放射性同位素氚（T）和C在水文地质中的应用 放射性氚

一些元素同位素的原子核可以自发地以一定的速率进行蜕变，放出某种射线后形成新的原子核，这部分同位素称为放射性同位素。放射性蜕变是不稳定同位素原子核的一种特性，是由于原子核中中子过剩（即中子数与质子数之比大于1.5）而引起的，其蜕变还具有一定的规律性。

（一）放射性同位素的衰变（或蜕变）定律

根据卢瑟福和索迪的理论，在任一时刻内不稳定同位素原子核（母核）的衰变速率正比于当时尚未衰变的原子数N，当列入一个比例常数（衰变常数λ）之后，就有下列数学式：

水文地球化学基础

式中：dN/dt——母核原子数的变化速率，此速率随时间而减小，故在其前面加一负号；

λ——衰变常数，它表示天然放射性同位素在单位时间内衰变机率的大小；

N——当时尚未衰变的母核原子数。

将上式整理与积分后为：

水文地球化学基础

得-lnN＝λt+C

式中：lN是以e为底的N的对数；C是积分常数，它可以从初始条件t=0时N=N₀给出，

故有：

C=lnN₀

将其代入上式，则有：-lnN＝λt-lnN₀

整理后，

式中：N₀——初始放射性母核原子数（即t=0时刻的放射性母核原子数）；

N——t时刻剩余的放射性母核原子数；

λ——放射性衰变常数；

t——衰变时间；

e——自然对数的底数（e=2.71828182）。

（5-4）式为放射性同位素衰变定律的一般表达式。它表明原始放射性同位素原子核数（N₀）的减少是按指数规律进行的。

描述放射性核衰变的特征值是半衰期。所谓半衰期是指具有一定数目的放射性原子核衰变到一半时所花费的时间，通常以T表示，当t=T时，

代入上式得：

水文地球化学基础

另一个描述放射性核衰变的特征值是平均寿命。所谓平均寿命是指放射性原子的平均概率寿命，并用τ表示。τ被定义为：

水文地球化学基础

据前式—dN/dt＝λN，代入则有：

水文地球化学基础

又知

，则有：

水文地球化学基础

即τ＝T/0.6931=1.443T

由此可见，平均寿命τ就等于衰变常数的倒数，它是半衰期T的1.443倍，因此放射性衰变即可用半衰期，也可用衰变的平均寿命来描述，但通常多用半衰期来描述。在水文地质研究中常用的氚的半衰期为12.262年，¹⁴C为5568±30年。

在水文地质工作中，可以通过这种衰变作用来计算地下水的年龄。下面仅以在地下水中研究得较好应用得较多的氚（T）和¹⁴C这两种放射性同位素为例加以说明。

（二）放射性同位素氚（T）在水文地质中的应用

氚

是氢的一种宇宙射线成因的放射性同位素，发现于1939年，原子量为3.01605，衰变时发射出β^-射线，生成氦

。

水文地球化学基础

氚的半衰期是12.262年。β-射线的最大能量是0.018MeV（兆电子伏特），最小能量是0.0035MeV。氚在水中以氚水（HTO）形式存在，它是水的组成部分，随水一起运动。在天然水的循环中不会生成易沉淀的化合物，也不易被吸收，是最理想的天然示踪剂。

天然水中的氚是用液体闪烁计数方法测定的，一般用两种单位来度量，即放射性单位和浓度单位。测量放射性的基本单位用贝可（Bq）表示，它的定义为任何放射性核素只要每秒衰变数为1就称为1个贝可（Bq）。氚的浓度单位用氚单位表示，记作TU（Trit-iumunit）。1TU相当于在1×10¹⁸个氢原子中含有一个氚原子，即

水文地球化学基础

天然水中氚的主要补给来源有两个：天然氚和人工氚。

天然氚是在大气层上部由宇宙射线产生的快中子

与稳定的¹⁴N原子反应形成的。当¹⁴N与能量超过400万电子伏特以上的中子作用时，可产生

水文地球化学基础

人工氚主要由空中热核试验产生。据历史资料，1949—1950年大气降水中氚的平均浓度为5—10TU。1952年11月美国在低纬区进行的卡赛尔爆炸（核试验）之后14天，纽约的雨水中氚浓度为1240TU。1953—1963年，由于不断进行核试验，使大量人工氚进入空中，氚的浓度均大大超过天然背景值。1963年北半球大气降水中氚的浓度出现高峰值，可达数千TU。据统计，截止到1968年，由于核试验人们在大气圈内抛下了约220kg人工氚，而天然氚仅5—20kg（据R.Coppen,1969）。

大部分氚在同温层积累，形成氚标记水分子，逐渐扩散到对流层，并以大气降水的方式到达地面。因此，雨水、地表水和浅层的地下水中都含有一定量的氚。

近20年来积累的大量天然水的氚含量分布资料表明，北半球的大气降水中氚含量随纬度增高而增加，而且以每年春末夏初时最高。这是因为在同温层积累的氚，大多在春末夏初由北半球高纬度地区进入对流层，然后被大气降水带至地表的缘故。

河水中氚的含量取决于流域范围内大气降水中氚的含量，以及那里的地质、地理条件。一般说来，河水中的氚含量与当地的大气降水是相当的，但若在河水的补给量中，循环时间较长的地下径流占较大比重时，则每年氚含量高峰值的出现时间会有些滞后。

通过对地下水中氚的研究，可以解决下列水文地质问题：

1.计算地下水的年龄

在空中氚原子生成后，很快就同大气中的氧原子化合生成HTO水分子。然后，HTO与大气水混合并随之一起降落到地表，随普通水分子一起渗入地下，成为地下水的组成部分。由于氚的半衰期为12.262年，其寿命很短，在高空生成到进入地下成为地下水的一部分，在此过程中，氚在不断地进行衰变。也就是说，氚在水中的浓度在不断减低，特别是当氚进入地下以后，其浓度随地下水埋深的增加而减少。这样，根据氚自身的衰变而在地下水中的浓度不断减少的事实，客观上就起到了对地下水的地质计时作用。

用氚法测定地下水年龄称为氚法测龄。氚法测龄是通过测定地下水中氚含量（浓度）来计算地下水的年龄，其计算公式为：

水文地球化学基础

式中：t——地下水的年龄（储留时间）；

A₀——补给区降水输入的氚含量；

A——排泄点地下水输出的氚含量。

但是由于人工核试验破坏了氚的自然平衡，再加上含水层的埋藏条件十分复杂，致使降水输入含水层的氚含量在时间和空间上有很大变化，要想正确地确定原始氚的输入量（A₀）是比较困难的。在我国，缺乏1952年以来降水中氚含量的长期观测记录，更难以得到原始氚输入量的直接数据。此外，含水层中的地下水在径流过程中还可能发生弥散和混合作用，使地下水的氚含量与地下水储留时间之间的关系也发生改变。由此可见，式（5-7）的实际应用范围很小，它仅可以近似地应用于简单水流的年龄计算，否则必须加以修正。修正的方法有P.Huber等提出的数学模拟法和M.Kusakabe提出的衰减比率法等。另外，还可以用经验估算法来大致确定地下水的年龄。据国际原子能委员会（IAEA,1972）同位素水文小组的建议，根据地下水中氚含量的多少，来确定地下水的年龄：

氚含量＜3TU的地下水，从补给区到采样点大约是20年（1952—1972年）；

氚含量为3—20TU的地下水，含有少量热核试验生成的氚，地下水可能是1954—1961年间补给的；

氚含量＞20TU的地下水，是最近形成的。

水中氚含量的多少，与氚的来源有关，也与地区的自然地理及水文地质条件有关。在干旱少雨地区，大气中蓄积了一定数量的氚，导致雨水中氚的富集。蒸发作用强的地区，由于蒸发而引起水中同位素分馏减弱，因此有利于氚在地下水中富集。地层岩性同样也影响着地下水中氚的含量，在黄土状亚粘土和中、细粒砂岩含水层中氚的含量明显减少。

氚（T）法测龄只适用于测定浅部的较年轻的地下水，一般只在50年以内的水，而不适于测定时间较久的深部循环水。

2.确定地下水的流向和渗透速度

根据地下水中氚含量资料可作出氚含量的等值线图（图5-1），从图中确定地下水的流向，分析地下水的径流条件。在某些情况下，若能计算出不同取样点处地下水的年龄，那么还可以计算地下水的渗透速度。

3.确定地下水与地表水之间的水力联系

图5-1　1975年5月北京市区地下水氚含量等值线图

根据地下水中的氚含量及其动态，与地表水（或大气降水）的资料相对比，可以判断它们相互间补给关系，研究水的来龙去脉。在某些情况下还可以据此进行补给量的计算。

此外，通过测定氚的含量，还可以研究包气带水的运动状况及解决工程地质中的渗漏问题。

（三）放射性同位素¹⁴C在水文地质中的应用

自然界存在着六种碳的同位素（¹⁰C、¹¹C、¹²C、¹³C、¹⁴C、¹⁵C），主要有三种，它们的丰度分别为98.89%（¹²C）;1.108%（¹³C）;1.2×10^-10%（¹⁴C）。¹²C和¹³C是稳定同位素，¹⁴C是碳的一种宇宙射线成因的放射性同位素。自1934年F.N.D.Kurie在耶鲁大学首次提出¹⁴C的存在迹象以后，迄今，人们已¹⁴C有了清楚认识并对其进行了广泛应用。

¹⁴C是由于大气中N、O、C等稳定同位素原子在宇宙射线所产生的慢中子

与稳定的¹⁴N之间核反应产生的。其反应为：

水文地球化学基础

式中：P是由核反应发射出的一个质子。产生的¹⁴C原子将很快地被氧化并生成

，或者通过与CO₂（或CO）分子中的碳稳定同位素发生交换反应而存在于CO₂中。

分子随着气体的流动很快混合在CO₂中，并均匀地分布在整个大气圈。达到固定的稳定态平衡的浓度。这一平衡状态，一方面在大气中不断产生¹⁴C，另一方面又维持着连续的衰变。

¹⁴C在衰变时，放出一个电子（β^-）重新恢复成¹⁴N。其反应为：

水文地球化学基础

式中：β^-是β粒子；ν是反微中子；Q是终点能，等于0.156MeV（百万电子伏特）。

¹⁴CO₂分子通过光合作用和从根部吸收进入植物组织中。活植物中¹⁴C的浓度是通过从大气中的连续吸收和连续衰变来维持平衡的。草食动物食用植物或者动物通过大气圈或水圈吸收含碳离子或分子也获得恒定的¹⁴C，所以，整个生物圈中都含有¹⁴C。由于大部分CO₂溶解在海洋水中，形成含有¹⁴C的碳酸盐和重碳酸盐，一方面溶解，一方面又释放CO₂，二者相互转换。在海洋中部分CO₂被海洋生物吸收，二者之间又发生交换循环。由于上述情况，所以碳在整个大气圈—生物圈—水圈中交换循环。

通过对地下水中¹⁴C的研究，可以解决下列水文地质问题：

1.计算地下水的年龄

自然界中所有参加碳交换循环的物质都含有¹⁴C。但是，如果某一含碳物质一旦停止与外界发生交换，例如生物死亡或水中¹⁴C以碳酸钙形成沉淀，与大气及水中的二氧化碳不再发生交换，那么，有机体和碳酸盐所含¹⁴C将得不到新的补充，其原始的放射性¹⁴C就开始按照衰变定律而减少。根据放射性衰变定律，就可以计算出含碳样品脱离交换系统的时间。

为了研究地下水的年龄，还应当明确两点：

（1）系统应该是封闭的，没有其它放射性碳的补充。

（2）在关闭时刻，系统¹⁴C的放射性比度应该与同期大气圈中¹⁴C的放射性比度相同。

对于植物的遗体来说，关闭系统的概念是很容易理解的，即在它们死亡以后，被埋藏起来，停止了交换，系统也就被关闭起来。对于地下水中的碳酸盐或重碳酸盐来说，只有承压含水层才可能形成关闭系统。因此，计算地下水的年龄，主要是对承压水而言的。当大气降水进入地下，储存在承压含水层中，可以认为它被关闭起来，构成封闭系统，水中的¹⁴C不再得到外界补充。自大气降水进入地下以后，地下水中的¹⁴C就开始衰变。据此，来大致确定地下水的年龄。

具体计算地下水的年龄，可按下式进行：

水文地球化学基础

式中：t——地下水年龄（储留时间）；

T——¹⁴C的衰半期；

——地下水补给区¹⁴C初始放射性比度；]]

——待测地下水样品中¹⁴C的放射性比度。]]

，即地下水补给区¹⁴C的初始放射性比度。一般假定，

是一个常数，而且与大气圈中¹⁴C的放射性比度一致。即用地下水补给区大气降水中¹⁴C的放射性比度，来作为¹⁴C的初始放射性比度。

¹⁴C法测定地下水的年龄，一般可测得距今500—50000年以内的地下水年龄。

2.确定地下水的渗透速度

使用¹⁴C也可以确定地下水的渗透速度。基本方法是沿着地下水的流向选两个点（a、b），分别取水样测定其¹⁴C的含量，代入下式：

水文地球化学基础

式中：t_b——b点水样的年龄；

t_a——a点水样的年龄；

——b点水样中¹⁴C的放射性比度；]]

——a点水样中¹⁴C的放射性比度。]]

氢、氧稳定同位素在水文地质中的应用~

氧是地壳中丰度最大的化学元素，它和氢化合生成水（H2O）构成整个水圈。因此，研究氢和氧元素及其稳定同位素的分布及变化规律，对于解决某些地质、水文地质问题具有重大意义。氢有两种稳定同位素，氕 和氘 最常见的氧同位素有三种，即16O、17O、18O，它们都是稳定同位素。 的分子量是18,HDO的分子量是19， 的分子量是20。分子量不同的水分子，其物理性质和化学性质也有所不同。
（一）氢、氧稳定同位素的应用原理——克雷格（H.Craig）降水直线
自然界中由大气降水、地表水和地下水组成的天然水是一个统一的整体，它们通过蒸发、凝结、降落、径流、入渗、渗流和排泄等方式相互联系在一起，构成天然水的不同循环运动阶段。处于不同循环运动阶段的天然水，其氢、氧稳定同位素组成与含量因受复杂的物理化学作用，存在着明显的差异。
大气降水主要来自由海水蒸发形成的蒸汽团，在蒸汽团向大陆运移的过程中，由于不断地凝结、降水而引起同位素分馏，其结果使降水和蒸汽中的重同位素随之不断地变化。大气降水中18O和D的含量变化，随着自然地理条件的不同呈现出有规律的变化。这些变化规律分别称为温度效应、纬度效应、大陆效应、高度效应、季节效应、降水量效应和山体屏蔽效应。
1.温度效应
大气降水中D和18O的含量随气温的变化而增减，这种现象称为“温度效应”。地面或云层的温度升高，δ（D,18O）值随之增大；相反，δ（D,18O）值随之减小。
2.纬度效应
大气降水中D和18O的含量随纬度增加而减少，这种现象称为“纬度效应”。据统计，一般纬度效应大约为0.5‰/度（Yurtsever,1975）。我国由广州至北京，纬度差为15.42度，δ18O值差为3.68‰，纬度效应大致为0.24‰/度（郑淑蕙，1982）。
3.大陆效应
大气降水中D和18O的含量自海岸向大陆方向递减，这种现象称为“大陆效应”。海洋蒸汽团自海洋上空向大陆内部运动时，要经受多次的冷却和凝结，因此，大气降水中D和18O的含量自沿海到大陆内部越来越少。
4.高度效应
大气降水中D和18O的含量随海拔高度增加而减少，这种现象称为“高度效应”，其数值用“同位素高度梯度”来表示。高度效应与地形和温度的变化有关。实际上，高度效应是同位素温度效应的反映。不同地区同位素高度梯度的变化很大，这主要是由于不同地区气温高度梯度不一样造成的。例如，瑞士阿尔卑斯山的两个邻近地区，海拔632m处，每月降水的平均δ18O值相对最高，海拔1950m处，每月降水的平均δ18O值相对最低。在捷克和希腊也得到类似的结论。我国西藏东部和四川、贵州等地δ180的高度梯度为—0.31‰/100m，δD的高度梯度为—2.6‰/100m（中国科学院地球化学所，1981）。江西省庐山δ180的高度梯度为—0.16‰/100m。据现有资料表明，δ18O和δD的高度梯度变化范围分别为：—0.15—-0.5‰/100m和—1.2—-4‰/100m。而北京大学等单位测得喜马拉雅山区在5000—7000m之间，δD的高度梯度达—9.3‰/100m，显然，这大大超过了常见值，说明海拔高度越大高度效应就越明显。
5.季节效应
大气降水中D和18O的含量，受气温、湿度、蒸发和降水的影响呈季节性变化，这种现象称为“季节效应”。这是因为地球上的任何一个地区，温度、湿度和汽团运移等因素都存在有季节性差异，一般夏季气温高，δ（D,18O）值大，冬季气温低，δ（D,18O）值小。δD变化幅度为20—50‰，δ18O变化幅度为5—20‰，直接受海洋气候影响的地区，δ（D,18O）值的变化幅度较小。
6.降水量效应
大气降水量的大小对降水中D和18O的含量也产生影响，这种现象称为“降水量效应”。通常雨量越大，δ（D,18O）值越小。在世界大多数赤道附近的岛屿和中纬度的大陆地区，降水量与δ（D,18O）呈负相关关系。据有关资料表明，在赤道附近的岛屿地区，降水的月平均δ180值随月平均降水量的增加而减少，降水量每增加100mm，降水的δ18O值平均下降1.5‰。
7.山体屏蔽效应
大气降水中D和18O的含量，受山体屏蔽的影响而变化，这种现象称为“山体屏蔽效应”。一般在山体的背风坡，沿着云团运移方向，由于地形发生变化，云团由上升转为下降，温度升高，部分雨滴转变为蒸汽，结果在云团中δ（D,18O）值增高。山体越大，这种效应表现的越明显。
应当指出，上述影响降水中同位素组成的各种效应，对某一地区来说它们表现程度如何？以哪种效应为主？需作具体分析。
总之，水在蒸发与凝结过程中，所发生的同位素分馏作用是导致上述现象的主要原因。在水汽中，氢、氧稳定同位素组成的变化范围很大，δ18O=0——60‰，δD=+10——400‰。
经过克雷格（H.Craig）等人对全球各个不同温度区间大气降水中18O与D含量资料的分析研究，发现了它们的相关关系：
δ18O=0.695t-13.6（‰）
δD=5.6t—100（‰）
式中：t——地面年平均气温（℃）。
由上式可知，气温每降低1℃，δ18O值减少0.695‰，δD值减少5.6‰。
在此两个经验公式的基础上，可将大气降水中18O和D含量间的关系归纳为如下形式：
δD=aδ18O+b
式中：a——直线斜率；
b——直线截距。
斜率a可由下式求得：

水文地球化学基础

考虑到各种影响因素，克雷格（H.Craig）将大气降水中的D与18O含量之间的关系归纳为如下表达式：
δD=8δ18O+10‰　（5-9）
（5-9）式说明，对于全球性的降水来说，在大多数情况下直线斜率a=8，截距b=10‰。这一关系首先是克雷格（H.Craig）确定的，故称为克雷格方程。δD－δ18O关系直线称为克雷格降水直线（见图5-2）。
上面所讲的是大气降水的δD和δ18O的分布特征。对于河水、湖水及浅层低温地下水来说，由于它们都来自大气降水，故一般地也都具有上述规律性，它们的δD－δ18O关系大致与降水相同。
世界上各地的降水大都符合上述关系式，但在局部地区略有差异。如：
北半球的降水直线：δD=（8.1±0.1）δ18O+（11±1）‰；
非洲的降水直线：δD=（7.7±1.0）δ18O+（14±4.8）‰；
南美洲的降水直线：δD=（7.9±1.7）δ18O+（8±2.7）‰；
我国在1980年由北京大学根据北京、南京、广州、武汉、昆明、拉萨、乌鲁木齐等8个地区107个雨雪样品分析数据得出：
δD=7.9δ180+8.2‰
北京市的降水直线：δD=7.3δ18O+9.7‰
克雷格降水直线是利用氢、氧稳定同位素来判定和解决一系列水文地质问题的原理和方法基础，因此它是极为重要的。如果我们测出某地的地表水或地下水中的δD和δ18O的关系值是处于克雷格直线附近，这就意味着被测定的水主要补给来源是当地的大气降水。

图5-2　大气降水中δD和δ18O值间的关系，标准为SMOW（据H.Craig,1961）

（二）氢、氧稳定同位素在水文地质中的应用
1.探索地下水的起源与成因
地下水按其成因和生成环境可分为大气成因溶滤水、海相成因沉积水、变质成因再生水和岩浆成因初生水等四种类型。这四种成因类型的地下水由于其水的来源和生成环境的不同，在其氢、氧同位素的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δD和δ18O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δD和δ18O值的变化范围，由于情况复杂，各家的数据不统一。故仍是一个尚待研究和积累数据的问题。

表5-2　天然水中氢、氧稳定同位素的变化范围

有人根据近年来一些文献中提供出的数据，将各种成因类型天然水的氢、氧稳定同位素的δD和δ18O值变化范围进行归纳（见表5-2）。应该指出此表所列数据是粗略的，有待进一步修改。
2.判断地下水的现代补给来源
判断地下水现代补给来源的依据是克雷格降水直线。如果地下水有几种不同地区的降水补给，而且在不同地区这些降水的蒸发、凝结条件又不相同，那么就会在不同地区降水的δD-δ18O图上出现不同的斜率和截距。据此，就可判断出地下水的不同补给来源。
在不同地区的降水中，氢、氧稳定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加以说明。
科尼亚平原位于中东半干旱地区。为了查明该平原地下水的资源状况，曾对该平原地下水进行了同位素组成的研究。根据氢、氧稳定同位素组成测定结果，平原区上部潜水含水层中水的同位素组成为δD=8δ180+22‰，这刚好是地中海东部地区的大气降水直线；而平原内深部含水层中水的同位素组成为δD=8δ18O+10‰，这正是来自北部大陆地区降水直线，即来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。
3.确定含水层补给区的海拔高度
大气降水中δD和δ18O值与当地的海拔高度有关。据此可以确定含水层补给区的大气降水中氢、氧稳定同位素入渗的高度（即补给区的高度）。可用下式加以确定：

水文地球化学基础

式中：H——氢、氧稳定同位素入渗高度（或补给区标高）（m）;
h——取样点（井、泉）标高（m）；
δf——取样点地下水的同位素（δD或δ18O）组成；
δp——取样点附近大气降水的同位素（δD或δ18O）组成；
K——同位素高度梯度（n‰/100m）。
J.Ch.Fontes和B.Blavoux对法国埃维思地区的泉进行了研究。这个地区的已知参数是：
δp＝—9.25‰
δs＝—10.55‰
h=385m
K＝—0.3‰/100m
将它们代入（5-10）式，计算出含水层的补给高度为818m。
4.判断地下水与地表水的水力联系
地表水体由于其水面暴露在大气之下，因而存在着明显的蒸发作用，因此其D和18O含量总是高于大气降水和地下水。这样就可根据水中δD及δ18O值以及δD－δ18O图上的斜率来判断它们之间是否存在着水力联系。因为在通常情况下降水直线为δD=8δ18O+10‰，如果降水转为地表水并经过蒸发后，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。
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D和18O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问题的唯一可行手段。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。
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层承压水通过黄土状粘土弱透水层补给第四系砂层含水层潜水的可能性。本次研究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D含量的差异，最后判明承压含水层与潜水含水层无水力联系。
6.用于解决其它水文地质问题
氢、氧稳定同位素方法也用于对地下热水、油田水和咸水成因的研究，同样也用于确定各种来源水的混合比例，以及计算地下水在含水层中储留时间。如有人用研究油田水氢、氧稳定同位素组成来作为预测新油气藏的重要标志。
复习思考题
1.地质－水文地质学方法包括哪几部分？各部分有哪些内容？
2.什么叫同位素？天然同位素与人工同位素、稳定同位素与非稳定同位素有何区别？
3.什么叫同位素分馏？同位素分馏作用有哪几种？各有何特征？同位素的分馏程度用什么来表示？
4.什么叫同位素丰度、同位素比值和δ值？
5.试述放射性同位素衰变定律表达式的物理意义，半衰期和平均寿命表征了放射性同位素的什么特征？
6.放射性同位素氚和14C在水文地质工作中如何应用？
7.大气降水中18O和D的含量受哪些效应的影响？在这些效应中，哪个是最主要的？
8.什么叫克雷格降水直线？它在水文地质工作中有何作用？
9.在水文地质工作中如何应用氢、氧稳定同位素？

1.氚的起源
氖（3H或T）是氢元素的一种放射性同位素，其半衰期T1/2=12.623 a，原子量为3.016049。天然水中氖的浓度单位为“氖单位”，其代号为“TU”（tritium unit）。一个TU被定义为1 TU=1个氖原子/1018个氢原子，即在1018个氢原子中有一个氖原子。
氖在高空生成后，很快氧化成含氖水分子，成为大气水的组成部分，参与自然界的水循环。因此，氖是研究地下水现代渗入起源的理想示踪剂。
天然水中的氖主要有两种起源：天然氖和人工核爆氖。
（1）天然氖
高空宇宙射线与稳定的氧、氮作用产生：

水文地球化学基础


水文地球化学基础

式中：β—为电子流；γ—为光子流。
氖的产生与衰变可达到平衡。生成的氖氧化后形成氖水，然后以降水的形式降到地表，形成地表径流或进入地下水。
（2）人工氖
人工氖主要由空中热核试验产生，1952～1962年是热核试验的高峰期，产生大量的人工氖破坏了天然氖的平衡，例如：热核试验前，北半球大气降水中氖的含量为5～10 TU，而1963年北半球大气降水中氖的含量可达到数千氖单位。1963年后，空中核试验减少，大气降水中氖的浓度也减少。
与天然氖一样，人工氖氧化后形成氖水，同样以大气降水的形式降到地表形成地表径流或进入地下水中。
在环境同位素中，氖同位素的利用最早、最广泛。天然的氖同位素是宇宙线的中子和大气中的氮原子发生核反应，在大气层的上部形成，主要以HTO形式在自然界循环。天然水的氖浓度通常大约为10 TU。但由于1952年开始的世界各地核试验的影响，1953年起降水中的氖的浓度急剧增长，如图4—4所示，在1963年达到最高值，降水的氖浓度高达天然浓度的100～1000倍。随后，由于国际公约核试验的禁止，降水的氖浓度逐渐以指数形式递减，到1990年基本恢复到了天然水的浓度。氖同位素含量变化的大气降水，补给陆地表层系统中的土壤水、地表水和地下水后，这些水的氖同位素浓度必将发生大的变化。利用这些特点可以追踪水循环机理。另外，由于氖是放射性同位素，利用其衰减周期可以推算50年内水的年龄。滞留时间是研究水循环的基本概念，一旦算出滞留时间，就可以推算流域水资源的储存量、补给量及流出量。鉴于上述特征，氖同位素被认为是具有“时间情报”的示踪剂。

图4—4 东京和筑波大气降水的氖同位素变化

（据宋献方等，2002）
2.天然水中氚的分布特征
（1）大气降水
大气降水中的氖浓度具有以下分布特征：
季节效应 大气降水中的氖浓度具有明显的季节性变化特征，最大浓度一般出现在6～7月份，最小浓度在11～12月，这一点与δ18O、δD的分布规律一致。
大陆效应 对于同一纬度来说，靠近海洋的地区大气降水中氖的含量低于内陆地区，这一点与δ18O、δD的分布规律不一致。例如，沿海的烟台大气降水氖值为20 TU，到内地开封大气降水氖值为55 TU，就是受海洋上空贫氖的蒸汽的稀释，使烟台大气降水中氖值降低。
纬度效应 高纬度地区的氖含量高于低纬度地区。赤道氖值最低，两极最高，这一点与δ18O、δ2D的分布规律不一致。原因是：随纬度增高，中子流增高，产生的氖增加。例如，东南沿海降水中氖值为30 TU，往北到北京地区降水中氖值达到200 TU。
高程效应 大气降水中氖的含量随高程增加而增加，这一点与δ18O、δD的分布规律不一致。例如，瑞士泽尔马特地区，不同高程降雪的氖值为：T=289±48 TU（1620m），T=564±85 TU（3400m）。
雨量效应 同纬度地区，大气降水值随降水量的增加而减少，这一点与δ18O、δD的分布规律一致。
（2）地下水
地下水中的氖值及其变化取决于含水层的补给来源、埋藏条件及径流条件。
潜水和浅层的承压水属现代循环水，一般都有较高的氖值（30～40 TU）。而深层承压水不含或含极少的氖值（＜1 TU）。
现代循环地下水中氖值有以下特点：
1）氖值低于同期大气降水，其动态变化与补给来源有关，具有滞后变化现象。
2）在均质含水层中，地下水的氖值随深度的增加而减少，呈现出明显的垂直分带。
3）径流条件好的含水层中，地下水的氖值往往高于径流条件差的含水层中的氖值。
3.根据氚同位素确定地下水年龄
（1）根据衰变定律计算
由式（4—16）定量地计算地下水的绝对年龄并不是不可能。但由于以下原因，往往使这种计算难以取得较好的效果：①对于某一个地区来说，常缺乏氖的输入资料（氖含量的初始值a0），为了解决这一问题，常见的做法是用距该地区最近的观测站的资料，这种处理方法本身就带有一定误差；②在补给地下水之前，入渗的大气降水在包气带中进行了充分的混合，因此氖含量的初始值a0需要使用各次降水的加权平均值，这又使得地下水绝对年龄的计算进一步复杂化。
（2）定性方法
人们常根据大气降水中氖含量的变化特征，采用表4—2 所列的方法来估计地下水年龄。

表4—2 建立在氚含量基础上的地下水的近似年龄

（据Clark等，1997）
（3）根据氖衰变过程中所形成的氦含量计算地下水的绝对年龄
根据式（4—14），初始含量为3H0的氖，经过t时间后其剩余含量为：

水文地球化学基础

经过t时间后，由氖的衰变所形成的氦含量（3Het）就等于氖的初始含量与氖的剩余含量之差，即：

水文地球化学基础

由式（4—17）得：

水文地球化学基础

将式（4—19）代入式（4—18）得：

水文地球化学基础

氦的含量也用氖单位来表示。一般情况下，样品中的氦同时包括了天然大气氦以及由氖的衰变所形成的氦。对样品中来源于天然大气氦的那部分进行校正后，地下水的年龄便可使用下式来进行计算：

水文地球化学基础

该方法的优点是避免了对初始氖含量进行估计，其弊端是3He既不易取样又不易检测。
4.氚在水文地质中的应用
氖在大气层中形成氖水后遍布整个大气圈，对现代环境水起着标记作用。因此，利用氖可以计算50 a以内地下水的年龄，研究地下水的补给、排泄、径流条件，探索地下水成因，确定地表水与地下水之间的水力联系，测定水文地质参数等。在研究地下水的运动和弥散机制时，氖又是非常理想的示踪剂。
（1）计算地下水的年龄
氖是氢的放射性同位素。若大气降水输入含水层后，氖含量只按放射性衰变定律而减少时，原则上可根据含水层输出的氖含量计算地下水的年龄：

水文地球化学基础

式中：A0为补给区降水输入的氖含量；A为排泄点地下水输出的氖含量；t为地下水的年龄。
但是，由于人工核试验破坏了氖的自然平衡，再加上含水层的埋藏条件十分复杂，因而降水输入含水层的氖含量在时间和空间上有很大变化，要想正确地确定原始氖输入量（A0）比较困难。尤其我国缺乏 1952年以来降水中氖含量的长期观测记录，更难以得到原始氖输入量的直接数据。此外，地下水在径流过程中还可能发生弥散和混合作用，因而地下水的氖含量与地下水贮留时间之间的关系也会发生改变。
（2）确定地下水与地表水之间的联系
对比地下水和地表水（或大气降水）中的氖含量及其动态，可以判断它们相互间的补给关系、研究地下水的来源及径流途径，在某些情况下，还可以进行补给量（混合量）的计算。
（3）解决工程地质中的渗漏问题
在工程地质勘测中，氖可以作为寻找渗漏通道的有效天然示踪剂。如果地下水的氖含量与其补给区降水的氖含量及其变化趋势基本一致，说明含水层与地表水有较通畅的水力联系，尤其在岩溶地区氖示踪应用较广泛。

氢的性质
答：1．氢的构成及热物理性质 氢有三种同位素：原子量为1的氕（符号H）；原子量为2的氘（符号D）和原子量为3的氚（符号T）。氕（通称氢）和氘（亦称重氢）是稳定的同位素；氚则是一种放射性同位素，半衰期为12.26年。氚...

核废水含有什么放射性元素?
答：核废水含有多种放射性元素，其中最常见的是以下三种：氚（Tritium）：氚是一种放射性同位素，具有半衰期约为12.3年。它是核反应堆中的常见产物，也是核武器试验和核事故的产物。氚是一种较弱的放射性元素，但长期暴露可能...

同位素有哪些
答：例如：氢有三种同位素，氕（H）、氘（D，重氢）、氚（T，超重氢）；碳有多种同位素，12C、13C和 14C（有放射性）等。同位素具有相同原子序数的同一化学元素的两种或多种原子之一，在元素周期表上占有同一位置，化学性质...

同位素什么意思
答：例如：氢有三种同位素，氕（H）、氘（D，重氢）、氚（T，超重氢）；碳有多种同位素，12C、13C和 14C（有放射性）等。同位素具有相同原子序数的同一化学元素的两种或多种原子之一，在元素周期表上占有同一位置。化学性质...

元素是具有相同核电荷数(即核内质子数)的一类原子有哪些
答：具有相同核电荷数，在周期表上占据同一个位置。比如氢(H)的同位素就有：氕(P)，氘(D)，氚(T)β放射性；碳(C)的同位素就有：C-12，C-14β放射性；铀(U)的同位素有：U-234，U-235，U-238，均具有α放射性和...

氕、氘、氚的区别?
答：4、轻重不一样；氘为氢的一种稳定形态同位素，也被称为重氢，一般为D或2H。它的原子核由一颗质子和一颗中子组成。5、放射性不一样；氚是元素氢的一种放射性同位素 ，元素符号一般为为3H或T。它的原子核由一颗质子和二...

如何理解氕、氘和氚之间的联系?
答：最后，氚(T)被冠以超重氢的名号，它的原子核中多了一个中子，带有放射性，半衰期为12.43年。尽管在地球环境中极其稀有，主要源于核反应，但氚在热核反应中的重要性不言而喻。当宇宙射线撞击氘核时，氚的诞生预示着能量...

制取氚的详细方法
答：从以下三个方面进行不同方法的制取，如下：1、氚在自然界中存在极微，一般从核反应制得，用中子轰击锂可产生氚。2、在工业上，利用反应堆的中子，采用锂6化合物做靶材，生产氚，然后利用热扩散法，使氚富集至99%以上。3...

氚会不会生物富集
答：氚不会生物富集。1. 氚的特性与生物富集 氚是氢的同位素，以T或3H表示。它在自然界中很少存在，因为其半衰期非常短，仅为12.32年。由于氚的放射性特性和短暂的半衰期，它不容易在生物体内积累或富集。2. 生物对氚的...

日本为排水入海将试验用福岛核污水养鱼
答：核污水具有很强的放射性，会对生物的健康造成很大的危害。而核污水的过滤需要将其中的放射性物质过滤掉，但是，过滤掉的核污水依然有放射性同位素氚和放射性同位素碳14。碳14，是会对人类DNA造成损害的元素，其排入海中，...