搜档网
当前位置:搜档网 › 晋陕峡谷地区岩溶地下水的同位素及水化学分析

晋陕峡谷地区岩溶地下水的同位素及水化学分析

晋陕峡谷地区岩溶地下水的同位素及水化学分析
晋陕峡谷地区岩溶地下水的同位素及水化学分析

晋陕峡谷地区岩溶地下水的同位素及水化学分析

林良俊

1,2

,王金生

1

(11北京师范大学环境科学研究所,北京 100875;21中国地质环境监测院,北京 100081)

摘要:本文研究采用同位素和水化学分析的方法对本地区2个泉域即天桥和柳林泉域的地下水系统

进行分析。研究发现:(1)天桥泉域北部大部分地区岩溶地下水主要接受了大气降水的补给,同时

在局部地区也接受了地表水的补给;天桥泉域南部岩溶地下水接受了不同高程的大气降水的补给,迳流较为活跃。(2)柳林泉域岩溶水系统存在浅部和深部2个子系统,来自这2个系统的地下水互相混合,形成了排泄区较为复杂的地下水化学类型。关键词:岩溶地下水;同位素;水化学分析中图分类号:P6411134文献标识码:A Abstract :Through is otopic and geochemical methods the karst groundwater system in tw o large spring areas (T ianqiao spring area and Liulin spring area )is analyzed.It is shown that :(1)In north part of T ianqiao sping area ,the karst groundwater is mainly recharged by the rain fall of m ountain area and is partly recharged by sur 2face water.In s outh part of T ianqiao spring area ,the karst groundwater with active runoff is recharged by rainfall from varied elevation.(2)In Liulin spring area ,there exist tw o karst groundwater sub 2systems.The karst groundwater from the tw o sub 2systems mixes up and various water types of the spring water in the discharge area are formed.

K ey w ords :karst groundwater ;is otope ;analysis of hydrochemistry

收稿日期:2003206202;修订日期:2003211225

基金项目:国家重点基础研究发展规划(973)项目

(G 1999043606)

作者简介:林良俊(1975-),男(汉族),江西丰城人,在

读博士,工程师.

黄河流域晋陕峡谷地区是位于陕西和山西之间的狭长地带,多年来,在该地区的2个大泉域开展

了一些地下水资源勘察工作[1,2]

。许多研究表明晋陕峡谷地区天桥泉域多层含水层之间存在着水平或者垂向的水力联系,构成一个巨大的岩溶地下水系统[3,4],而在柳林泉域的研究表明在柳林泉域的岩

溶地下水系统是一个非常复杂的系统[5,6]

同位素和水化学技术是分析岩溶地下水系统有效工具[7~9]

,环境同位素和水化学成分可以用来确定岩溶含水层中地下水的起源以及确定地下水的年龄(滞留时间),王怀颖和袁志梅曾应用同位素和

水化学技术研究了该区的岩溶地下水[4,5]

。但是,由于近年来的自然和人类活动影响,岩溶地下水系统是否发生变化是一个需要研究的问题,而且,袁志梅采用同位素分析柳林泉域的地下水系统时采用了全球大气降水线,而晋陕峡谷地区的大气降水的

同位素成分与全球大气降水存在较大差异[7]

。因此,本次研究拟采用同位素和水化学的方法对该区岩溶地下水系统开展进一步深入研究。1 研究区概况

[10]

晋陕峡谷地区横跨吕梁复背斜和鄂尔多斯盆地

两大构造单元。吕梁复背斜的轴部主要有太古宙变

质岩及部分太古宙花岗岩组成,其西翼由震旦系、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系构成,并形成一系列的次一级背斜和向斜。天桥泉域和柳林泉域均属于这一地区。晋陕峡谷地区地处大陆型半干旱气候区,多年平均气温817~10℃,年平均降雨量353~548mm ,7~9三个月的降雨量约占年降雨量的63%。区内岩溶地下水的补给主要有大气降水在寒武系、奥陶系碳酸盐岩裸露和半裸露地区的入渗补给,裸露与隐伏松散层下的可溶岩,溶岩裂隙发育,可直接接受大气降水补给。

天桥泉域是一个向西缓倾的自流斜地。东界为海拔2500m 左右的管涔山分水岭,西侧为海拔800m 的黄河谷地,近百公里的斜坡坡降达20%,南北两侧山脊高1600~1700m ,中间大片地区高1300m 左右。泉域周围基本上以褶皱隆起或断裂为界。在清水川—林阴会一段多被黄河切穿,形成开启的窗

口,从而形成了一个相对完整的补给、迳流、排泄的循环系统。偏关—岢岚一带寒武系—奥陶系碳酸

盐岩广泛出露,总面积约111×104km 2

。在偏关以北大面积裸露,偏关至岢岚之间则多为黄土松散层所覆盖,厚n ?10m ,在靠近黄河时大都有石炭系、二叠系碎屑岩叠置。据统计,在汇水范围内,碳酸盐岩直接出露的面积只占12%。

柳林泉域位于晋西黄土高原中部,整个泉域东部、北部以太古宇组成的地表分水岭为界,南部则以寒武系—奥陶系碳酸盐岩组成的地表分水岭为界,西部由于受柳林单斜的影响,含水层向西倾斜,构成单斜贮水构造,并深埋于地面以下,无明显边界。寒武系—奥陶系碳酸盐岩组自柳林往西埋没于地面以下,上覆石炭系、二叠系砂页岩,水流至此受阻,山川河谷又深切,因此出露了大量的泉水。

图1 晋陕峡谷地区同位素及水化学取样点位2 样品的采集及测试

在充分分析已有资料的基础上,沿着区域岩

溶地下水的迳流方向在研究区内的2大泉域确立了3条取样剖面(图1),即万家寨剖面、府谷剖面和吴堡剖面,并分别于2000年8月至9月丰水季节和2001年3月至4月枯水季节沿剖面进行采样,共采集岩溶地下水样12个,泉水样6个,黄河水样3个,采样点位置见图1。水化学分析由中国地质大学水文及水资源系实验室完成,丰枯水期同位素18O 、D 和13

C 在国土资源部同位素测试中心测定,丰水期水样在英国贝尔法斯特女王大学(The Queen ′s University of Belfast ,UK )环境工程中心实验

室IRMS 质谱仪上进行外检;18O/16

O 比值采用C O 2

平衡方法测定,D ΠH 比值采用锌还原法测定,结果

表示采用实测氢、氧同位素比值D ΠH 、18O Π16

O 相对于标准平均海水(S MOW ,Standard Mean Ocean Wa 2

ter )比值的千分差。13C Π12

C 用100%磷酸法G C 质谱仪上测定,并用对于标准样PDB 的千分差表示。放射性氚和氢氧稳定同位素样品采集1L ,置于聚酯塑料瓶中并密封。放射性碳样是在采集的地下水加入NaOH ,使pH 值大于12,然后加入过量的BaCl 2,以BaC O 3形式沉淀,所取的地下水样量以获得3g 碳为止。14

C 是将样品转化为苯后通过液体闪烁计数

器来测定,14

C 的测定结果以现代碳(Percent m odern carbon ,PMC )形式表示;氚是在样品电解富集后,通过低本底液体计数器来测定,并以氚单位(T riti 2um Unit ,简称T U )形式给出,测试误差为±

215T U 。放射性同位素均在中国地震局14

C 实验室测定完成。本次研究没有收集到大气降雨的水样,为了获取本地区的大气降雨线,采用G NIP 数据库中离研究区域最近的太原站大气降雨同位素数据。本

次采用的大气降水线方程为δ2H S M OW =6141δ18

O S M OW

-4177(R 2

=01924)。3 测试结果分析

在天桥泉域有2条采样剖面,即万家寨剖面和

府谷剖面。在万家寨剖面上,从图2中可以看出,除了308(丰水期)、310(丰水期)、311(丰水期)

和335(枯水期),大部分岩溶地下水样品18O 和2

H 都分布在区域大气降水线附近,说明天桥泉域大部分地区的岩溶地下水以大气降水为主要补给来源。在丰水期沿着万家寨剖面岩溶地下水迳流,样品中的3

H 值有升高的趋势(图3-a ),同时,样品308

和310具有比其他样品更富集的18O 和2

H 含量。以往研究表明,黄河水的水位比黄河东岸310和308

取样点位的水位要低[11],而且这2个样品的18

O 和2

H 含量比黄河水中的含量要高(图2),因此,

不可能由黄河水的补给导致岩溶地下水的3

H 值升

高和18O 和2

H 含量增大。由于308和310取样点位

的地下水位比较深,分别为2810m 和8916m [11]

,所以,这种同位素异常现象也不可能由蒸发导致。综上所述,导致这种现象的原因很可能是地下水在迳流过程中接受了地表水的渗漏补给。王怀颖等(1994)通过同位素河水化学分析发现,黄河万家寨段的西岸岩溶地下水不同程度的接受了黄河水的补给,而本次在西岸的334样品的氚值相当低(0178T U ),说明尽管334样品采样点位的地下水位较黄河水位低,却受黄河水的补给的影响很低。因

图2 天桥泉域18O 和2H

关系

图3 沿取样剖面氚值变化

此,黄河水补给西岸岩溶地下水向西延伸的范围有

限,可能是由于极其缓慢的地下水迳流甚至滞留导致。

在府谷剖面,如图3-b 所示,沿着迳流路径,岩溶地下水的氚值有下降的趋势,符合正常的衰变规律。黄河西岸的样品313和336的氚值较黄河东岸的样品311还要高,说明在府谷黄河东岸岩溶地下水接受了黄河水的补给。如图2所示,位于补给

区的样品314和315具有较低的18O 和2

H 含量,而

位于排泄区样品如311和313具有较高的18O 和2

H 含量。从岩溶地下水的水化学演化可以看出(图4),岩溶地下水的化学演化过程比较简单,没有发生和地表水的混合过程,这种现象不可能由地表水入渗引起。同时,很多研究表明,晋陕峡谷地区大

气降水中的同位素含量具有较明显的高程效应[4]

。因此这种现象很可能是由于在迳流过程中岩溶地下

水很有可能接受了较高18O 和2

H 浓度的大气降水的补给。府谷剖面补给区的岩溶地下水的水化学类型为HC O 3—Ca ,排泄区的水化学类型为HC O 3—Ca ?Na ,表明该剖面上的岩溶地下水迳流过程较为

活跃。

在柳林泉域的吴堡采样剖面,如图5所示,位

于黄河西岸的301样品δ18O 和δ2

H 值比其他样品的低得多,甚至比位于补给区的304和305样品的δ18O 和δ2H 值还低。同时,301样品具有很低的14C 和3

H 活度,分别为18191PMC 和2144T U ,从以上301的这些同位素特征分析,

该点地下水并不是接

图4 天桥泉域岩溶地下水水化学特征

受现代大气降水的补给。301点的地下水化学类型

为Cl —Na 型,和其它的地下水样品的水化学类型有很大差异(图7),结合以上的同位素特征分析可以断定,该位置岩溶地下水的补给区域距离较远,较古老的大气降水渗入地下后通过较长时间的深部循环才到达现在采样位置。图7显示,补给区的水化学类型为HC O 3—Ca ?Mg 型,沿着迳流路径水化学类型在不断的发生变化,到了排泄区出现了各种水化学类型的水,表明柳林泉域的水文地球化学环境非常复杂。排泄区泉水的温度(t )范围从14℃到19℃,比较高,而且,地下水中的总矿化度(T DS )和温度之间存在着正相关的关系,矿化度为

6~8g ΠL 的地下水温度达到了36℃[10]

。很明显,在柳林泉域存在一个迳流较深的地下水系统。同时,样品314、315和306具有较高的氚值(图6),表明

泉域内同时存在一个接受现代大气降水的浅部循环的地下水系统。从上面分析可以看出,柳林泉域岩溶水系统存在2个子系统:一个是积极循环浅部子系统,该子系统接受现代大气降水补给;另一个是慢循环深部子系统,该子系统接受年代较古老的大气降水的补给

图5 柳林泉域18O 和2H

关系

图6 

吴堡剖面沿取样剖面氚值变化

图7 柳林泉域岩溶地下水水化学特征

4 结论

通过以上的同位素和水化学分析,结合该地区

地质水文地质条件,可以得出以下结论:

(1)天桥泉域北部大部分地区岩溶地下水主要

接受了大气降水的补给,同时在局部地区也接受了地表水的补给。黄河西岸的地下水迳流缓慢,黄河水补给影响西岸岩溶地下水的范围很有限。天桥泉域南部岩溶地下水接受了不同高程的大气降水的补给,地下水迳流较为活跃。

(2)柳林泉域岩溶水系统存在2个子系统:一个是积极循环浅部子系统,另一个是慢循环深部子系统;浅部子系统接受现代大气降水的补给,深部子系统接受年代较古老的大气降水的补给。该泉域的水文地球化学环境复杂,来自这2个子系统的地下水互相混合,形成了排泄区较为复杂的地下水化学类型。

[1] 地质矿产部,中国统配煤矿总公司.能源基地晋、陕、蒙

接壤地区地下水资源评价与合理开发利用研究报告[R ].

1991.

[2] 吕梁水资源办公室.柳林泉域水资源调查评价及管理保护

研究[M].1992.

[3] 卢耀如等.岩溶水文地质环境演化与工程效应研究[M].

科学出版社,1999:173~185.

[4] 王怀颖,袁志梅,王瑞久.晋陕蒙接壤地区黄河谷地岩溶

地下水同位素和水化学研究[M].地质出版社,1994.

[5] 袁志梅,王玉海,柳林泉水同位素地球化学分析及水质模

型[J ].电力勘探,1998,(3):41~47.

[6] 薛禹群,黄海,吴吉春,张政治,王玉海.内陆单斜构造

内咸水入侵淡水含水层三维数值模拟———以山西流林泉区流林电厂水源地为例[J ].地质学报,2000,74(4):353~

362.

[7] 苏小四.同位素技术在黄河流域典型地区地下水可更新能

力研究中的应用———以银川平原和包头平原为例(博士论

文)[D].吉林大学,2002.

[8] Brian G.K atz ,Using δ18

O to quantify groundwater Πsurface 2water

interaction in karst system of Florida ,proceedings of the 1998NW QMC national m onitoring con ference.1998.

[9] Brian G.K atz ,A multitracer approach for assessing the susceptibil 2

ity of groundwater contam ination in the W oodville karst plain ,north 2ern Florida ,U.S.G eological Survey K arst Interest G roup Pro 2ceedings ,W ater 2Res ources Investigations Report 0124011,2001,P.167~176.

[10] 山西地矿局第一水文地质工程地质大队.山西省河、保、

偏电厂供水水文地质初勘报告[R].1985.

[11] 中国水文地质工程地质勘查院.陕西省府谷县天桥水源地

供水水文地质勘探报告[R].1989.

稳定同位素应用

高精度稳定同位素技术 同位素指质子数相同而中子数不同的同种化学元素,最常用的稳定同位素有碳-13 (13C)、氮-15(15N)、氢-2 (2H即氘) 和氧(18O)等。因为这些同位素比普通元素重1到2个原子量单位,所以也叫作重元素。稳定同位素(stable isotope) 就是天然同位素或非放射性同位素(non-radioactive isotope),即无辐射衰变,质量保持永恒不变。稳定同位素在自然界无处不在,包括所有化合物、水和大气,所以也就自然地存在于动植物和人体内。其物理化学性质与普通元素相同,所以可用作示踪剂来标记化合物用于科学研究、临床医学和药物生产等几乎所有自然领域。由于没有辐射污染,稳定同位素示踪剂可以用于任何对象,包括孕妇、婴儿和疾病患者,无论是口服还是注射,都绝对安全。 稳定同位素技术的另一特点是其测试定量的高精度和超高精度,达到PPM级(即百万分之一精度),而且同时也测定了化合物的浓度,事半功倍,且降低了测试误差。现在,利用同位素技术人们可以同时测定多个不同的样品,从而提高测定效率。这些高效率、高精度的特点是放射性同位素等技术所不可比拟的。 稳定同位素技术的第三个特点是其示踪能力的微观性和灵活多变性。微观性是指它可以用来标记、追踪化合物分子内部某个或多个特定原子,比如葡萄糖分子中各个原子在人体内的不同代谢途径, 哪些原子进入三羧酸循环产生能量,而哪些原子进入脂肪代谢途径参与脂肪合成。多变性是指通过对同位素标记位点的合理选择和巧妙设计来追踪、定性定量测定化合物的不同代谢途径或者生成过程。 由于以上特性,自上世纪中叶特别是70年代以来稳定同位素技术在科技先行国家被广泛应用于医学、营养、代谢、食品、农业、生态和地质等研究和生产领域。近年来在药物研发生产以及新兴的基因工程、蛋白质组学(proteomics)、代谢组学(metabolomics) 和代谢工程(metabolic engineering) 等前沿领域,稳定同位素技术已成为一种应用广泛、独特高效甚至必须的技术,显著地提高了解决科学问题的能力和生产效率。最新近的例子是德国科学家用碳13氨基酸通过三代喂养成功地标记了动物全身的所有蛋白质而获得了细胞代谢的重要发现。这一崭新的技术堪比当年的聚合酶连锁反应技术(PCR), 必将迅速得到广泛的推广和应用,有力地推动生命科学的发展。稳定同位素在自然界的无所不在意味着该技术应用的普遍性,有大自然显微镜的独特功能,将揭开越来越多的大自然和人体的奥秘。

稳定同位素样品处理技术

稳定同位素样品处理技术 1、固体样品 固体样品在进行同位素质谱分析之前必须进行干燥、粉碎、称量等处理步骤。 1.1干燥 样品可以放在透气性好,而且耐一定高温的器具或取样袋中,然后在60~70℃的干燥箱进行干燥24~48小时。 注意:烘干的样品要及时研磨或者保持干燥,否则有返潮现象,给磨样造成困难,而且影响同位素数据。 1.2酸处理 将土壤样品适当粉碎(为了更好的反应),放在小烧杯中,倒入适量浓度的盐酸(浓度一般用0.5mol/L),这时会发现有小气泡冒出,这是盐酸与土壤中的无机碳反应产生的CO2,用玻璃棒搅拌使反应更完全,可以间隔1小时搅拌一次使之充分反应。反应至少6小时,除去土壤中的无机碳,沉淀,倒掉上层清夜;再用去离子水搅拌洗涤,沉淀,倾倒上层清夜,重复3~4次,充分洗净过量盐酸;然后烘干土壤样品(条件同上)。 注意:测定碱性土壤中的有机C同位素,在干燥之前需要进行酸处理。因为采集的土壤样品中含有无机碳,会影响到我们需要的数据。 1.3粉碎 经过烘干的样品需要粉碎才能进行分析,为了保证样品的均匀,粉碎程度至少要过60目的筛子。粉碎可以用研钵、球磨机或混合磨碎机来等来处理。 1.4样品整理 磨好的样品放在合适的包装里,如小瓶子、小信封或自封袋里,最好密封保存。以数字和英文字母做标记区别样品。 1.5称量 经过干燥和粉碎处理的样品在分析之前还得放在锡箔帽中称量。用微量分析天平(同位素实验室专用),样品量可以精确到0.001mg (百万分之一天平)。称样前,先将所需工具及样品排放好,所需工具包括样品垫、样品盘、镊子、勺子。先调天平平衡,看水泡是否在圆圈内,在圆圈内则表示天平平衡。在称量过程中尽量不要碰桌子,减少对天平的影响。称量时,先将锡帽放进天平内,等天平显示的数字稳定时调零,然后将锡帽取出放在样品垫上,放适量样品至锡帽中,样品的量根据测定的同位素以及样品中的含量而定。称量最终质量并作记录。然后将锡帽团用镊子或拇指和食指轻轻用力团成小球。已经称量并用锡箔包好的样品放在专门的样品盘里,并附带一份质量表格,保存。 注意:任何时候不能由裸露的双手触摸样品或锡帽。若用手操作,须带上无尘橡胶手套。并确保包好的样品没有泄漏。样品盘中样品的标记对应记录本上的标记。(只要同位素比率值的不需要记录质量数,而需要全N或全C量的则需要记录质量数)。

水化学及同位素特征在矿井水源判别中的应用

水化学及同位素特征在矿井水源判别中的应用 摘要:毛坪铅锌矿未采矿体均处当地最低侵蚀基准面洛泽河以下,为研究矿区 洛泽河水与矿坑充水之间的相互关系,进一步查清矿坑充水来源,对矿区地表河 水以及矿坑不同出水点采取水样,进行环境同位素测试和水质全分析。分析结果 表明:矿区浅层水和深层承压水在不同深度获得大气降水补给的速度有快有慢, 相差悬殊;河水对矿床充水不强,矿坑水主要补给源为不同标高补给区的非定水 头补给。研究成果为进一步判定矿坑充水水源、分析矿山水文地质条件以及矿山 防治水设计提供了科学的依据。 关键词:矿山防治水;水源判别;水化学特征;氢氧同位素 1 矿区水文地质概况 毛坪铅锌矿为已采矿山,主要矿体位于当地最低侵蚀基准面洛泽河之下[1-3]。区内龙潭河、铜厂沟溪、锈水沟溪等其它河、沟均为洛泽河支流[4]。洛泽河总体 上控制了区内的地下水流动系统。域内地下水接受降水补给后,依地势向洛泽河 汇聚,然后从南往北迳流,部分地下水在沟谷等地形切割强烈地带形成下降泉排泄,补给河水[5,6];部分地下水仍以地下迳流形式运动,于矿区北部遇峨嵋山 组玄武岩隔水层,地下水径流受阻,沿东西向顺层裂隙溢出成泉,排泄地下水。 区内构造发育,地下水对构造裂隙长期溶蚀拓宽,岩溶裂隙水含水层具有一 定库容空间,大气降水对岩溶裂隙地下水补给在时间上把年内或年际不连续的降 水调整为连续的地下迳流,维持泉群长期排泄[7,8];在空间上将较弱的区域裂 隙水汇聚成脉状迳流,最后,汇集于排泄区以泉水形式溢出排泄地下水,本区为 泉排型岩溶地下水系统[9]。 图1 矿区地下水矿化度等值线 2 水化学水源判别 2.1水质全分析特征 本次研究工作水质全分析采样在矿坑、泉水、河水等重要水体采集水样20件。矿床地下水水化学成份及矿化度值自北部、北东部二迭系栖霞茅口组岩溶裂隙水 含水层、石炭系威宁丰宁统岩溶裂隙水含水层、泥盆系宰格组岩溶裂隙水含水层 逐渐升高(见图1),表明矿床地下水接受二迭系栖霞茅口组岩溶裂隙水含水层 地下水补给,经矿床运移至洛泽河即F1弱透水断层一带,地下水迳流滞缓,溶 滤作用增强,水中盐分及矿化度值明显增高,特别是SO42-离子增加明显,同时 说明矿床地下水受洛泽河水淡化不明显,河水对矿床充水不强的特征。 3水体环境同位素水源判别 3.1水体环境同位素特征 本次研究工作环境同位素水样采集雨水1件、泉水4件、河水3件、矿坑水 7件,钻孔涌水5件。 以昆明市雨水线为研究标准。矿区雨水、河水、泉水和坑下水δD与δ18O关 系见图2。 图2 毛坪矿雨水、泉水、河水、坑下水δD与δ18O关系 本地区构造活动剧烈,岩溶裂隙发育,雨季矿床深部承压水涌水孔水头上涨 明显,氚进入水中仅按衰变规律变化,衰变公式如下:

晋陕峡谷地区岩溶地下水的同位素及水化学分析

晋陕峡谷地区岩溶地下水的同位素及水化学分析 林良俊 1,2 ,王金生 1 (11北京师范大学环境科学研究所,北京 100875;21中国地质环境监测院,北京 100081) 摘要:本文研究采用同位素和水化学分析的方法对本地区2个泉域即天桥和柳林泉域的地下水系统 进行分析。研究发现:(1)天桥泉域北部大部分地区岩溶地下水主要接受了大气降水的补给,同时 在局部地区也接受了地表水的补给;天桥泉域南部岩溶地下水接受了不同高程的大气降水的补给,迳流较为活跃。(2)柳林泉域岩溶水系统存在浅部和深部2个子系统,来自这2个系统的地下水互相混合,形成了排泄区较为复杂的地下水化学类型。关键词:岩溶地下水;同位素;水化学分析中图分类号:P6411134文献标识码:A Abstract :Through is otopic and geochemical methods the karst groundwater system in tw o large spring areas (T ianqiao spring area and Liulin spring area )is analyzed.It is shown that :(1)In north part of T ianqiao sping area ,the karst groundwater is mainly recharged by the rain fall of m ountain area and is partly recharged by sur 2face water.In s outh part of T ianqiao spring area ,the karst groundwater with active runoff is recharged by rainfall from varied elevation.(2)In Liulin spring area ,there exist tw o karst groundwater sub 2systems.The karst groundwater from the tw o sub 2systems mixes up and various water types of the spring water in the discharge area are formed. K ey w ords :karst groundwater ;is otope ;analysis of hydrochemistry 收稿日期:2003206202;修订日期:2003211225 基金项目:国家重点基础研究发展规划(973)项目 (G 1999043606) 作者简介:林良俊(1975-),男(汉族),江西丰城人,在 读博士,工程师. 黄河流域晋陕峡谷地区是位于陕西和山西之间的狭长地带,多年来,在该地区的2个大泉域开展 了一些地下水资源勘察工作[1,2] 。许多研究表明晋陕峡谷地区天桥泉域多层含水层之间存在着水平或者垂向的水力联系,构成一个巨大的岩溶地下水系统[3,4],而在柳林泉域的研究表明在柳林泉域的岩 溶地下水系统是一个非常复杂的系统[5,6] 。 同位素和水化学技术是分析岩溶地下水系统有效工具[7~9] ,环境同位素和水化学成分可以用来确定岩溶含水层中地下水的起源以及确定地下水的年龄(滞留时间),王怀颖和袁志梅曾应用同位素和 水化学技术研究了该区的岩溶地下水[4,5] 。但是,由于近年来的自然和人类活动影响,岩溶地下水系统是否发生变化是一个需要研究的问题,而且,袁志梅采用同位素分析柳林泉域的地下水系统时采用了全球大气降水线,而晋陕峡谷地区的大气降水的 同位素成分与全球大气降水存在较大差异[7] 。因此,本次研究拟采用同位素和水化学的方法对该区岩溶地下水系统开展进一步深入研究。1 研究区概况 [10] 晋陕峡谷地区横跨吕梁复背斜和鄂尔多斯盆地 两大构造单元。吕梁复背斜的轴部主要有太古宙变 质岩及部分太古宙花岗岩组成,其西翼由震旦系、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系构成,并形成一系列的次一级背斜和向斜。天桥泉域和柳林泉域均属于这一地区。晋陕峡谷地区地处大陆型半干旱气候区,多年平均气温817~10℃,年平均降雨量353~548mm ,7~9三个月的降雨量约占年降雨量的63%。区内岩溶地下水的补给主要有大气降水在寒武系、奥陶系碳酸盐岩裸露和半裸露地区的入渗补给,裸露与隐伏松散层下的可溶岩,溶岩裂隙发育,可直接接受大气降水补给。 天桥泉域是一个向西缓倾的自流斜地。东界为海拔2500m 左右的管涔山分水岭,西侧为海拔800m 的黄河谷地,近百公里的斜坡坡降达20%,南北两侧山脊高1600~1700m ,中间大片地区高1300m 左右。泉域周围基本上以褶皱隆起或断裂为界。在清水川—林阴会一段多被黄河切穿,形成开启的窗

稳定同位素技术的发展及其应用

核技术与核安全课程作业 稳 定 同 位 素 技 术 的 发 展 及 其 应 用

原子核内质子数相同而中子数不同的一类原子称为同位素,它们处在周期表上的同一位置,可分为稳定性同位素和放射性同位素。放射性同位素的原子核是不稳定的,它通过自发的放出粒子而衰变成另一种同位素。而不具有放射性的同位素称为稳定同位素,其中一部分是由放射性同位素通过衰变后形成的稳定产物,称为放射成因同位素;另一部分是天然的稳定同位素,是核合成以来就保持稳定,迄今为止还未发现它们能够自发衰变形成其他同位素。自然界中共有1700余种同位素,其中稳定同位素有270余种。有的元素由很多的稳定同位素组成,如第50号元素锡含有10个稳定同位素;而有的稳定同位素却仅仅只有一个稳定同位素,如元素氟、钠等。 稳定同位素较放射性同位素具有安全、无污染、易控制的优点,在地质、生态、医药、农业等领域研究中得到广泛应用。 1.稳定同位素技术的发展过程 稳定同位素的发现比放射性同位素要晚一些,1912年汤姆孙用电磁分析器(近代质谱计的雏形)才第一次确定了氖-20和氖-22的存在;1927年发现了氧的稳定同位素O 17和O 18 ;1932年发现了重氢(D )。1936年尤里等用精馏法从水中富集了O 18,随后又用化学交换法富集了Li 8,C 13,N 15和S 34,不但证实了早年发表过的有关分离的计算理论,同时也发现了化学交换法对大量分离轻同位素很合适的。与此同时也采取了几种物理方法分离了若干种同位素。 在1930-1941年期间稳定同位素分离还处于探索阶段,此时尚无工业规模的生产,少量分离物只是提供研究同位素本身的核性质以及作为示踪原子用。到20世纪50年代后期,由于科学技术的进步及稳定同位素特殊性质的逐步显示,才使之得以迅速发展。我国稳定同位素的研制工作起步于50年代中,60年代首先在农业上获得应用。之后,在医药学中的应用也取得初步成果。目前,我国已有一支稳定同位素的研究、生产机应用的技术队伍,个别产品进入了国际市场。 2.稳定同位素分析技术 稳定同位素分析是分离研究、生产和应用的前提,它是稳定同位素科学技术中不可缺少的组成部分。其中最重要的方法是质谱分析,它用于同位素分析已有70年历史,是经典、常用,准确的方法,适用于各种元素同位素质量和浓度测定以及物质成分和结构分析。近来在样品引入、离子源、分析器以及检出系统等四个主要方面都有重大的改进。在样品引入部分加上气相色谱,构成色质联用仪器,可以分析复杂混合物样品而不必转化为简单气体。此外,现在又出现高压液相色谱与质谱联用的更新技术。在离子化方面出现了许多新型离子化型式,如化学离子化,在离子源中产生的离子基本上是分子离子,谱线要比普通的电子轰击离子化单纯得多,大大提高了检测灵敏度。又如场致离子化和场解吸离子化,它们都是不直接轰击样品分子,是一种软离子化技术,不出现离子碎片,基本上没有同位素效应的干扰问题,可以直接分析多成分的混合物样品,而且不必像GC-MS 那样需要引入适合于气相色谱的诱导体,所以操作更为简单。这对多重标记物的分析十分有利,能测定稀释了一百万倍的样品,最小检测量可低到fs(1510 g)。此外,还有激光离子化、大气压离子化和多点场离子化等。在分析器方面,除了磁场偏转形式外,还有一种简便的四重极质量过滤器,它是用四根圆棒电极(最好是双曲线断面型式)代替了笨重的磁铁。对角线上两根电极互成一对,分别加上高

轻元素稳定同位素的标准评述

轻元素稳定同位素的标准评述 厦门大学海洋系 郭卫东 提 要 标准物质在稳定同位素分析的质量保证体系以及分析数据的可比性方面起着关键性作用,因此标准物质的研制具有重要意义。本文评述了国际上在轻元素(氢、碳、氮、氧和硫)稳定同位素标准物质研制方面的最新进展。 关键词 稳定同位素 标准物质 轻元素 随着高分辨率质谱技术的出现和不断完善以及制样技术的提高,氢、碳、氮、氧和硫等轻元素的稳定同位素在地质、海洋以及近年来在环境科学等诸多学科领域中得到了广泛应用。其中标准物质是稳定同位素分析质量保证体系的重要环节,同时也是使不同稳同实验室的分析数据统一到同一基准从而具有可比性的根本保证,因此研制适宜的稳定同位素标准物质其重要性是不言而喻的。国际上由国际原子能委员会(I A EA)下属的同位素水文学部统一负责稳定同位素标准物质的研制、管理和分发工作,并不定期召开会议讨论决定有关事宜。本文介绍目前国际上在氢、碳、氮、氧和硫稳定同位素标准物质研制方面的一些最新进展。 一、稳定同位素的基准 轻元素的稳定同位素组成都用?值表示,因此稳定同位素的基准即是?标尺的“零点”,也叫一级参考标准(P ri m ary R ef2 erence Standard),它是以同位素组成均匀稳定、同位素比值大致为其天然同位素组成变化范围中间值的天然物质为基础经国际公认所确定。基准的建立对确保分析数据的可比性发挥了至关重要的作用。但随着时间的推移,有些基准物质已用完,有些基准物质的均匀性或稳定性受到怀疑,还有些基准物质原本就不存在,从而给实际分析对比工作带来困难。I A EA认识到这些问题的严重性,以校准物质(Calib rati on M aterial)为基础,建立了一套新的参考基准。所谓校准物质,是指同位素组成通过 33333333333333333333333333333333333333 学和年代学等理论和技术方法的完善是海洋事件地球化学得以发展和完善的前提。 (3)向高精度定量方向发展 今后海洋事件地球化学将以精确给出各类事件的地球化学标志和精确厘定各类事件年龄为目的,对各类事件的认识将向高精度定量方向发展,从而使得海洋事件地球化学研究真正成为能够解决重大海洋地质问题,影响相关学科发展的一门边缘学科。 — 4 —

稳定同位素、何谓轻稳定同位素和重稳定同位素

2. 何谓稳定同位素、何谓轻稳定同位素和重稳定同位素。 自然界的同位素按其原子核的稳定性可以分为放射性同位素和稳定同位素两大类。 稳定同位素的原子核是稳定的, 或者其原子核的变化不能被觉察。目前认为, 凡原子能稳定存在的时间大于1017a 的就称为稳定同位素。 稳定同位素又分为轻稳定同位素和重稳定同位素。 轻稳定同位素: 1.原子序数Z<20,ΔA/A≥10% (ΔA 为两同位素质量差); 2.发生同位素成分变化的主要原因是同位素分馏作用,其反应是可逆的。 轻稳定同位素的特点是: 原子量低。 同位素之间的相对质量差大。 化合物一般具有高度的共价键。 元素有多个化学价,氧化态和还原态,如S C;或化合物有多种状态,气、液、固态,如H和O。同位素丰度应足够检测,以便保证质谱分析精度。 重稳定同位素原子序数Z>20,ΔA/A<10%;特点是: 1.原子量大, 同一元素各同位素间的相对质量差异小(0 . 7% ~1 . 2%) , 环境的物理和化学条件的变化通常不导致重稳定同位素组成改变;

2.同位素组成的变化主要是由放射性同位素衰变造成的, 这种变化在地球历史的演变中是单方向进行的、不可逆的。例如, 放射成因稳定同位素206Pb、207Pb、208Pb、87Sr、143Nd 分别由238U、235U、232Th、87Rb、147 Sm 经衰变形成, 因而地质体中铅、锶、铷的同位素组成常受地质体年龄的大小及其中放射性母体同位素丰度的制约。因此, 地质体中重稳定同位素的组成变化常常用来研究地球、地质体的演化和成岩成矿作用等, 是一个极为重要的地球化学参数和示踪剂。4. 造成稳定同位素组成变化的原因是什么? 自然界同位素组成经常呈现一定程度的变化。引起同位素成分变化的主要过程有两类: 一类是放射性同位素衰变, 使母体同位素的数量随时间的推移逐渐减少, 同时子体同位素的数量不断增加; 另一类是由各种化学和物理过程引起的同位素分馏, 氢、碳、硫、硅、氮等同位素组成变化主要是由同位素分馏引起的。对这两类作用的研究是同位素地球化学的主要任务。 轻稳定同位素( Z < 20) 的相对质量差较大(ΔA/ A≥10% ) , 在自然过程作用中由于这种质量差所引起的同位素相对丰度的变异, 称为同位素分馏作用。根据分馏作用的性质和条件可区分如下: (1) 物理分馏: 也称质量分馏, 同位素之间由质量引起的一系列物理性质的微小的差别, 如密度、熔点、沸点等, 使

第七章 稳定同位素地球化学

第七章稳定同位素地球化学 稳定同位素地球化学研究自然界稳定同位素的丰度及其变化。同位素丰度发生变化的主要原因是同位素的分馏作用,即轻同位素和重同位素在物质中的分配发生变化,造成一部分物质富集轻同位素,另一部分富集重同位素。同位素及其化合物在物理或化学性质上的差异叫做同位素效应。同位素效应的产生从根本上讲是由于同位素在质量上的差异引起的,同位素质量差越大,所引起的物理化学性质上的差异也就越大。因此,对质量较轻的元素,其同位素的相对质量差异较大。如H与D 质量差100%,O16和18O质量差12.5%,而204Pb和206Pb质量差仅1%,在目前技术条件下,能测量到的由于同位素效应所造成的自然界同位素丰度变异仅限于质量数小于40的元素内。这就是稳定同位素地球化学目前所涉及的同位素仅限于元素氢(H/D)、碳(14C/13C)、氧(18O/16O)、和硫(34S/32S)以及硼(11B/10B)、氮(15N/14N)的原因所在。

7.1 同位素分馏和组成的表示 7.1.1同位素分馏 由于同位素效应所造成的同位素以不同比例在不同物质或不同相之间的分配称为同位素分馏。这里需引入二个概念。 同位素比值:定义为单位物质中某元素的重同位素和轻同位素的原子数之比,如在陨石中硫同位素比值为: R=34S/32S=1/22.22 当我们谈论同位素比值时,总是指重同位素和轻同位素之比。 同位素分馏系数:定义为在平衡条件下,经过同位素分馏之后二种物质(或馏份)中某元素的相应同位素比值之商。 设某二种物质为A,B,某元素的同位素比值为R A,R B,则同位素分馏系数为: 所以当我们讨论同位素分馏系数时,必须指明是那种物质对那种物质。一般α值为接近1的一个数字,离1愈远,同位

稳定同位素

稳定同位素地球化学研究:1.选题 2.样品采集:先明确样品本身的地质历史:如成矿期、成矿阶段、矿物的共生组合、生成顺序和交代关系等。明确地质背景的样品才有研究意义。 3.分析测试:样品要先做详细的光、薄片研究,确定生成顺序、后期蚀变、叠加作用、固相包体、固溶体分离关系。 然后把样品制备成适于质谱分析的形式,再送入质谱仪测得同位素比值。 4.结果解析:数据分析大体可分为简单类比(归纳)法和物理化学模型(演绎法)。 稳定同位素的研究常常假定的是同位素分馏平衡。但往往地质过程存在同位素不平衡现象。如深成岩中由斜长石-磁铁矿同位素分馏计算的温度远低于岩浆的固相线温度,反映亚固相条件下的氧同位素交换。 高级变质带不同矿物对记录的同位素温度不同程度低于其他地质温度计估计的温度,表明或者在顶峰变质时没有完全达到同位素平衡,或者在达到同位素平衡后,岩石在冷却过程中随温度下降同位素组成又发生改变,即所谓的退化同位素交换。 又如当发生水-岩交换作用时,长石易与外来流体(如大气降水)发生同位素交换,而石英和辉石能够保持高温岩石的氧同位素印记。 交换时间、交换速率、晶体的生长速率与晶体本身的同位素均一化速率、同位素原子从晶体边缘向内部运移的速率都会影响同位素的平衡。 同位素地质测温:同位素平衡温度T越低,两物相之间的同位素分馏越大,如碳酸钙-水古温度计。 同位素分馏系数方程中的参数A越大,指示两物相之间的同位素分馏越大,因此对温度的变化越灵敏,如石英-磁铁矿氧同位素测温。而石英-长石之间氧同位素的分馏对温度变化不灵敏,为其在示踪开放体系下的同位素交换中的应用奠定了基础。 同位素平衡的检查: 共生顺序与平衡顺序相同,则表示是在热力学平衡条件下,如果相反,则指示同位素不平衡状态、或者是不同阶段的产物,或者是不同温度下形成的。 碳同位素(13C):白云石>方解石>CO2>石墨>CH4 硫同位素(34S):硫酸盐》辉钼矿>黄铁矿>闪锌矿=雌黄铁矿>黄铜矿>斑铜矿>方铅矿>辉银矿 同位素地质温度计的注意事项:1.同位素平衡的检查,除了自身的数据的解释,还应结合岩相学观察和研究是否发生过其他的地质作用(例如围岩蚀变),因为其他地质作用也会改变矿物之间的同位素平衡状态。2.同位素分馏越大,同位素地质温度计越灵敏,共生顺序系列的两端或相距较远的成对矿物作地质温度计好。3.选择作为同位素测温的矿物对应该具有比较高的化学和同位素稳定性。如磁铁矿稳定性高,而长石易发生蚀变。4.矿物对挑选时要求纯度越高越好,避免相互干扰。因此,在分选或挑选样品前,必须进行光片或薄片鉴定,避免选用包含固体包裹体或固熔分离的矿物样品。5.内部结果的一致性以提高分析精度。6.选择同一方法或技术确定的分馏系数。 同位素地质温度计:O同位素:外部测温法:磷灰石-H2O;内部测温法:矿物-水、矿物-矿物。单矿物测温法:不同位置的O同位素的分馏、大气降水中沉淀的粘土矿物。 S同位素:方铅矿-闪锌矿:但四个不同校准的分馏曲线有差异,硫酸盐-硫化物矿物对最为灵敏,在高温变质矿床和地热体系中较好的应用,但是在热液矿床中常常未达到平衡。但是能够研究不同组分的混合作用。 C同位素:方解石-石墨矿物对最为常用,但校准的分馏曲线仍有一定的差别。尤其是低温下。 岩石缓慢冷却过程中,扩散控制氧同位素的交换再平衡说明矿物之间的不平衡同位素分馏判

相关主题