中H占绝对优势，氧的三种稳定同位素中，¹⁶O占绝对优势。

地下水中溶质的同位素是指地下水与周围环境相互作用过程中进入水中的除氢、氧以外的其他元素的同位素。其中既包括了稳定同位素，也包括了放射性同位素。最常见的对水文地质研究有重要意义的稳定同位素有：¹²C和¹³C、³²S和³⁴S、²⁸Si和³⁰Si等。常见的较有意义的放射性同位素有：¹⁴C、³⁶Cl、²³⁸U、²³⁴U、²³²Th、²³⁶Ra、¹³¹I、⁵¹Cr和⁵⁹Fe等，其中¹⁴C的应用最广泛，由于其半衰期较长，为5730年，因此，可对年代较久远的地下水的年龄进行测定。

地下水同位素特征~

通过对2003～2005年工作区大气降水、出山河水、地下水等114个氢氧稳定同位素及放射氚样水样分析结果的研究，确定了各盆地地下水补给来源和大致形成年代，加深了对流域内水资源“地表水-地下水-地表水”这种循环与转化的认识。
一、水的稳定同位素分布及其指示意义
对所取的114组氢氧同位素样品，按δ值的大小分为三组：第一组δ18O介于-8.0‰～-10.0‰，δD介于-44.0‰～-80.0‰，分布于昌马灌区地下水、河水、疏勒河沿岸地下水及花海灌区地表水、地下水中；第二组δ18O介于-5.0‰～-8.0‰，δD介于-40.0‰～-65.0‰，主要见于双塔灌区及西湖一带地下水中；第三组δ18O＜-10.0‰，δD＜-60.0‰，分布于党河灌区地表水、地下水，疏勒河下游湖积平原、花海灌区外围湖积平原、桥子、踏实及老师兔一带地下水中（表3-14、图3-14）。
表3-14 疏勒河流域地表水地下水δ18O、δD、T值变化对比表


三组δ值对应三个地下水及地表水空间分布，这种对应正是三区地下水形成及演化不同所致，水的环境同位素反映了地下水的分区及形成变化的规律性。第二组水是在第一组水的基础上经蒸发富集作用形成的，无论是δ18O，还是δD值都明显偏高；第三组水的形成年代有偏老的证据，与下游湖积平原地下径流滞缓、水循环交替缓慢的水文地质特征是吻合的。
玉门镇第三系砂砾岩中承压水的δ18O为-9.9‰，δD为-77‰，明显低于上覆第四系松散中地下水，这说明两层地下水水力联系较弱，T值亦有同样的规律，其T值小于2TU。在桥子、店子河上游、七道沟农场一带地下水中δ18O-δD值明显趋于疏勒河上游段河水同位素组成，结合河流在洪积扇的渗漏情况，认为它们是疏勒河经扇体渗漏在某些部位的排泄点。
为了对同位素的组成及分布有一个整体的认识，对所取的河水、地下水的δ18O-阳值进行了统计分析，疏勒河、党河、榆林河出山河水的δ18O-δD呈线性关系，其方程为：δD=7.52δ18O+2.30，（样数为9，r=0.999），地下水的δ18O-δD值大部分位于地表水的δ18O-δD值上方，说明地下水是地表水经蒸发富集作用形成的，地表水为地下水的主要补给来源。进一步分析表明，灌区内地下水的δ18O-δD均明显高于灌区外围地下水的，这与灌区引地表水灌溉入渗补给地下水有直接关系。据玉门-踏实盆地七道沟农场、布隆吉、双塔一带不同深度的取样分析结果，下部承压水的δ18O-δD值均偏低于上部潜水，这说明下部承压水的径流交替比上部潜水相对缓慢（表3-15）。

图3-14 疏勒河流域典型水样的δD-δ18O关系图

表3-15 不同深度地下水的δ18O、δD、T值比较


二、水的氚含量及其变化特征
水的氚含量是了解水形成时间和水交替条件的重要证据。依据氚含量的大小依次为：昌马洪积扇、党河洪积扇中上部地下水及疏勒河、党河出山河水氚含量大于20TU；桥子、踏实、老师兔一带，花海盆地，疏勒河下游伊塘湖、酥油土、玉门关、湾窑一带地下水氚值小于10TU；昌马洪积扇前缘泉水溢出带、双塔灌区、党河灌区地下水氚值介于10～20TU之间（见表3-14，图3-15）。对于取自不同深度的氚样品分析表明，深层水的T值明显低于上部潜水，且T-δ18O值呈有规律地分布于出山河水T-δ18O点左右侧一定范围，而与现代降水的T-δ18O值无明显关系，表明深层水的补给来源主要是出山河水。各层水均含有一定量的氚，说明有较好的混合。

图3-15 疏勒河流域典型水样的T-δ18O关系图

地下水地球化学是水文地质学的基础学科，最初以研究地下水的化学成分及其形成为主，以后逐渐发展至地下水成矿、寻找油气及有用矿床，如放射性铀矿、钾矿等领域，近代在与人类密切相关的生态地质环境领域中起着越来越重要的作用。
第30届国际地质大会有关地下水地球化学的论文内容涉及水岩平衡计算，建立模型以解释区域地下水的起源；农业灌溉水化学，特别是土壤和地下水盐碱化过程；沿海地区地下水的化学成分形成及演化过程；地热水化学以及核废料处理选址的水化学研究，加拿大专家发现可用铀元素浓度评价氧化还原环境并建立相应方法。在还原环境中铀元素的活性小，放置废料保险程度大。
同位素方法已成为水文地球化学中重要的有效手段，近年来获得较大进展。“当前研究的热门方向是对大型地下水盆地和岩溶水系统进行长期的综合（水质、同位素）监测研究。罗马尼亚在南道布鲁日灰岩山区建立了有50个台站的监测网。从1993年起已积累2年多2500组数据。每组数据包括物理、化学、生物、同位素指标共44项。通过数据分析，①圈出了污染敏感地段；②发现含水层深部存在硝化作用；③硝态氮中18O与15N都有识别氮污染源的重要功能。俄罗斯应用多种同位素研究地下水系统对人为污染的敏感性，已取得系统性成果”。中国从1985年开始对全国陆域大气降水（20个台站）进行连续监测。对大气降水氢氧同位素时空分布规律进行研究，并建成数据库，汇入国际原子能机构的全球大气降水氢氧同位素数据库。巴西首次测定了Parana盆地地下水中的氦同位素，应用氦总含量和3He/4He的比值（大气起源水为1.4×10-6，地壳水为10-7～10-8，地幔水10-5）两个指标可识别地下水起源，研究地下水流动途径和测定地下水年龄。

同位素的基本性质
答：6.1.1.2 同位素的分类 自然界的同位素按其原子核的稳定性可以分为放射性同位素和稳定同位素两大类。放射性同位素的原子核是不稳定的，它们以一定方式自发地衰变成其他核素的同位素。稳定同位素的原子核是稳定的，或者其原子核的变化不能被觉察。目前认为，凡原子能稳定存在的时间大于1017 a的就称为稳定...

原油的同位素研究
答：原油是由烃源岩中的生油物质干酪根经过复杂的地质地球化学过程演化而成的。原油的各种有机化学组分的同位素组成与干酪根的原始值存在不同程度的差别,差别的程度取决于油气成藏的条件与过程。了解影响原油的各种有机化学组分的同位素组成的控制因素及变化规律,对于厘定原油的成因类型,开展油源的对比,指导油气地质勘探具有...

天然物质的硫同位素组成
答：地球上有两个重要且硫同位素组成均一的地球化学库:①地幔,其δ34 S平均为 0,主要以还原形式存在;②海水,其现代δ34S平均为+20‰,以 的形式存在。大陆地壳的沉积、变质与火成岩中的硫,其δ34 S 可能大于或小于上述两库的值。各类天然物质硫同位素组成变化范围如图7-26 所示。 图7-26 各类天然物质硫同位素...

水的氢同位素测量
答：由国内4个实验室采用本法(包括锌法和铀法)对2个国家二级氢同位素标准物质[GBW(E)070016和GBW(E)070017]进行定值分析的数据,按GB6379—86的方法计算本方法的重复性和再现性,见表87.5。 表87.5 本方法对氢同位素组成的测定的重复性和再现性 注:表中给出的是95%置信概率下的绝对差值。 87.2.1.2 氢同位素测量金...

同位素的分馏作用
答：在物质中某元素的各种同位素的相对含量即为该物质中该元素的同位素组成。例如,水分子中的氧元素有三种同位素16O,17O和18O,这三种同位素在水中的相对含量即为水的氧同位素组成。 大量的研究表明,在不同物质中,各种同位素的含量不同,有的富含稀有(重)同位素,有的富含常见(轻)同位素,即使是同一种物质(例如大气降水)...

同位素地质特征
答：表3-24 秦岭岩区氧同位素不同矿物对温度计算结果 表3-25 本区花岗岩类氧同位素结果 (‰) 表中数据引自李石,1993。 华北陆块中部岩浆岩带太行岩区主要类型岩石和主要造岩矿物的δ18O值如图3-28所示。由此示意图可知,岩石的δ18O值变化范围较小,主要局限于8.2‰～8.8‰之间;各类岩石中同种矿物的δ18O值很接...

下水道垃圾分类方法
答：1.将生物质和食物残渣放在有机垃圾袋中：厨房垃圾是下水道中最常见的污染物之一。当你清洁剩饭剩菜、水果和蔬菜残余物时将它们放入有机垃圾袋中，从而减少下水道中的垃圾量。2.将可回收物品分门别类：可回收物品包括玻璃瓶、塑料瓶、废纸、铝罐、铁罐等。这些材料在垃圾桶中分类存放可以重新利用，同时...

锶同位素
答：但事实上,我们很难知道哪些因素直接控制了上述情况的出现,是锶同位素发生了分馏作用,还是其他富放射性成因锶流体的侵位混合作用?由于同位素分馏作用不是控制锶同位素组成变化的原因(Aberg et al.,1995),显然是其他富放射性成因锶流体的侵位混合作用控制了上述白云化过程中放射性成因锶的增加,导致不同类型白云岩(白云石...

同位素地球化学示踪
答：所测定的热液氢、氧同位素组成,实质上代表了不同来源的水与不同类型的岩石进行了水/岩交换后的结果,除了受原始水的氢、氧同位素组成影响外,成矿热液的氢、氧同位素组成还受其他因素影响,其中最主要的包括水/岩作用的温度、水/岩(W/R)比值和主岩的氢、氧同位素组成等,只有对这些因素进行系统研究后,才可能对成...

经验交流:下水道管渠内壁生物膜的形成及其特性
答：2.下水道生物膜的形成演化 下水道生物膜的出现与时间密切相关,不同水质的下水道中生物膜微生物的种类和数量及其表现出来的群落特征相差很大。据此,将下水道生物膜的形成演化划分为以下五个连续的阶段。 ① 附生介质(生物膜载体)表面性质的改变 不同材料的污水管道与原污水接触后,水中各种物质,如各种细菌微生物...