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水文地球化学的含义。
水文地球化学是水文地质学的一部分；它是在水文地质学及地球化学基础上发展起来的；它的主要研究对象是地下水化学成分的形成和演化，以及各种组分在其中的迁移规律；它是探索地球壳层中各带地下水地球化学作用的学科。
水文地球化学的研究对象及意义。
对象：水文地球化学的研究对象不仅是地下水本身，而且应该揭示地下水活动过程中种种水文地球化学作用对各种地质现象的影响和关系。
意义：（1）水文地球化学研究可以解决地下水的形成和起源问题。
（2）水文地球化学研究可以查明地下水的分布和形成规律，为阐明水文地质条件、评论地下水资源增添些有效的方法（3）水文地球化学研究可阐明人类活动对地下水的影响，成为自然资源的合理利用、保护、以及防止环境污染（地下水污染）等课题的理论基础。
（4）水文地球研究可为矿床的形成提供水文地质分析方面的依据，为找矿提供有用的信息。
（5）在与地下热能开发有关的地下热水、饮用与医疗矿泉水及地质环境与人体健康等各方面，水文地球化学研究成果也将显示出它的作用，并做出应有的贡献。
水分子的缔合作用：由单分子水结合成多分子水而不引起水的化学性质改变的现象，。
水的特异性质：水具有独特的热力学性质、水具有较大的表面张力、水具有较小的粘滞性和较大的流动性、水具有高的介电效应、水具使盐类离子产生水合作用的能力、水具有良好的溶解性能活度的定义：指实际参加化学反应的物质浓度，或指所研究的溶液体系中化学组分的有效浓度。
活度用于气体和蒸汽时，叫逸度或挥发度质量作用定律：一个化学反应的驱动力与反应物及生成物的浓度有关。
自由能：指一个反应在恒温恒压所做的最大有用功活度系数的计算对于矿化度＞100mg/L的天然水离子强度< 0.1mol/L用Debye-Huckel试饱和指数的概念：是确定水与矿物处于何种状态的参数，以符号“SI”表示。
E o指在标准状态下，金属与含有该金属离子且活度为1mol/L的溶液相接触的电位，称为该金属的标准电极电位：脱硫酸作用：在缺氧、有脱硫酸菌存在的情况下，SO42-被还原成H2S等的过程氯化物水:地下水中的Cl-含量随地下水矿化度的增高而增高。
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。
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。
水文地球化学，同位素，温泉，地球化学特征水文地球化学揭示了关于物质运转、物理结构和化学组成的复杂信息。
它将地球化学中的传统成分，如元素和化合物，与水的复杂性结合在一起，并使用有关水的特性来表征地表和潜在过程的研究。
一、水文地球化学的组成水文地球化学的研究包括：1. 同位素：它可以提供对水的示踪组分的活动、形成、运移和改变的信息。
这些组分的活动过程的时间尺度可通过同位素来识别，因为它们具有不同的衰减率和示踪率，有助于了解水的可达性、来源和频率，以及历史流域范围内水的过渡。
2. 温泉：温泉研究理解了水的生成深度，原位置，成分特征和其他可能的流体矿物特征，这些用于建立温泉的地质结构，从而确定温泉的常见特征。
3. 元素组成：水文地球化学可以改变水的元素组成，揭示有关水不同来源和活动状态的元素组成特征。
比如，氯、钠和钾等在水与岩石作用过程中的改变可确定其水文学特征。
4. 化学组成：水文地球化学也可以表征水中的氧化、还原和酸碱度，这些是地球化学特征的重要参数。
例如，酸碱度和氧化还原反应可以表征和验证水的有机和无机化学特征，而水的痕量元素快速筛选可以为后续研究提供重要的知识基础。
二、水文地球化学的重要性水文地球化学可以帮助改善和开发水资源，促进水资源管理系统的改善。
它也可以计算和模拟水的运行行为，帮助能源利用者和其他参与者建立水管理合同，并使社会经济资源的重新利用成为可能。
此外，水文地球化学有助于减少水系统中的污染行为，为水质保护和治理提供必要的数据，它还可以用于评估水文学特征，如水面的相对可利用蒸发量。
总之，水文地球化学是一种新兴的重要学科，它可以为水资源开发和管理提供重要信息，帮助社会经济发展和水環境保護。
它涵盖了水文学和地球化学等多种研究领域，其结果可以为决策者提供实用的参考信息。
钾稳定同位素在水文地球化学领域的研究进展与展望摘要：钾（K）元素位于元素周期表第四周期第一主族，与钠元素同是重要的碱金属元素，也是一种重要的生命元素，以单价离子形式存在于自然界。
K元素在自然界存在3种同位素，包括39K、40K和41K，其中39K和41K是稳定同位素，两种稳定同位素分别占总K元素的93.2581%和6.7302%。
本文主要研究其稳定同位素组成以及分馏机理，文中的钾同位素指钾稳定同位素。
K的2个稳定同位素39K和41K相对质量差约为5%。
在岩石圈，钠、钾主要富集于硅酸盐矿物中，而在碳酸盐矿物中含量较低，两者在地壳中的元素丰度相近。
2种元素主要通过大陆风化过程进入水体，是河水及地下水中的主量元素。
由于二者的地球化学性质存在差异，钾在陆生水体中的含量要远低于钠，位于Ca、Na、Mg、K4大主量元素的末位，世界大河K/Na摩尔比值平均值仅为0.16，一些地下水K/Na可以低至0.0001。
已有的元素地球化学手段无法解释地下水K/Na可以很低的原因。
河流等水体中的K离子在迁移过程中，容易被一些沉积物、黏土所吸附，同时也可参与一些黏土如伊利石等层间阳离子构成，因此具备离子交换反应的能力，然而仅根据水体中K含量变化难以精确识别这些过程。
基于此，本篇文章对钾稳定同位素在水文地球化学领域的研究进展与展望进行研究，以供参考。
关键词:钾同位素；同位素分馏；吸附；化学风化；引言钾在自然界中有3个同位素：39K（93.258%）、40K（0.012%）和41K（6.730%）。
其中，39K和41K是稳定同位素，而40K是放射性同位素，半衰期为1.277×109a，可发生β衰变成40Ca，或通过K层电子捕获衰变为40Ar。
钾稳定同位素比值（41K/39K），一般用δ41K来表示：δ41K=[(41K/39K)样品/(41K/39K)标准-1]×1000。
20世纪30年代，由于分析测试精度的限制，天然地质样品中的钾同位素组成变化并没有得到有效的识别。
关于水文地球化学水文地球化学是地球化学的一个重要分支，主要研究地下水、地表水以及与水体有关的各种化学过程和现象。
它涉及到水圈、岩石圈和生物圈之间的相互作用，以及各种物理、化学和生物过程对水体化学成分的影响。
一、水文地球化学的概念水文地球化学是研究地球上水的分布、运动、循环及与其它物质相互作用的科学。
它以地球上水的化学性质为基础，研究水中溶解物质的含量、种类、分布规律及其与周围环境的关系，并探索这些化学过程如何影响地球上的自然环境和人类活动。
二、水文地球化学的研究内容1.水文地球化学循环：研究水中各种元素和化合物的来源、迁移和转化过程，以及这些过程对水圈的影响。
2.地下水化学：研究地下水的形成、储存和运动，以及地下水中的化学过程和反应。
3.地表水化学：研究河流、湖泊、水库等地表水体的化学性质和水质变化，以及这些变化对人类活动的影响。
生物地球化学循环：研究水中生物过程对地球化学循环的影响，以及水中生物过程与环境因素的关系。
4.水质评价与保护：研究水质的评价方法和标准，以及如何保护水资源免受污染和环境破坏。
三、水文地球化学的研究方法1.野外调查：通过野外调查可以获取水体的分布、水量和水质等信息，为后续研究提供基础数据。
2.实验室分析：通过实验室分析可以获取水样中的各种化学成分和微生物等信息，进一步了解水体的化学性质和水质状况。
3.数值模拟：通过数值模拟可以模拟水文地球化学过程和反应，进一步了解水体的运动和变化规律。
4.同位素分析：通过同位素分析可以了解水中物质的来源和年龄，进一步了解水体的形成和演变过程。
四、水文地球化学的意义1.资源保护：水文地球化学研究有助于了解水资源的分布、储量和质量状况，为保护水资源提供科学依据。
2.环境监测：水文地球化学研究可以监测水体是否受到污染，以及污染物的来源和扩散方向，为环境监测和治理提供支持。
3.生态保护：水文地球化学研究可以了解水中生物过程对生态平衡的影响，为生态保护提供科学依据。
水文学中的地下水水文地球化学特征研究随着经济和人口的增长，人们对地下水资源的需求逐渐增多。
同时，地下水的研究也变得越来越重要。
因为地下水是一种重要的水资源，不只是人们的生活和农业生产需要，也对环境和生态系统的平衡有重要影响。
地下水水文地球化学特征是地下水研究的重点，本文将围绕这一主题进行探讨。
一、什么是地下水水文地球化学特征地下水水文地球化学特征是指地下水在地下运动过程中发生的物理、化学和生物学反应及其相互作用所表现出来的特征。
水文地球化学特征的研究是深入了解地下水的质量、含量和分布规律的重要方法。
二、地下水水文地球化学特征的研究方法1. 地下水化学分析地下水化学分析是识别和定量研究地下水化学组成的方法，包括确定地下水的离子浓度、 pH 值、氧化还原电位等。
此外，还可以分析地下水中的溶解固体、挥发性有机物等物质。
2. 传统同位素分析同位素分析是研究地下水水文地球化学特征的重要手段。
传统同位素分析法包括氢氧同位素分析法、碳氮同位素分析法、稳定的硫和氧同位素分析法。
这些研究方法使我们能够了解地下水的起源、流动路径、水文地球化学变化过程等信息。
3. 放射性同位素分析放射性同位素分析法是研究地下水的起源和混合过程的主要方法。
例如，碳同位素分析可以确定地下水的年龄，然后可以用来揭示地下水的水文地球化学特征。
三、地下水水文地球化学特征的研究意义1. 了解地下水污染通过研究地下水的化学成分及同位素组成，可以了解地下水的天然成分和污染成分之间的变化。
这使我们能够更好地了解地下水污染的成因和分布规律，从而采取合适的措施进行保护和治理。
2. 评价地下水的可持续利用通过研究地下水在地下的运动和分布规律，掌握各地区地下水资源的变化特征和分布规律，制定合理的地下水资源利用方案，实现可持续利用。
3. 揭示地下水的地质活动过程地下水在地中的运动和滞留过程中会发生各种生物、物理、化学反应，对地质构造有着不可替代的影响。
通过研究地下水水文地球化学特征，可以深入了解地下水的存在方式、水文地球化学演化过程，全面理解地下水对地质构造演化的作用。
同位素水文地质学同位素水文地质学是研究地下水的同位素特征和其在地质和水文过程中的应用的学科。
同位素水文地质学的研究对于理解地下水系统的起源、补给和流动方式以及水资源管理具有重要意义。
背景和定义同位素水文地质学是地理学、地球化学和水文学交叉的学科，利用同位素的比例和分布特征来研究地下水的起源、水文动态以及水文地质过程。
同位素可以是地球自然界中存在的稳定同位素（如氢同位素、氧同位素、碳同位素等）或放射性同位素（如放射性碳-14、放射性锶-90等）。
地质学和水文学的重要性同位素水文地质学在地质学和水文学领域中发挥着重要的作用。
在地质学中，通过分析同位素特征，可以推断地下水体的来源、年龄及其受到的影响。
同位素水文地质学也可以用于研究水文过程，如水循环、水体补给、地下水的流动路径以及地下水与地表水之间的相互作用。
总之，同位素水文地质学在地质学和水文学的研究中具有重要的地位，为我们深入理解地下水体的形成和运动提供了有力的工具和方法。
同位素示踪技术是一种常用于水文地质研究的方法，它能够通过测量水中不同同位素的比例来揭示水文地质过程和水体来源。
同位素示踪技术主要包括同位素稳定性示踪和同位素放射性示踪。
同位素稳定性示踪同位素稳定性示踪是通过测量水体中不同同位素的稳定性同位素比例变化来推断水文地质过程。
稳定性同位素是指在天然环境中相对稳定的同位素，如氢（D/H）、氧（18O/16O）和碳（13C/12C）等。
这些同位素在水文地质中的应用广泛，能够揭示水的源地、水体的混合和水体的循环过程。
例如，氢同位素（D/H）可以用于确定水体的来源和补给方式。
氧同位素（18O/16O）常用于研究地下水与地表水之间的相互作用和补给关系。
碳同位素（13C/12C）则可以用于探究有机污染物的来源和迁移途径。
同位素放射性示踪同位素放射性示踪是利用放射性同位素分析方法来研究水文地质问题。
放射性同位素主要包括碳-14和氚等。
放射性同位素的测量可以揭示水体的循环速率、补给方式以及水体演化的时间尺度。
同位素水文地球化学
卫克勤
【期刊名称】《地球科学进展》
【年(卷),期】1992(7)5
【摘要】最近三十年来,由于同位素分析技术的发展,水的同位素分析已经成为水文地质学的现代研究方法之一。
水文地质工作者不仅研究水的化学组成,即溶解于水中的盐类的化学组成(水文地球化学)而且进而研究水本身及某些溶解盐类的同位素组成,以获得传统方法不可能得到的一些重要水文地质信息。
同位素技术应用于水文地质学领域,已形成一门新的学科——同位素水文地质学(Isotope Hydrogeology),或称为同位素水文学(Isotope Hydrology)。
同位素水文地质学包括用人工同位素示踪研究局部地区的水文地质条件,以及用环境同位素研究较广泛的水文地质学和地球化学问题两个完全不同的学科分支,后一个学科分支就是同位素水文地球化学。
【总页数】2页(P67-68)
【关键词】同位素;水文地球化学;地球化学
【作者】卫克勤
【作者单位】中国科学院地球化学研究所
【正文语种】中文
【中图分类】P641.12
【相关文献】
1.水文地球化学和环境同位素方法在地下水咸化中的研究与应用进展 [J], 祁惠惠;马传明;和泽康;胡孝景
2.沉积型和火山型地热流体的同位素水文地球化学对比研究 [J], 马致远; 李嘉祺; 翟美静; 吴敏; 许勇
3.滇西遮放地区水文地球化学及同位素特征 [J], 张七道;杨润柏;刘振南;尹林虎
4.四川地热流体水文地球化学及同位素特征简析 [J], 倪高倩;张恒;韦玉婷;胡亚召
5.淮南采煤沉陷区积水水文地球化学及氢氧稳定同位素特征 [J], 查君珍;姜春露;陈星;安士凯;郑刘根;陈永春
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河海⼤学⽔⽂地球化学知识要点⽔⽂地球化学复习资料根据⽼师PPT整理，由于时间有限，难免有漏缺和错误，有异议的部分以⽼师讲的为主第⼀章⽔具有较⼤的表⾯张⼒。
表⾯张⼒是指液体中处在液⾯层的分⼦受到⼀个朝向液体内部的合⼒作⽤⽔具有较⼩的黏滞度和较⼤的流动性。
黏滞性是⼀种表征液体内部质点间阻⼒(内摩擦阻⼒)程度的性质⽔具有使盐类离⼦产⽣⽔化作⽤的能⼒。
⽔分⼦的正极吸引着⽔中的阴离⼦，⽽负极则吸引着阳离⼦，这种⽔中离⼦与⽔分⼦偶极间的相互吸引作⽤，使得⽔中正负离⼦周围被⽔分⼦所包围的过程成为离⼦⽔化作⽤(离⼦的溶剂化作⽤)⽔具有⾼介电效应。
在⽔中盐类离⼦晶体发⽣离解时，⼀些⽔分⼦围绕着每个离⼦形成⼀层抵消外部静电引⼒(或斥⼒)的外膜，它会部分地中和离⼦的电荷，并阻⽌正、负离⼦间的再⾏键合，这种⽔分⼦的封闭外壳起绝缘效应(或屏蔽效应)，称为介电效应。
定义：两种或⼏种性质和化学成分不同的⽔相混合，形成具有新的性质和化学成分的⽔，这⼀过程称为混合作⽤⼤⽓降⽔是含杂质较少、矿化度较⼩的软⽔。
⼲旱地区⾬⽔中杂质较多，滨海地区降⽔中的Na+和Cl-⽐内地多，⼀般初降⾬⽔或⼲旱地区⾬⽔中杂质多，⽽长期降⾬后或潮湿地区⾬⽔中杂质少。
各⼤洋⽔流相通，所以世界各地海洋⽔质基本相似和稳定。
但在海洋的⽔平和垂直⽅向上，⽔质呈有规律的变化，在靠近海岸处成分变化更⼤。
各种天然存在的元素，在海⽔中⼏乎都能发现，它们以单离⼦、络合离⼦、分⼦等各种形式存在。
海⽔中宏量成分的含量按其顺序为Cl-、Na+、SO42-、Mg2+、Ca2+、K+、HCO3-、Br-当碳、氮、磷之间达到⼀定⽐例时，刺激⽔体中藻类⼤量繁殖，在表层⽔中形成巨⼤⽣物量，导致淡⽔⽔体中“蓝藻”和海⽔中“⾚潮”的发⽣，这就是常称得⼈为富营养化。
当量浓度：离⼦的摩尔浓度(mol/L)与其离⼦价的乘积。
正、负离⼦当量浓度之和相等。
1eq/L=1000meq/L。
地下⽔中分布最⼴、含量较多的离⼦（七种）：Cl-、SO42-、HCO3-、Na+、K+、Ca2+、Mg2+。
同位素技术在水文学中的应用同位素技术在水文学中的应用一. 基本概念1 .同位素同位素：具有相同原子序数(即质子数相同，因而在元素周期表中的位置相同)，但质量数不同，亦即中子数不同的一组核素。
特点：相同元素同位素的化学性质相同。
同位素的分类：按照同位素是否衰变，可将同位素分为：放射性同位素和稳定同位素。
按照同位素是否是由人工产生的，可将同位素分为：天然同位素和人工同位素。
2.同位素技术同位素技术就是利用水中天然存在的环境同位素（如2H、3H、18O、14C 等）来标记和确定水的年龄、特征、来源及其组成，或者在水中加入放射性含量极低的人工同位素作为示踪剂来确定水的运移和变化过程。
前者称为环境同位素技术，后者称为人工同位素示踪技术。
2.1同位素技术方法的一般程序：第一，要按照一定要求，采集待测试的样品，并按规定进行包装；第二，把样品送到实验室进行测试；第三，根据测试结果进行仔细分析。
2.2同位素技术方法：第一，同位素丰度：反映同位素成分组成的指标是同位素绝对丰度和相对丰度。
第二，同位素分馏：由于同位素质量不同，因此在物理、化学及生物化学作用过程中，一种元素的不同同位素在两种或两种以上物质(物相)之间的分配具有不同的同位素比值的现象。
自然界中的化学反应、不可逆反应、蒸发作用、扩散作用、吸附作用、生物化学反应等过程都能引起同位素分馏。
同位素分馏系数（α）表示两种物质之间的同位素分馏程度，等于两种物质的同位素比值（R）之商，即а=R A/R B（式中：R A为分子在A或是A相态中重同位素与轻同位素的比值，R B为分子在B或是B相态中的重同位素与轻同位素的比值）二.同位素在水文学中的应用20 世纪50 年代开始，同位素技术应用于解决各种水文学和水文地质学问题，随着同位素分析技术的发展，通过研究水体及某些溶解盐类的同位素组成，同位素技术和方法已经成为水科学研究的现代手段之一，同位素技术和方法可以有效地示踪水循环，如指示水的来源，水体的运移途径和数量，确定水的年龄，记录水岩相互作用的地球化学过程，环境同位素和人工同位素在水汽来源、地表水与地下水的相互作用、地下水起源及测年、水体污染物的来源以及气候变化和人类活动对水循环的影响等研究领域的应用十分广泛.为确定各类水体的成因和演化机制提供重要的依据，也为合理利用水资源奠定了基础。
第九章同位素水文地球化学方法同位素是指核内质子数相同（即核电荷相同、原子序数相同），而中子数不同（即原子量不同）的同一种元素。
它们在元素周期表中居于同一位置。
同位素水文地球化学可以用来解决水文学、水文地质学、资源和环境学中的许多问题。
在水文学中可用同位素来研究冰川的形成和年龄、河水流量、地表水的弥散作用、湖泊动力学、湖泊和水库的渗漏、悬浮泥沙、底砂搬运和沉积物；在土壤学中解决土壤含水量、土壤密度、非饱和带水的运移；水文地质学中的含水层特征、地下水起源、地下水年龄（滞留时间）、地表水与地下水的联系、含水层间越流、地下水的盐化、地热水的成因、地温；在资源开发中可用同位素来研究矿产的成因；在环境学中用同位素来研究污染源和污染途径；在工程中常用同位素来示踪等。
在同位素水文地球化学中区分有稳定同位素和放射性同位素；环境（天然）同位素和人工示踪同位素等。
以下将对放射性同位素、环境稳定同位素和人工示踪同位素分别进行介绍。
第一节同位素测定地下水年龄法一、测定地下水年龄的同位素数学物理模型1.基本概念根据放射性衰变定律，同位素测定年龄的基本方程为：t = (T1/2/ln2) ln(A0/A t) (9.1.1)式中，半衰期为T1/2 的放射性原子的衰变使它的放射性活度在时间段t内从A0减少为A t。
如果已知t=0时刻的初始放射性活度A0 和t时刻样品的放射性活度A t ，则我们就可以测定年龄。
但事情并非如此简单，一是五十年代热核试验以来，大气降水中的放射性同位素浓度（A0）已不是常量；二是地下水在渗流过程中会发生不同程度的弥散混合。
因此，计算地下水年龄时，首先要建立水混合的物理模型，然后根据同位素物质平衡原理建立数学计算模型。
用这种方法建立的地下水测年模型称之为测定地下水年龄的同位素数学物理模型。
为了建立数学模型，人们引入了地下水年龄分配函数g(t)的概念（Zuber, 1986, 1994）。
g(t)又称系统的反应函数或权重函数，其表达式为：g(t) = C I（t）Q / M （9.1.2）式中，C I（t）为因系统入口处t=0时刻的瞬时注入所导致的在实测点所观测到的示踪剂的浓度；Q为系统的流量；M为注入示踪剂的活度或质量。
地球化学中的同位素分析技术在地球科学领域中，同位素分析技术是一项关键而广泛应用的技术。
同位素分析可以为我们解析地球系统的演化过程、研究地下水资源的动态变化、了解生物地球化学循环等提供重要的线索和信息。
本文将介绍地球化学中常用的同位素分析技术，包括质谱法、放射性同位素法和同位素比值法。
一、质谱法质谱法是一种常见的同位素分析技术，主要用于确定样品中各种同位素的相对丰度。
该技术基于样品中同位素的质量差异，通过质谱仪将样品中的同位素分离出来，并通过检测器进行检测和分析。
常用的质谱法包括质谱质谱法（MS-MS）和电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）。
质谱质谱法结合了质谱仪和质谱/质谱仪的优点，可以提高同位素测量的准确性和灵敏度。
而ICP-MS技术则可以同时测量多种元素的同位素组成，并具有高灵敏度和高分析速度的特点。
二、放射性同位素法放射性同位素法是一种基于放射性同位素衰变的分析技术。
每种放射性同位素都有其特定的半衰期，通过测量样品中放射性同位素的衰变速率，可以确定样品的年龄、起源等信息。
常用的放射性同位素包括铀、钍、铀系列等。
放射性同位素法在地质学、环境科学和考古学等领域得到广泛应用，为我们提供了研究地球演化和环境变化的重要工具。
三、同位素比值法同位素比值法是一种基于不同同位素的比例关系进行分析的技术。
通过测量样品中不同同位素的比值，可以获得一些关于样品来源和过程的信息。
常用的同位素比值法包括碳同位素比（δ13C）、氮同位素比（δ15N）和氧同位素比（δ18O）等。
这些同位素比值可以用于研究生物地球化学循环、古气候变化、水文地球化学等方面。
四、案例分析在一个地下水资源调查项目中，同位素分析技术被广泛应用。
研究人员采集了地下水样品，并使用质谱法测定了样品中各种同位素的浓度。
通过分析地下水中氧同位素比（δ18O）和氢同位素比（δ2H），研究人员可以判断水体的来源以及水文循环过程。
此外，还可以通过测量样品中放射性同位素的浓度，获得地下水的年龄和补给速率等信息。
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。
地下水中的同位素一方面包括水自身的氢、氧同位素，另一方面还包括水中溶质的同位素。
氢有三种同位素，分别是：1H，称其为氕，以H来表示；2H，称其为氘，以D来表示；3H，称其为氚，以T来表示。
氧有六种同位素，分别是：14O、15O、16O、17O、18O和19O。
上述氢和氧的同位素中，1H、2H、16O、17O和18O为稳定同位素，其余为放射性同位素。
氢的两种稳定同位素在水中的含量比例为H:D=5000:1；氧的三种稳定同位素在水中的含量比例为16O:17O:18O=3150:5:1。
可见，氢的两种稳定同位素中H占绝对优势，氧的三种稳定同位素中，16O 占绝对优势。
地下水中溶质的同位素是指地下水与周围环境相互作用过程中进入水中的除氢、氧以外的其它元素的同位素。
其中既包括了稳定同位素，也包括了放射性同位素。
最常见的对水文地质研究有重要意义的稳定同位素有：12C和13C、32S和34S、28Si和30Si等。
常见的较有意义的放射性同位素有：C14、Cl36、U238、U234、Th232、Ra236、I131、Cr51和Fe59等，其中C14的应用最广泛，由于其半衰期较长，为5730年，因此可对年代较久远的地下水的年龄进行测定4.1.2 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含量，同位素组成的表示方法主要有：同位素丰度、同位素比值(R)和千分偏差值(δ)。
1. 同位素丰度某元素的各种同位素在给定的范畴，如宇宙、大气圈、水圈、岩石圈、生物圈中的相对含量称为同位素丰度。
例如，氢同位素在自然界的平均丰度为：1H=99.9844%，2H =0.0156%，又如，海水的氧同位素丰度为：16O=99.763%,17O=0.0375%，18O=0.1995%。
2. 同位素比值(R)同位素比值(R)值是指样品(物质)中某元素的重同位素与常见轻同位素含量(或丰度)之比，即：( 4-1-2 ) 式中X*和X表示重同位素和常见轻同位素含量。
例如，海水氢氧同位素的R值为：同位素比值(R)和丰度一样，可反映出样品同位素的相对含量关系。
但天然样品R值的变化一般都很小，不能一目了然地分辨出其变化的程度。
为此，人们引入了同位素含量的另一种表示方法——千分偏差值(δ)。
3．千分偏差值(δ)千分偏差值(δ)是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(‰)=( 4-1-3 )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。
若δ>0，表明样品较标准品富含重同位素；若δ<0，表明样品较标准品贫化重同位素；δ=0则表明样品的重同位素含量与标准品相同。
样品的δ值可通过质谱仪直接测得，因此在同位素地球化学文献中，通常都用δ值来表示物质的同位素的组成。
但δ值的大小与选用的标准样品直接相关，为此国际上对各类同位素分别规定了统一的标准样品，表4-1-1列出了地下水中常见同位素的国际标准。
需要说明的是，2H和18O原来的标准是SMOW，现已被VSMOW(Vienna Standard Mean Ocean Water)所取代；同时，国际原子能机构(IAEA)也用VPDB取代了PDB，目的是在皮迪组箭石被完全用完以前，通过与原有标准的校正，建立起新的标准。
表4-1-1 地下水中常见同位素δ值的测定的国际标准国际标准同位素比值标准代号含意同位素丰度2H 2H/1H VSMOW 维也纳标准平均海水 1.5575×10-4Atmospheric3He 3He/4He大气氦 1.3×10-4He11B 11B/10B NBS 951 美国国家标准局951硼酸 4.04362美国南卡罗莱纳州白垩系皮迪组箭13C 13C/12C VPDB1.1237×10-2石Atmospheric15N 15N/14N大气氮 3.677×10-3N218O 18O/16O VSMOW 维也纳标准平均海水 2.0052×10-334S 34S/32S CDT 美国Diablo峡谷中的陨硫铁(FeS) 4.5005×10-2(据Kehew，2001)4.1.3 同位素分馏1．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。
产生同位素分馏的主要原因是不同同位素分子间质量的差异，这种差异导致了其物理、化学性质的不同，进而使得不同同位素分子以不同的比例分配于各种物质或物相之中。
表4-1-2列出了水的几种同位素分子的物理、化学性质，可见这些同位素分子之间在物理、化学性质上有明显的不同。
表4-1-2 1H216O、1H218O和2H216O的某些物理化学性质物理、化学性质1H216O 1H218O 2H 216O分子量18.01057 20.01481 20.02312密度(20℃，g/cm3) 0.9979 1.1106 1.1051最大密度时的温度(℃) 3.98 4.30 11.24熔点(℃) 0.00 0.28 3.81沸点(℃) 100.00 100.14 101.42蒸汽压(100℃，Pa) 101325 100831.7 96250.4粘度(20℃，10-3Pa∙s) 1.002 1.056 1.247介电常数(25℃) 78.25 78.54偶极距(D，25℃) 1.86 1.87 同位素分馏的结果使得重同位素相对富集于一种物质或物相中，而轻同位素则在另一种物质或物相中富集。
通常用同位素分馏系数(α)来表示同一体系中两种物质(物相)之间同位素分馏的程度，其定义式为：( 4-1-4 )式中，R A为A物质的同位素比值，R B为B物质的同位素比值。
αA－B>1，说明A物质比B物质富含重同位素；αA－B<1，则说明B物质比A物质富含重同位素；αA－B=1，说明A、B物质中的重同位素含量相同。
根据δ值的定义式(4-1-3)：故有：代入式(4-1-4)可得：( 4-1-5 )这样，只要测得了一个体系内两种物质的δ值，使用式(4-1-5)便可求得它们之间的同位素分馏系数。
除了分馏系数外，通常还用分馏差Δ来反映两种物质之间的同位素分馏程度。
对于A、B两种物质，其分馏差定义为：ΔA－B=δA- δB(4-1-6) 对式(4-1-5)两边同时取对数有：由于δ/1000通常远小于1，故有：即(4-1-7)由此可见，103lnαA-B能近似地用两种物质同位素组成的差值表示。
因此，只要测定出样品的δ值，就可直接计算出103lnαA-B。
2．同位素分馏的分类同位素分馏可分为同位素平衡分馏和同位素动力分馏两种类型。
同位素平衡分馏包括了许多机理很不相同的物理化学过程，但这些过程最终都达到了同位素分布的平衡状态。
一旦同位素平衡状态建立后，只要体系的物理、化学性质不发生变化，则同位素在不同物质或物相中的分布就维持不变(魏菊英等，1988)。
我们把体系处于同位素平衡状态时，同位素在两种物质或物相中的分馏称为同位素平衡分馏。
平衡分馏一般具有下述的规律：(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%。
(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；对于存在于CO2、HCO3-、CaCO3中的13C和18O来说，。
同位素动力分馏是指偏离同位素平衡分馏的一类同位素分馏现象。
许多物理、化学、生物过程都能引起同位素的动力分馏。
一般的同位素平衡分馏与时间无关，而同位素动力分馏则是时间的函数，即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。
由于同位素动力分馏涉及到了反应速度、反应过程及其机理，从而使得这类问题的研究要比同位素平衡分馏的研究困难得多。
目前研究得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。
3．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。
