氢、氧稳定同位素在水文地质中的应用
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发布时间：2022-04-23 21:09
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时间：2023-09-19 00:01
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*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、*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.*效应
大气降水中D和18O的含量自海岸向*方向递减，这种现象称为“*效应”。海洋蒸汽团自海洋上空向*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*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*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*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*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？
