水文地球化学

而质量数大于209的同位素绝大部分属于放射性
同位素。
按进入环 境的方式
人工施放同位素：专指在研究 过程中通过有目的人为投放而 进入环境的部分人工同位素
环境同位素：包括自然环境中原 本存在的天然同位素和在各种 人工核反应过程中，自然进入 天然环境的人工同位素
• 地下水中的同位素
水自身的氢、氧同位素 地下水中 的同位素
第四章 同位素水文地球化学
同位素水文地球化学，是直接或间接地应用水和水溶
物质中保存的与水体来源、形成环境和演化历史有关 的天然同位素信息，去揭示各种水体的成因、赋存条
件及演化规律 ,为查明水和水资源服务的学科。
地下水补给的更新能力及地下水污染程度
的评价是地下水资源可持续利用中的重要
问题。用环境同位素研究地下水补给和可
皖北地区深层地下水H、O同位素
委托编号 LY1 LY2 LY3 LY4 样品名称 地下水 地下水 地下水 地下水 δD（V-SMOW）‰ -64.0 -66.1 -63.6 -61.1 δ18O(V-SMOW)‰ -8.82 -9.05 -8.99 -8.67
LY5
LY6 LY7
地下水
地下水 地下水
利用放射性同位素技术测定地下水的年龄
利用放射性同位素示踪技术研究地下水
的运动规律，确定水文地质参数
临涣矿 区地下 水溶解 碳酸盐 碳氧稳 定同位 素关系
利用稳定同位素技术研究水中化学组分的来源
临涣矿 区地下 水氢氧 稳定同 位素组 成及混 合端元
位置
利用稳定同位素技术研究地下水的起源和形成过程
(1) 低温条件下的同位素分馏作用一般要强于高温条件 下的分馏，因此低温条件下的同位素分馏系数通常要 大于高温条件下的同位素分馏系数； (2) 稳定同位素的分馏程度与重轻同位素相对质量差的 平方成反比，这意味着原子核的质量数越大，其分馏 程度越低。例如，在相同的条件下，100Ru和101Ru之 间的分馏程度还不及10B和11B之间分馏程度的1%。
（三）同位素交换反应
同位素交换反应是指，在同一体系中，物质的化学
成分不发生改变(化学反应处于平衡状态)，仅在不同
的化合物之间，不同的物相之间或单个分子之间发 生同位素置换或重新分配的现象。 例如：大气圈与水圈之间发生氧同位素交换反应
2H 2 O O2 2H 2 O O2
18 16 16 18

δX-A ，δX-B ，δB-A 分别为样品对标准A、样
品对标准B和标准B对标准A的δ值。
三、同位素分馏
• （一）基本概念
同位素以不同比例分配于两种物质或物相中的现象
称为同位素的分馏。 例如：
16 蒸发相中富含 O 18 16 H2 O 18 16 H 2O 蒸发 . O / O O / O液 汽 18 18 H2 O 液相中富含 O 16
• 同位素丰度有相对丰度和绝对丰度之分
绝对丰度：是指自然界各种核素存在的总量，它 与组成核素的核子数量和结构有关，反映核素的 稳定性。
当原子序数Z<20时，N/P=1，核素最稳定，绝对丰
度高；
当20<Z<83时，N/P=1.5，最稳定；
当Z>83时，N/P偏离1或1.5，核素不稳定，绝对丰
度低。
3.千分偏差值（ δ值） δ值能直接反映出样品同位素组成相对于标准样 品的变化方向和程度。

例如：δ 18O = +10 ‰，表示样品中的18O 比标准 样多10 ‰。 定义δ值的目的在于：
① 因为自然界的稳定同位素组成的变化很微，
用δ值可以明显表示变化的差异；
② 便于全世界范围内数据大小的对比。
H、 O 水中溶质的同位素 C，S，Cl，N，Si，Fe， Sr…

地下水中的同位素分类：
地下水中的同位素
天 然 同 位 素
人 工 同 位 素
稳 定 同 位 素
放 射 性 同 位 素
人 工 施 放 同 位 素
环 境 同 位 素
二、同位素组成及其表示方法
同位素组成是指物质中某一元素的各种同位素的
相对丰度：指同一元素各同位素的相对含量。 例如大气中三个氧同位素的相对丰度是:
16O：99.763%； 17O：0.0375%；18O：0.1995%。
2. 同位素比值 (R)
指物质（样品）中某元素的重同位素与常见轻同位素
含量(或丰度)之比，即：
X* R X
式中X*和X分别表示重同位素和常见轻同位素含量。 1)绝对比率（R）：用两个同位素比值直接表示，
第一节

同位素基本理论
一、地下水中的同位素及分类
1、同位素的概念 元素 核素
同位素
• 1、同位素的概念
元素---原子核中质子数相同的一类原子的总称。 核素----同一种元素由于其原子核中中子数不同可 存在几种质量不同的原子，其中每一种原子称为 一种核素。 同位素---周期表中占有同一位置，其原子核中质 子数相同而中子数不同的某一种元素的原子，即
大量实测资料表明：价态和相态差别大的化学反应， 同位素交换反应更明显。
交换反应的特点：

A. 可逆反应；元素的各种同位素化学性质相同，只
在不同化合物或物相之间产生轻重同位素原子或分 子的重新分配，而不发生化学反应，交换前后系统
中的同位素原子或分子的总数保持不变；

B. 交换只限于同一体系中，不同物相或化学组分的
①在世界范围内居于该同位素成分变化的中间位置，可
以做为零点；
②标准样品的同位素成分要均一；
③标准样品要有足够的数量；
④标准样品易于进行化学处理和同位素测定。
为了准确的比较不同样品间同位素比值的变化，国
际上用统一的标准（表4-1）。 表4-1 O ,H，S，C国际标准
元素 O H 标准 维也纳标准平均海水 维也纳标准平均海水 美国亚理利桑娜州卡杨 迪亚布峡谷陨硫铁 美国南卡罗娜州白垩系 皮狄组箭石 代号 VSMOW VSMOW 同位素的组成
所含的重同位素越多。例如，对于各种相态的水来
说，δ18O固态水>δ18O液态水>δ18O气态水；
同位素动力分馏是偏离同位素平衡分馏的一类同位 素分馏现象。 在动力分馏过程中同位素在不同物质或物相中的分 配是随时间和反应过程而变化的。 例如：光合作用： 生物优先吸收
12C, 1H；
目前研究比较成熟的是同位素平衡分馏，其中最具 代表性的就是同位素交换反应和Rayleigh分馏
=1.0407,说明CO2比与其平衡的水富
含40.7‰的18O .
只要测得一个体系内两种物质的δ值，也可求得它们 之间的同位素分馏系数：
δA =［(RA/R标)-1］×1000
(RA/R标)= (δA /1000)+1
RA = ［(δA /1000)+1］. R标
同样: RB= ［(δB /1000)+1］. R标
例如RD =D/H R18O =18O/16O R34S =34S/32S 等
2)相对标准样品R的绝对比率差（ΔR）
ΔR = R样品 - R标准
3.千分偏差值（ δ值）
指样品的同位素比值 (R 样 ) 相对于标准样品同位素比值
(R标)的千分偏差，即：
δ(‰)=(R样—R标)/R标×1000 式中： R样—样品中的同位素比值 R标—标准中的同位素比值 若 δ(‰)>0 δ(‰)<0 表示样品比标准富含重同位素 表示样品比标准富含轻同位素

对富D和18O。
两种物质（或两种不同相）之间，同位素分馏程 度用两种物质中同位素比值之商表示：
A B
R A , RB
式中： A B —A，B 物质或相中的同位素分馏系数，
—A，B 物质或相中的同位素比值，
RA RB
A B 1，说明A物质比B物质富含重同位素； A B 1， 则说明B物质比A物质富含重同位素； A B 1 ，说明A、
(3) 对于氧化还原反应，平衡分馏使得重同位素通常 趋向于在高氧化态的组分或化合物中富集。例如，
SO42-一般要比硫化物富含34S，CO2一般要比 CH4中
的13C含量高，反硝化作用常使得残留NO3-中14N和
18O的含量同步增大。
(4) 对于同一化合物的不同物相态或同一元素的不同
组分，一般来说物质的密度越大，平衡分馏就使其
B物质中的重同位素含量相同。
• 例如： CO2—H2O系统中氧同位素分馏系数
C O2 H O C O2 H O
16 18
18 2
16 2
CO H O
2 2
RCO2 R H 2O

( O / O) CO2 ( O / O ) H 2O
18 16
18
16
co 25℃时，
2 H 2O
更新性，追踪地下水的污染是当前国内外
较为新颖的方法之一。
同位素技术技术在水文地球化学领 域的应用
利用放射性同位素技术测定地下水的年龄；
利用放射性同位素示踪技术研究地下水的运动规
律，确定水文地质参数；
利用稳定同位素技术研究地下水的起源和形成过 程； 利用稳定同位素技术研究水中化学组分的来源；
-61.7
-52.6 -56.5
-8.30
-6.53 -7.52
LE1
LE2 LE3
地下水
地下水 地下水
-60.5
-62.2 -62.4
-8.30
-8.40 -8.86
样品的δ值可通过质谱仪直接测得，但δ值的大小与选
用的标准样品直接相关。
同位素分析资料要能够进行世界范围内的比较，就必须
建立世界性的标准样品。世界标准样品的条件：