同位素水文地质学
同位素水文地质学
同位素水文地质学是一门研究地下水动态变化的科学。
它利用同位素技术来研究地下水的成因、流动规律和演变过程。
同位素是指具有相同数量的质子和中子，但不同原子量的同一种元素的不同种类。
例如，氧气中的氧-16和氧-18就是两
种同位素。
地下水中常常含有许多同位素，如氧-16和氧-18。
这些同位素在地下水中的相对含量可以用来研究地下水的成因和演化过程。
例如，氧-18在地下水中的相对含量可以用来研究地下水的年龄和来源。
如果地下水中氧-18的含量较高，则可能来自古老的地下水；如果氧-18的含量较低，则可能来自新近形成的地下水。
同位素水文地质学还可以用来研究地下水的流动规律。
例如，如果地下水中同位素的比例发生变化，则可能表明地下水正在流动。
这对于研究地下水的运动路径和速度非常有帮助。
同位素水文地质学还可以用来研究地下水的质量变化。
例如，如果地下水中同位素的比例发生变化，则可能表明地下水的质量正在发生变化。
这对于研究地下水的质量变化趋势和预测未来变化趋势非常有帮助。
同位素水文地质学的研究方法包括对地下水中的同位素进行测量和分析，并利用计算机模拟和数学模型来研究地下水的动态变化。
这需要使用专门的仪器和技术，如质谱仪和氧同位素分析仪。
同位素水文地质学在水资源管理、水环境保护和水资源开发等领域有着广泛的应用。
它可以帮助我们了解地下水的流动情况，从而有效地管理和保护地下水资源。
总的来说，同位素水文地质学是一门重要的科学，它利用同位素技术研究地下水的成因、流动规律和演变过程，为我们管理和保护地下水资源提供了重要的理论和技术支持。
同位素与水文
(c)
深度 (cm)
完熟期
-80 -70 -60 -50 -40
-10
-8
18
-6
-4
-2
0
O (per mil)
D (per mil)
夏玉米茎水的18O或D 土壤水的18O或D
土壤含水量
28
土壤-植物-大气系统中的氢氧同位素
• 分割蒸散发
（同位素贫化）
29
9.4 13C效应，也就是大气降水的同 位素组成随远离海岸线逐步降低
15
大气降水同位素特征
• 研究大气降水同位素特征有什么意义？
o 利用同位素研究流域水循环的基础
• 地表水、土壤水及地下水从降水中“继承”了氢氧 同位素特征，并在水循环过程中发生改变
o 分析区域降水水汽来源
• 不同水汽来源的降水氢氧同位素特征不同
12CO 2 13CO 2
植物体内的δ13C相比空气CO2是大还是小？
35
光合作用中13C同位素分馏原理
• 植物体内的δ13C的影响因素
o 降水
• 降水少，植物体内水分少，气孔变小，植物体内 CO2分压减小，δ13C分馏减小，δ13C值变大
o 温度
• 温度高，植物蒸腾作用强，气孔变大，δ13C值变小
o 从以上资料可看出，大气降水的同位素组成与 当地气温的关系密切，且呈正相关变化，但不 同地区变化差异很大。
13
大气降水的同位素效应
• 纬度效应
o 从低纬度到高纬度，随着温度的降低，降水的 重同位素逐渐贫化
14
大气降水的同位素效应
• 季节效应
o 不同地区由于温度、湿度和气团运移等因素存 在季节性的变化，因此降水的同位素组成也会 有季节性的变化。
00绪言同位素地质学
地幔中的水
深部层圈
绪 言
赋存于地面以下岩石空隙中的水 （土层） 研究对象：研究地下水的科学
水 文 地 质 学 概 念
研究内容 （任务）
研究与岩石圈、地幔、水圈、大气圈、生 物圈以及人类活动相互作用下地下水水量 和水质的时空变化规律，以及对各个圈层 所产生的影响；
并研究如何运用这些规律和影响去兴利除 害，为人类服务
绪 言
早期有关地下水的“研究”
在古希腊和古罗马文明中，哲学家和科学家已经考虑所谓 的“地下水”，他们为降水停止很长时间后的干旱季节的泉水 和河流中的水流所困惑。柏拉图（公元前427～347年）和其 它哲学家提供了一个答案：他们认为地下水源于与海洋联通的 洞穴。借助于波浪的运动，海水从海洋送到这些洞穴中，再从 洞穴送到泉水和河流。他们假设，地下纯化过滤了海水中的盐 分，以解释泉水和河水是淡水。
法证实，暂时被冷落。
入渗说：与此同时，美国的兰（ne）、戈登 （W.C.Gorden）俄国的安德鲁索夫（N.I.Andrusov）分别提出 了埋藏水（沉积水）的存在。这些水是与沉积物堆积同时存在 于岩石孔隙之中的，粘性土固结压密时可能将水释入周围含水 层中。 18世纪德国水文学家福利盖尔反对入渗说，提出了凝结说， 认为水汽冷凝为液态水是地下水的主要来源。无法证实，被放
井涌水超过正常排水能力时，就造成矿井水灾，通常也称 为透水。（人为不慎凿穿）
绪 言
2）地下水过量取用、地下排水不当引发的地质环境问题 地面沉降 过量开采，地下水位下降，土层压缩，地面沉降
露天矿井大量排水引起地面沉降、开裂和塌陷等地质灾害
绪 言
海水入侵
海水入侵是海水渗入沿海（滨湖）地区地下含水层的现象。 源于“人为超量开采地下水造成水动力平衡的破坏”。 海水入侵使灌溉地下水水质变咸，土壤盐渍化，灌溉机井 报废，导致水田面积减少，旱田面积增加，农田保浇面积减少， 荒地面积增加。最严重的会导致工厂、村镇整体搬迁，海水入 侵区成为不毛之地。
同位素水文地球化学
第四章同位素水文地球化学环境同位素水文地球化学是一门具有良好的前景、发展迅速的新兴学科，也是水文地球化学的一个重要分支。
目前，地下水资源可持续利用中的重要问题是地下水补给的更新能力及地下水污染程度的评价。
用环境同位素技术研究地下水补给和可更新性，追踪地下水的污染是当前国内外较为新颖的方法之一。
目前世界上许多国家已将同位素方法列为地下水资源调查中的常规方法。
近年来，国内外环境同位素的研究从理论到实践都有较快的发展。
除了应用氢氧稳定同位素确定地下水的起源与形成条件，应用氚、14C测定地下水年龄，追踪地下水运动，确定含水层参数等常规方法外；在应用3H-3He、CFCs示踪干旱、半干旱地区浅层地下水的补给，应用14C、36Cl确定深层地下水的年龄，追溯地下水的入渗史，应用34S研究地下水中硫酸盐的来源，分析地下水的迁移过程，应用11B/10B研究卤水成因等方面都有重要进展。
4.1 同位素基本理论4.1.1 地下水中的同位素及分类我们知道，原子是由原子核与其周围的电子组成的，通常用A Z X N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：A=Z+N( 4-1-1 )为简便起见，也常用A X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。
水文地质勘查技术手段-同位素技术与勘查技术手段选择课件
物探
都适应
遥感
都适应
应用条件 掩盖程度
暴露、半暴露 暴露、半暴露
都适应
都适应 都适应
施工条件
优缺点
都适应
简单易行
都适应
成本低、见效快
水源好、交通 方便
效果好，投资大
交通方便、地 效率高、成本低，效
形平缓
果差、难掌握
都适应
效率高、成本高
• 总结： • 同位素技术 • 勘查技术手段的选择（重点）
掩盖程度 暴露区 半暴露区 半掩盖区 掩盖区
4.施工条件
勘查技术手段的选择 地质填图（为主）+坑探工程（少量）+钻探工程（少量）
地质填图+坑探工程（较多）+钻探工程（少量） 重型坑探工程+地质填图（少量）+物探+钻探工程
物探+钻探工程
施工条件主要是指勘查区的交通、水源、电力等条件会影响勘查技术手段的 选择，如交通、电力、水源不便，则不太适宜选择钻探手段。
1.水文地质勘查阶段
勘查阶段
勘查技术手段的选择
普查 水文地质测绘为主，配合少量的物探、坑探、钻探和试验工作
详查
大中比例尺的水文地质测绘为主，配合少量的钻探、试验和一 定时期的地下水长期观测工作
勘探
钻探及试验为主，并要求进行全面的室内实验及一年以上的地 下水动态观测
开采 水源地开采动态的研究，必要时辅以补充勘探、专门试验等
自然界中某些元素常见多种同位素，如氧有16O、17O、18O三种同位素 ；氢1H、2H、3H三种同位素等。
同位素可以分为放射性同位素如14C、3H等和稳定同位素，如13C、12C、 1H、2H、16O、17O、18O等。地下水中稳定同位素成分及其含量变化，主 要是由于地下水在埋藏和循环过程中因地球物理、地球化学和生物化学作 用发生的同位素分馏作用引起；放射性同位素的成分及含量变化主要是由 于核物理作用引起的放射性衰变作用形成。
同位素在水文地质研究中的应用与发展
示踪 剂稀 释测 井 。把 放射 性示 踪剂 放到 一定 深度 的 钻 孔或井 孔 中 ， 当滤 水管 中 的水 柱 被示踪 剂标 记后 ，
被标记的地下水主要沿着地下水水流方 向， 以一定
的流散 角 被地 下 水带 至 孔 外含 水 层 中而 稀 释 ， 稀 其
释速 度 与地 下 水渗 透 流速 有 关 ， 漂 移到 含 水 层 中 而 的示踪剂 放射性 晕 反射 回来作 用于 孔 内 。其 方 向各 不 相 同 ， 强 的方 向相 对 应 于地 下 水 流 出滤 水 管 的 最
１ １ 人 工 放 射 性 同位 素 的 应 用 ．
同的 一 组 核 素 ， 括 放 射 性 同 位 素 （ ａ ｉａｔ ｅ 包 Ｒ ｄｏ ｃｉ ｖ ｉ ｔｐ ） ｓ ｏ ｅ 和稳 定 同位素 （ｔｂｅ ｓ ｔｐ ） 凡能 自发地 ｏ Ｓａ ｌ ｉｏｏ ｅ 。
人工 放射 性 同位素 法是 人为 地将 某些放 射性 同 位素添 加到某 体系 、 环境 中， 然后通 过 测定地 质体 中
所添加 的 同位 素 的丰度 在各 个方 向上 的变化 特 征来 研 究该体 系 的特征 ， 如常 用 的¨Ｉ。 ｒ 。常 用于 水 、 Ｂ 等 。 文 地 质参 数 （ 如地 下 水 的渗 流 速 度 ， 石 的渗 透 率 、 岩 裂 隙度等 ） 的测 定 、 下水 污染 示踪 和研 究坝 体渗 漏 地 等 方面 。
１ 近２ ０余年 同位 素在 水文 地质 研究 中的应 用 目前 ， 位 素水 文 地 质学 主要 从事 研 究地 下 水 同 及土壤污染问题、 地下水循环与演化、 水文地质勘察 技术 与方 法 、 水文地 质野 外 实验技 术 、 文地 球化 学 水 信息技术以及其它与水文地质环境相关研究领域。 以下 将从 人工放 射 性 同位素法 和 环境 同位素法 两个 方 面简 要 介 绍 同位 素在 水 文 地 质 研 究 中的 典 型 应
同位素水文地质概论
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
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。
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。
同位素示踪技术在水文地质学中的应用
同位素示踪技术在水文地质学中的应用一、引言水文地质学是研究地下水和地质构造之间相互作用的学科，同位素示踪技术是一种研究地下水流动和地下水污染传输的有效手段。
本文将详细介绍同位素示踪技术在水文地质学中的应用。
二、同位素示踪技术概述同位素示踪技术以自然界中存在的同位素为研究对象，通过对同位素进行监测、分析，来了解环境的物质与能量循环和转化过程。
其中比较常用的同位素有氢同位素（2H，称作氘）、氧同位素（18O、16O）、碳同位素（13C、12C）、氮同位素（15N、14N）等。
同位素示踪技术在水文地质学中的应用主要涉及氢氧同位素示踪、碳同位素示踪和氮同位素示踪等方面。
三、氢氧同位素示踪氢氧同位素示踪利用地下水中氢氧同位素比值的空间差异，研究地下水的来源、流动路径和补给特征。
其原理是：不同区域的地下水来源，其水分子中氢氧同位素比值是不同的。
通过测定地下水中氢氧同位素比值，可以判断地下水的补给源区和补给方式，进而对地下水补给机制、地下水与地表水的关系等进行研究。
氢氧同位素的测定主要采用同位素比值质谱仪（Isotope Ratio Mass Spectrometer，IRMS），通过测定样品中特定同位素的质量比，计算出其同位素比值。
同时，为了确定样品中同位素比值的精确度，通常采用同位素标准物质进行校正。
四、碳同位素示踪碳同位素示踪主要应用于研究地下水中有机和无机碳的来源及其转移特征。
碳同位素示踪的基本原理是：不同碳来源的同位素比值存在区别，通过测定地下水中有机和无机碳的碳同位素比值，可以推测其来源和服务的地质环境。
常用的碳同位素有自然含量的13C和12C。
在研究地下水中有机和无机碳来源的过程中，13C和12C的变化可以反映生物活动和化学反应的影响。
例如，如果地下水中有机碳主要来自植物残渣，其13C/12C比值应该相对较高；如果来自生物和人类排放物，则其13C/12C比值会比较低。
碳同位素的测定方法包括气相色谱-质谱联用技术（Gas Chromatography-Mass Spectrometry，GC-MS）和元素分析仪（Elemental Analyzers，EA）。
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重庆
利用2006年5月至2007年4月期间的δD、δ18O数据，建立了当地大气降
水线方程(LMWL): δD =8.73δ18O+ 15.73，相关系数r= 0.97。
相对于全球以及中
国大气降水线斜率与截距都偏大。
这是由于该大气降水线的数据建立在次降水
的数据基础上，由于“降水量效应”（淋滤效应），即多次降水过程，同位素分
馏作用会导致残余水汽中稳定同位素比例持续减轻。
重庆每年11月至第2年4月主要以锋面降水为主，西风气流以及偏北气流
带来的亚洲内陆地区的水汽来源于干旱半干旱地区，风速大，蒸发比较旺盛，
因此同位素偏重，这在δ18O和d中均有体现。
而在5～ 10月期间，偏南气流的影响显著;特别是在夏季风影响深刻的6～ 9月期间，来自于热带和副热带大洋
的温暖潮湿气团给当地带来大量降水，使得降水中的过量氘d值减小。
结论：(1)初步建立了重庆大气降水线方程: δD= 8.73δ18O+ 15.73。
(2)重庆雨水中的稳定同位素值在年内具有明显的季节变化，夏季降水中
稳定同位素值比冬季降水中明显偏轻。
夏季海洋性的水汽来源以及水汽由海洋
到陆地运移过程中的多次凝结降水是导致这一现象的主要原因。
稳定同位素值
最偏重的降水事件出现在春末夏初，表明了由温度、湿度等控制的蒸发作用对
重同位素的富集效应。
(3)当地大气降水稳定同位素组成没有体现出温度效应，与温度呈现出一种
负相关的关系（与南方一致）但体现出一定的降水量效应。
(4)重庆春季和秋季的降水量占全年降水量的比例可达30%左右，这些非夏
季风影响时期的大气降水及其稳定同位素组成对当地全年大气降水稳定同位素
的加权平均值有重要影响。
特别是在当夏季出现伏旱天气而导致降水显著减少
的年份。
成都
1）成都地区大气降水同位素值表现出非常明显的季节变化：夏半年偏负，冬半年偏正，符合季风气候的降水特征。
成都地区是典型的季风影响区，夏季受东
亚季风、印度季风的双重影响，来源于海水蒸发的暖湿气团在每年的夏半年形
成丰富的季风降水；而由于大巴山的阻挡，本区受冬季风的影响比较微弱，所
以冬半年的水汽可能主要来源于当地地表水的蒸发。
2）成都地区1986~1998 年来的大气降水线方程是：δD=7.53δ18O+1.42。
与全球
和中国降水线方程相比，截距和斜率都偏低，表明成都地区降水的不平衡条件，降水历经了一定的蒸发过程。
成都地区的氘盈余相对很小，说明降水中蒸发与
凝聚的不平衡现象微弱，反映了海洋性的气候特征。
3)成都地区大气降水δ18O 与降雨量、温度和水汽压之间都是负相关关系，但是
降雨量对大气降水δ18O 的影响最大。
昆明
1) 昆明市的大气降水曲线为δ2H=6.56δ18O-2.96 ，与全球降水曲线、中国降水
线相比以及西南地区其他城市相比，其斜率和截距都偏小且斜率为负．可能是
因为其海拔较高的高原地形而产生的高程效应。
2)从年内和年际的总体特征看，δ 值均呈现出相应的同步变化．最小二乘法计
算结果显示两者相关关系得出，年内尺度上，昆明市降雨的δ18O值随着气温的
升高和降雨量的增加而减小，降水的δ 值与平均降水、气温均呈负相关关
系．就相关系数来看，与月均温的相关关系更好。
3)昆明市夏季和冬季降水中d值降水量和气温的相关关系存在明显的季节差异，夏季d值偏负，冬季d值偏正说明昆明市夏季和冬季水汽来源不同．云南夏季
风降水有两支水汽来源，一支来自孟加拉湾北上形成西南水汽输送，其水汽源
地为印度洋、孟加拉湾；另一支为副热带高压南侧的东风气流，其源地是西
太平洋、南海。
4)在夏季风期间，降水中较低的δ18O主要受来自印度洋暖湿水汽输送的影响．在冬季风期间，降水中较高的δ18O主要受西风带水汽输送以及当地蒸发
水汽的影响．昆明站的降水量效应是不同水汽来源对降水中稳定同位素影响的
产物。
西南地区
(1)通过对西南地区降水中氢、氧同位素的研究可以看出：西南地区大气降水中稳定氢氧同位素值总体上均具有明显的季节变化，夏半年δ18O值偏负，冬半年
δ18O值年偏正，主要是夏半年水汽由海洋运移到陆地的过程中多次凝结降水，
导致δ18O值偏负。
(2)初步建立了昆明、贵阳、桂林、成都4个地区大气降水线方程：
昆明：8D=6.56δ18O—2．96 (R2=0．91)
贵阳：8D=8.82δ18O+22．07 (R2=0．98)
桂林：8D=8.38δ18O+16．76 (R2=0．98)
成都：8D=7.36δ18O+0．12 (R2=0．93)
通过对西南各地区大气降水线方程全球降水线方程δD=8δ18O +10，以
及郑淑慧等¨副分析的中国降水线方程δ D=7.9δ18O+8.2相比较，昆明和成都地
区斜率都小于8，大气降水线方程的斜率和截距都相对偏低，明显偏离了全国
大气降水线方程。
说明昆明和成都两地的降水过程都是在非瑞利条件下进行的。
相反，贵阳地区和桂林地区大气降水线方程的斜率和截距都比全球降水的大，
说明贵阳和桂林地区在形成降水的过程中受到温度、蒸发等因素的影响。
当形
成降水的水汽经过多次蒸发时，由于不同同位素间分子质量数的差异、质量数
小的分子分馏、质量数大的分子富集，氢同位素比氧同位素的分馏速度要快。
因此，在其它条件相同的情况下，在运输过程中经过多次蒸发作用的水汽所形
成的降水中δD的值相对偏重，导致该地区大气降水的斜率和截距都偏大。
(3)西南地区昆明大气降水稳定同位素组成体现出明显的降水效应，但是温度效
应几乎不存在。
贵阳和桂林地区温度效应强于降水效应，成都地区降水效应强
于温度效应，但是温度效应几乎不存在。
(4)根据对西南各地区d值的监测数据统计发现，d值呈现出降水中过量氘水汽
来源不同的特点，贵阳和桂林地区d值表现为冬高夏低的气候特点，而昆明地
区和成都地区却与此相反，d值则表现为夏高冬低独特的季节性特点。
从全年的角度来看，西南地区的昆明主要受到降雨量效应的影响，桂林主
要受到温度效应的影响，贵阳和成都同时受到降雨量效应和温度效应的影响程
度相差不大；但是仅仅从冬半年(11～次年4月)来看，成都地区受到温度效应
的影响明显强于降雨量效应，冬半年成都地区δ18O与温度的回归方程为：δ18O = -0．625 t-11.220(R2=0.485)，而夏半年成都地区δ18O与降水量(P)的回归方程为:δ18O =-0.014P-5.009(R2=0.165)。