同位素水文地质概论

同样开始关注含水层的古气候信息储存问题，１９９２ 年在美国的拉蒙特－多尔蒂地质研究所
（ＬＤＧＯ），就含水层作为古气候档案的潜力召开了三天的讨论会，指出重要的问题是地下水
测年和古气候变化指标的选取。分别在英国、澳大利亚、美国、法国、前苏联、泰国等地开
展了相应方面的研究。此方面的研究目前处在发展阶段。
２×１０６
亲水的，适用于古老地 Ａ０ 的确定 下水，受化学作用影响 不同来源
地壳
小，适用．
加速质谱计
Ｕ ２３４／２３８ ２．５×１０５ 铀系元素链衰变 ５×１０５
适用非常古老地下水 Ａ０ 的确定 化学作用解释
１８Ｏ 稳定的
自然
１０５
一般适用
非平衡分馏
３２Ｓｉ １０５
目前在地下水测年研究中存在三大问题：一是对地下水年龄的真正内涵不清楚；二是 将测年简单理解为数据获取；三是认为年龄不可信。地下水的年龄不同于岩石或矿物的年龄， 地下水处在不断运动且与流经介质相互作用着。确切地说没有任何一滴水是由单一年龄的水 构成的，实际上测得的是组合水年龄的平均值，其精度受测年方法、研究对象和取样过程的 制约。常用的各种环境同位素方法，各有最佳适用范围，选择时应与具体问题及地质、水文 地质条件相结合。地下水测年不应是简单的取样、分析、获取数据，而应当是精心设计、周 密分析和综合判断。这就要求水文地质学家既要掌握环境同位素理论，又必须熟知自已专业 领域的知识，尤其是区域水文地球化学的知识和现代水－岩作用理论。
3.2 地下水 14C 测年
14C 是元素碳的放射性同位素，半衰期为 5730a。自 1949 年 Libby 提出可用天然 14C 测 定年龄以来的 50 年间，获得极大发展。1957 年德国学者 K.O.Munnich 首次提出用 14C 测定 地下水年龄，而后逐渐被推广，在应用中不断得到改进和完善。是目前地下水测年中应用最
在解释 14C 测年资料时 （Geyh 和 Bachhaus 1979、Pearson 和 Andres 等 1983，Frohlich 等 1987，Phillips 等 1989），人们主要采用质量传输模型或仍采用活塞流模型，假定水动力 条件十分简单。近几年地下水中稀有气体古温度测定研究也证明，地下水动力条件是测年的 决定因素。由于地下水大量开采，在某些超采区发现地下水 14C 年龄往往是抽水时间的函数， 是什么原因导致 14C 变化还不十分清楚。这种变化有利于重建初始 14C 含量，可否用于水文 地质概念的发展等问题都有待深入研究。回顾几十年的研究，所用测年核素的水文地球化学 和水动力混合作用是制约测年发展的两大问题。若想获得好的成果就必须将测年纳入科学研 究的全过程之中。
地下水环境同位素研究进展
孙继朝① 贾秀梅
（中国地质科学院水文地质环境地质研究所，石家庄 ０５００６１）
摘要： 在回顾国内外地下水环境同位素研究的基础上，对影响我国环境同位素技术发展的主要问题进行了 初步分析。针对地下水勘查、监测任务和全国地下水资源及其环境问题调查评价项目需要，强调环境同位 素技术研究应从国情出发，注重与世界先进技术和全球性水循环研究计划的接轨；重点放在地表水、地下 水之间及含水系统不同含水层之间的相互作用及其变化过程分析的技术开发上。在实施地下水勘查与监测 项目的过程中，逐步实现环境同位素技术应用的规范化、标准化和系统化。
关键词： 地下水 勘查与监测技术 环境同位素 规范化 标准化
１．引言
近 ５０ 年发展起来的环境同位素技术为地下水的深入研究提供了新的手段。尤其在地下 水形成及其变化的分析上提供了新的信息。环境同位素水文地球化学就是通过研究地下水中 天然同位素的组成、分布和变化规律，并运用这些规律解决各种水文地质问题。
广，也是较成熟的方法之一。 早期的工作主要是围绕 14C 成因和运移展开。已查明 14C 主要由宇宙射线与大气中元素
N、O、C 的稳定同位素发生核反应而产生，最重要的是慢中子与 14N 的反应。随后 14C 与 氧反应成为大气圈 CO 和 CO2 的一部分，参与全球碳循环进入水圈和生物圈。通过生成、衰 变达到相对稳态的平衡浓度。当吸收 14C 的植物和动物死亡后，其体内的 14C 含量随时间而 降低，这时 14C 成为一种理想的“时钟”，我们就可以利用 14C 来测定它们“死亡”以来的 时间。地下水主要是由大气降水补给的，在形成过程中溶入了含一定量 14C 的 CO2，同时， 它也进入了与大气相对隔绝的非交换库。水中所含碳物质的形成和水运动的影响成为 14C 测 年中的两大问题。早在 1958 年 Eriksson 就提醒人们在地下水测年中多注重水动力混合问题； Pearson 等 1964 年讨论了碳化学对 14C 测年的影响，认为水中重碳酸和溶解 CO2 的初始 14C 含量具有决定性影响。在其后的 20 年里，研究基本围绕地下水中溶解无机碳的形成及对测 年的影响而展开，先后有 Vogel(1970)、Tamers(1975)、Mook(1972,1977)、Wigley(1977)、 Ingerson 和 Pearson(1978)、Plummer 和 Pearson(1978)、Reardon 和 Fritz(1978)、Fontes(1979)、 IAEA(1983)、Geyh 等(1980,1984)、Zuber(1986)等提出了多种校正模型。这些模型探索了解 决水中总溶解无机碳形成过程中产生的化学作用及同位素交换混合作用等问题。有力地推动 了地下水 14C 测年技术的提高。但也带来了混乱，正如已故前 IAEA 同位素水文处领导人 Fontes 在一篇综述性文章中所提出的，“没有一种模式是通用的”，人们在大量的模式面前感 到迷惑，对方法本身产生了怀疑。
第一作者简介：孙继朝， 男， 1957 年生， 研究员，从事水文地质、环境同位素研究。
表 1 可用于地下水测年的环境同位素
同位素 半衰期(a) 或过程
起源
测年域 (a)
质量
限制
３Ｈ １２．３１
宇宙射线
１９５２ 年以来 性能理想
不同来源
热核试验
通常适用
模型选择
反应堆
时间域短
系列资料
Bath(1979 年)和 Phillips(1989 年)等的研究认为，pH 介于 6－8 的低矿化地下水，水岩作 用很难改变水的年龄。Geyh(1991 年)将同一批资料用不同模型进行对比计算分析，得出结 论是：在地下水接受补给的一万年内，校正年龄沿斜率为 1 的相关线分布，随后受水岩作用 控制，而不再有大的波动，校正年龄趋于恒定，并且发现各种模型产生的误差随模型参数增 多而趋于复杂，计算误差累计增加，结论是校正值的产生部分来自模型本身，并非天然的水 岩作用。
５×１０５
适用古老地下水
待研究手段
４Ｈｅ 聚积速度 稳定的
≈１０５
补充手段，存有问题 非持恒的
８５Ｋｒ １０．８
核反应堆与 １９６０ 年以来 无互相作用
分离过程复杂计数时
核电站
间长
１２９Ｉ １５．７Ｍａ
宇宙射线
３－８０Ｍａ 运用于古老地下水 地下产生和岩石同位
宇宙射线 热核试验
≈１０００
衔接 ３Ｈ，３９Ａｒ 和 １４Ｃ，存有 Ａ０ 值确定
问题．
样量达 １０ｍ３
地壳
计数时间长
３９Ａｒ ２６９
宇宙射线
≈２０００ 不受化学作用影响可 分离过程复杂样品达
地壳
与 １４Ｃ 作对比，适用 １０ｍ３ 计数时间长
８１Ｋｒ ２．１×１０５ 宇宙射线
3．最常用的环境同位素测年方法
3.1 氚法测年
氚是氢的放射性同位素，半衰期为 12.31a，在大气中受宇宙射线作用导致核裂变而产生， 在高纬度地区降雨的天然背景值为 25TU，在赤道带小于 4TU（1TU 相当于 1018 个氢原子中 有一个氚），氚氧化成水进而参与水循环。氚法测年由 Libby(1953)提出，可测定 100a 内的 水年龄，测年精度往往好于±5-10%。地表核试验使降水氚含量高出近 3 个数量级，为地下 水补给研究提供了可能。随着分析技术发展，氚测年技术被广泛应用，且取得若干好成果。 正如上述，该方法属对人工核试验污染氚的示踪调查，在方法应用中常遇到的问题就是自 1953 年以来大气降水氚背景系列资料问题，尽管国际原子能机构（IAEA）和世界气象组织 (WMO)自 20 世纪 60 年代初就在世界范围内建立了较完善的观测网，取得较系统的观测数 据，但我国直到 80 年代中期才建立起自已的观测网，为我国应用研究提供基本条件，但仍 缺少历史资料。关丙钧等曾提出利用相关外推方法恢复历史降水氚系列，我国若干学者都先 后对特殊地区进行恢复。70 年代以来全球性核试验减少，大气降水氚含量呈指数递减，近 几年渐渐趋于自然背景值，对应用来说增加了困难，在国外逐渐发展起来的 3H－3 He 法等 在我国基本还没有开展工作。虽然氚测年存在问题很多，但是，归纳起来主要有两条，一是 系列背景资料缺乏，二是实验分析质量还有问题。如果分析质量可靠，在对水文地质结构认 识清晰的基础上,氚法仍是年轻水年龄界定的较好手段，且对认识新老水补排关系至关重要。
在地下水环境同位素的研究中，地下水的环境同位素测年是其中最重要的研究内容之 一。依据国际原子能机构（ＩＡＥＡ）编著的“地下水水文学中的同位素技术”论文集和有关专 著，可用于地下水测年的环境同位素方法列表示出（表 １），对各种同位素半衰期、可测年 范围、方法的局限性等一并在表中示出。
我国的环境同位素水文地质研究工作始于 ２０ 世纪 ６０ 年代末 ７０ 年代初，８０ 年代至今得 到较大发展，比较有代表性的研究要属对河北平原地下水的环境同位素研究。在河北平原， 先后有刘存富等、张之淦等在 ８０ 年代的研究，初步建立了第四系地下水环境同位素组成剖 面；孙继朝、齐继祥等，姚足金、陈宗宇等在 ９０ 年代的研究，提出地下水储存有古气候变 化和环境演化信息等的新认识；在同期哈承佑等在长江三角洲地区地下水的研究，新疆地矿 局、岩溶地质研究所等在天山山前冲洪积扇区地下水环境同位素的研究，李文鹏等在格尔木 地区地下水环境同位素的研究等提供了中国北方可对比的环境同位素剖面，对推动我国地下 水同位素测年等方面的研究提供了范例，为今天的研究奠定了良好基础。由于受经济技术条 ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿