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1、同位素技术在水文地理学中的应用1课程目的29.1 什么是同位素核内质子数相同，所含中子数不同的一类核素o在化学元素周期表中占据相同位置，它们具有相同的核外电子排布结构，因而总的化学性质相同，只是质量不同。氘(D)氚(T)3同位素分类根据原子结构的稳定性o稳定同位素原子核的质子数和中子数以及原子核结构都是稳定不变的，自然界中多数原子核都属于这一类，如2H、18O。应用：示踪o放射性同位素原子核含有较多的中子或质子，它就会发生裂变以形成一个稳定的核。原子核不稳定能自发进行放射性衰变或核裂变而转变成其它一类核素的同位素称为放射性同位素，如天然同位素3H、14C等。应用：测龄，示踪4同位素分类根据同位
2、素来源o天然同位素地理学中最常用的天然同位素是稳定同位素2H、18O、15N、13C和放射性同位素3H、14C；o人工同位素通过人工方法（如核反应、粒子加速器等）制造出来的同位素，如核爆产生的3H等。5同位素示踪的基本原理同位素分馏o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1H1H16O2H2H18O蒸发过程重同位素分子有较低的活动性：质量大的分子具有较小的速度，与其他分子的碰撞频率较小，这也就是质量轻的分子反应速度快的原因思考：随温度升高，同位素分馏程度如何变化？6同位素示踪的基本原理同位素
3、分馏o实质：轻重同位素分子结合力的差异造成的分子活性差异o自然界中的化学反应、蒸发作用、扩散作用、吸附作用、生物化学反应都能引起同位素分馏。o应用：经过同位素分馏作用，同一元素的同位素在不同物质或同一物质的不同相态的轻重同位素含量不同重同位素含量不同，为分析物理、化学及生物反应提供了条件。7同位素含量的描述同位素丰度o一种元素的各种同位素在原子中所占的百分比称为同位素丰度氢氢氧氧同位素同位素丰度（丰度（%）同位素同位素丰度丰度1H99.98516O99.7572H（D）0.01517O0.0383H（T）18O0.205氘氚8同位素比率同位素比率是一种元素的两种同位素丰度之比9千分差值值是指样
4、品中两种稳定同位素的比值相对于标准样品同位素比值的千分之偏差o值能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。如值为负值，表明样品中的稀有元素比标准样品少，反之，表明样品中稀有元素比标准样品多。10常见同位素的标准样品2H,18Oo 维也纳标准海洋水（VSMOW）。13Co美国南卡罗莱州白垩纪皮狄组的拟箭石（PDB）34So美国迪亚布洛峡谷铁陨石中陨硫铁的硫（CDT）15No大气N211稳定同位素技术在相关研究领域中的应用2H（D）,18O在水循环研究中的应用15N,18O在识别硝酸盐污染研究中的应用13C,15N在生态系统研究中的应用稳定同位素在气候变化研究中的应用129.2 2H,
5、18O在水循环研究中的应用2H(D),18O是水中的天然示踪剂蒸发及降水过程中 D与 18O是怎么变化的？水中D与 18O有什么关系？海洋 18O：0水汽 18O：-10降水 18O：-7降水后水汽 18O：-13河流 18O：-5土壤 18O：-413大气降水同位素特征全球大气降水线方程（GMWL）：D=818O+10区域大气降水线方程（LMWL）同位素富集同位素贫化大气降水中D和18O的富集或贫化与什么因素有关？14 大气降水的同位素效应温度效应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。地点平均气温（）18O值（）18O-t线性方
6、程相关系数乌鲁木齐7.66-12.0118O=0.417t-15.2020.886包头12.69-8.4818O=0.181t-10.7710.624拉萨13.6-18.8718O=0.667t-27.8070.74石家庄13.87-7.9518O=0.121t-9.6350.371太原14.53-5.5318O=0.008t-5.6470.662张掖15.89-6.818O=0.54t-15.380.662兰州17.21-6.3718O=0.327t-11.9960.63615 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16 大气降水的同位素效应季
7、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。大陆效应o大陆效应也称离岸效应，也就是大气降水的同位素组成随远离海岸线逐步降低17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o研究古气候利用冰芯中保留的古降水中的氢氧同位素特征，推断古代气温变化18土壤水与地下水同位素特征受土壤水蒸发的影响，在土壤剖面上同位素在地表富集地下水某农田剖面的氧同位素观测数据19土壤水与
8、地下水同位素特征蒸发后的土壤水分和随后降水补给水分的混合补给地下水。蒸发线湿润干旱20同位素在径流分割中的应用降水后径流成份组成示意图21同位素在径流分割中的应用利用同位素分割径流成分o同位素混合方程sig22同位素研究地下水补给降水入渗补给过程o同位素示踪补给方式o估算补给速度降水入渗活塞式入渗活塞式入渗捷径式入渗（捷径式入渗（优优先流入渗）先流入渗）23同位素研究地下水补给地下水补给的复杂性o山前平原（沙漠）当地降水；山区降水；冰川融水o现代降水；古降水同位素研究地下水补给主要应用于什么气候类型的地区？为什么？24研究实例陈建生等在Nature（2004）发表论文：Groundwaterm
9、aintains dune landscape利用氢氧稳定同位素分析，得到结论：中国西北阿拉善高原的巴丹吉林沙漠下隐藏着大量的淡水资源，其与500公里以外的祁连山冰川积雪之间，更存在着一条巨大的“调水通道”祁连山深大断裂。25土壤-植物-大气系统中的氢氧同位素18O在大气植物土壤界面上的在大气植物土壤界面上的传递传递和分和分馏馏示意示意图图（数据来源（数据来源:Dawson（2002）andYakir（2000）如何利用如何利用氢氢氧同位素研究土壤氧同位素研究土壤-植物植物-大气系大气系统统的水循的水循环过环过程？程？26土壤-植物-大气系统中的氢氧同位素研究植物根系吸水深度o根系在吸水过程中
10、不存在同位素的分馏作用27研究实例问题的提出o玉米在不同生长阶段根系主要利用的是哪个深度的土壤水？有什么意义？28研究实例问题的提出o玉米在不同生长阶段根系主要利用的是哪个深度的土壤水？o传统的研究方法根系挖掘缺点？o同位素示踪方法前提条件？29研究实例玉米不同生长期的主要根系吸水深度拔节期开花期完熟期30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）319.3 15N,18O在识别硝酸盐污染研究中的应用硝酸盐（NO3）污染的危害o硝酸盐在消化道中可被还原成有毒的亚硝酸盐，亚硝酸盐将低铁红蛋白氧化成高铁红蛋白，使之失去输送氧的能力，另外亚硝酸盐还可与仲胺类化合物反应生成具有致癌作用
11、的亚硝胺类物质。o长期饮用含高浓度硝酸盐的水，会使人畜中毒。典型的是是“蓝婴儿综合征”，症状为婴儿身体发蓝色，呼吸短促。o是引起水体富营养化的重要物质3215N,18O在识别硝酸盐污染研究中的应用硝酸盐（NO3）的污染来源o天然硝酸盐大气沉降土壤氮硝化作用产生的NO3o人为硝酸盐农业合成氮肥生活污水、人畜粪汁如何识别硝酸盐污染来源？3315N,18O在识别硝酸盐污染研究中的应用不同来源NO3的15N和18O取值范围示意图修改自Kendall(1998)、Xue et al.(2009)和Nestler et al.(2011)3415N,18O在识别硝酸盐污染研究中的应用研究实例Li S.,L
12、iu C.,Li J.,Liu X.,Chetelat B.,Wang B.,Wang F.Assessment of the Sources of Nitrate in the Changjiang River,China Using a Nitrogen and Oxygen Isotopic Approach.Environmental Science&Technology.2010,44(5):1573-1578.3515N,18O在识别硝酸盐污染研究中的应用研究实例3615N,18O在识别硝酸盐污染研究中的应用研究实例379.4 13C,15N在生态系统中的研究应用不同区域植物中存在
13、稳定同位素(H,C,N,O)组成差异o不同地理分布的植物存在不同的13C值植物13C值还受土壤含水量、湿度、光照、温度和大气CO2浓度等环境因子的影响C3类植物C4类植物CAM类植物13C：-22-3013C：-9-1413C：-10-30水稻、小麦、大麦、燕麦、黑麦、马铃薯、甘薯、豆类、茄果类、叶菜类玉米、高粱、甘蔗、谷子菠萝38同位素在食物链中的传递判断动物的营养级有什么意义？39同位素在食物链中的传递在一定环境条件下,动物组织15N值在相邻营养级间差异(15N)明显,且比较恒定,大约为3.0 5.0化分动物的营养级相邻营养级间13C值的差值(13C)较小,约为0.41.0,15N和13C
14、哪个更适合于判断动物的营养级？4013C,15N研究食物链结构4113C,15N研究食物链结构传统的食物链结构研究方法o通过直接观察、胃容物分析、食物残留物分析及其粪便分析等来实现.数据只能反映动物最近取食情况,很难调查动物的食物变化,尤其是较长时间段内或是动物一生的取食变化情况;数据只能反映表面现象,对于有些食物,动物虽然采食了,但并没有被消化吸收对于有些体型很小的动物(昆虫和土壤动物),调查更为困难.缺点4213C,15N研究食物链结构动物组织同位素值反映食物的同位素组成特征o动物呼出气体和血液同位素值反映的是几小时到几天的食物特征;o脂肪、肌肉和毛发等组织同位素值反映的是几周、几个月甚至
15、几年的食物特征;o骨骼、牙齿则反映其几十年、一生的食物变化特征43实例研究利用稳定同位素示踪技术,分析崇明东滩盐沼湿地夏季不同生境大型底栖动物的食物来源和营养结构44实例研究天津厚蟹和无齿相手蟹的食物主要来源于沉积有机质和维管束植物中华拟蟹守螺的食物来源较多,沉积有机质、悬浮颗粒有机质和植物都占一定比例,反映出其对食物的选择性不大弹涂鱼的15N值较高,以捕食小动物为食45实例研究利用同位素研究食物来源在考古学的应用46实例研究利用同位素研究食物来源在考古学的应用o原理C3类植物C4类植物CAM类植物13C：-22-3013C：-9-1413C：-10-30水稻、小麦、大麦、燕麦、黑麦、马铃薯、
16、甘薯、豆类、茄果类、叶菜类玉米、高粱、甘蔗、谷子菠萝动力肌肉，富集1 骨骼中骨胶原，富集5 骨骼中羟磷灰石，富集12 47实例研究利用同位素研究食物来源在考古学的应用o原理：15N规律豆科植物：0%；非豆科植物：23食草类动物的15N,大约为37一级食肉类动物以及各种鱼类,15N 值为912大气N2 15N，0二级食肉类动物,15N 值更高48实例研究贾湖先民主要以C3 类食物为食,食谱属于杂食类49实例研究狩猎和捕捞业作物种植家畜驯养由由15N分析不同分析不同阶阶段古人段古人类类食物食物结结构的构的变变化化采集50稳定同位素在研究动物分布格局及活动原理o陆地上不同区域植物同位素组成(D,13
17、C,15N和18O)有明显差异o动物组织中的同位素组成总是与其食物中的同位素组成相一致o动物从一个地方迁移到其他地方时,动物组织中的同位素特征就会转化为新食物的同位素组成o这种转化是一种动态的渐变过程,原来食物的同位素特征还会在动物组织中保留一段时间51稳定同位素研究动物分布格局及活动Hobson和Wassenaar利用大陆上D的分布格局研究了新热带区鸟类在繁殖地与越冬地间的迁移活动.他们分析了北美洲落叶阔叶林中6种候鸟羽毛 D值时发现,羽毛 D值与该地区降水中的平均 D值密切相关(R2=0.89),并且随地理纬度变化呈现明显规律性变化.52有机质迁移、来源分析53冬季较负的13C和15N值分
18、布主要归因于陆源输入的贡献54实例分析利用13C估算有机质陆源贡献率和水生生物贡献率o陆源(-27.1)和水生生物(-23.6)55稳定 同位素在农产品安全中的应用鉴别蜂蜜o蜜源植物属C3 植物,13C约为-30-22 o高果糖玉米糖浆的植物属C4 植物,13C约为-14-9鉴别果汁追溯动物的饲料和地理起源o13C,D,18O569.5 稳定同位素在气候变化研究中的应用气候变化研究方法o湖泊沉积物沉积物粒度：降水量多少碳酸盐沉积：代表相对湿润的气候稳定同位素（13C，18O）地球化学指标：Sr,Rbo年轮年轮宽度、密度、灰度：降水量、气温稳定同位素（13C，18O，2H）57稳定同位素在气候变
19、化研究中的应用冰芯o冰川积累量：降水量o稳定同位素（18O，2H）：气温o地球化学指标o微生物石笋o稳定同位素（18O，2H）：降水量，气温，大气CO2浓度o石笋微层：降水量o地球化学指标 孢粉：植物-气候海洋沉积物，珊瑚58实例研究冰芯氧同位素为什么可以研究气候变化？59实例研究从格陵兰冰芯氧同位素变化要以得到什么结论？60实例研究61实例研究62实例研究氧同位素对气温的指示63实例研究冰川积累量对降水量的指示64实例研究65树木年轮稳定同位素研究气候变化12CO213CO2植物体内的13C相比空气CO2是大还是小？66光合作用中13C同位素分馏原理植物体内的13C的影响因素o降水降水少，植
20、物体内水分少，气孔变小，植物体内CO2分压减小，13C分馏减小，13C值变大o温度温度高，植物蒸腾作用强，气孔变大，13C值变小o大气CO2浓度大气CO2浓度减小，13C值变大67实例研究68实例研究69实例研究多个气象因素合成一个复合因子oTH=温度-降水量oTH大，暖干；TH小，冷湿70实例研究应用同位素进行气候重建719.6 放射性同位素原子核自发放射出各种射线的现象称为放射性，放射性射线主要由、三种射线组成。o衰变：原子核中的过剩中子转变为质子并放出一个电子和反中微子n p+Qo+衰变：原子核中过剩质子转变成中子并放出+粒子和中微子（v）p+n+Qo电子俘获(EC)：p+e n+Qo
21、衰变：72放射性同位素原子核自发放射出各种射线的现象称为放射性，放射性射线主要由、三种射线组成。o射线：即光子，波长很短，穿透力强o射线：即氦核，质量大，穿透力弱，电离作用强o射线：即电子，穿透力弱，电离作用弱73放射性衰变规律单位时间内衰变的原子核数目与t时刻存在的原子核数目成正比o式中：Nt时刻母体的原子核数目；-dN/dt衰变速率，负号表示随时间而减少；衰变常数，表示一个原子核在单位时间内发生衰变的几率。74放射性衰变规律oN：t时刻母体的原子核数目；-dN/dt：衰变速率，负号表示随时间而减少；：衰变常数o积分可得o当t=0时，N=N0，则o将C值代入o得到指数衰减公式o得出原子核由N
22、0衰变到N的时间-lnN=t+CC=-lnN0ln(N/N0)=tN=N0etln(N/N0)=tN=N0et75半衰期(t1/2)半衰期o放射性原子核的数目衰减到原有数目的一半所需要的时间o不同核素的半衰期差异很大，3H半衰期为12.43年，14C的半衰期为5730年，36Cl半衰期为30万年。76放射性同位素单位表示放射性活度（或放射性强度）o时间内的衰变次数，常用Becquerel(贝可，Bq)表示，即每秒放射性衰变一次（1dps）为1Bq。o另外一个表示单位为居里（Curie,Ci），定义为每秒衰变3.71010 次放射性比度o表示液体和气体样品的放射性浓度单位一般为Bq/m3。表示固
23、体样品的放射性浓度单位为Bq/g，773H和14C同位素组成的表示天然水中3H（氚）浓度常用“氚单位”TU（Tritium unit）表示o1氚单位相当于1018中氢原子中存在1个氚原子的放射性强度。14C含量通常用样品的放射性浓度表示，即Bq/g。o由于直接测定14C的绝对浓度非常困难，在实际应用中常用相对浓度单位表示，即样品的放射性比度与标准样品的放射性比度相比，也称样品的现代碳百分含量（pmC）（pmC）78放射性同位素定年长半衰期的放射性同位素（14C、36Cl和81Kr等）可用来测定古地下水年龄；较短半衰期的放射性同位素（3H、37Ar、85kr等）可测定近几十年以来的地下水测龄范围
24、介于年轻地下水与古地下水之间的“次现代”水年龄的39Ar和32Si等。o目前，比较成熟且常用的放射性同位素有3H和14C。3H主要测定近50年以来的“年轻”地下水，14C常用于测定2000-20000年的古地下水年龄。793H法测定地下水年龄氚（3H或T）是氢的放射性同位素，它的半衰期为12.43年。3H的来源：宇宙射线；人工核实验3H法估算地下水年龄是根据地下水是否受到20世纪60年代核爆试验期间产生的大量核爆氚的标记，将地下水形成时间划分为核爆试验前和核爆试验后两个阶段。o1953年核爆试验之前，全球大气降水氚浓度的背景值为10TU左右，1953年至20世纪6070年代全球大规模的核爆试验
25、产生的巨量氚使大气降水的氚浓度急剧增大80北半球北半球3H 浓度浓度(TU)北半球北半球陆陆地降雨中地降雨中3H平均含量的平均含量的历时历时分布曲分布曲线线813H法测定地下水年龄Ian Clark 和Peter Fritz（1997）针对大陆地区提出如下的地下水年龄的经验划分方案：o30TU相当一部分可能为20世纪6070年代补给；o50TU主要在20世纪6070年代补给。8214C法测定地下水年龄14C测定年龄介于2,000-20,000年古地下水的重要手段。o利用地下水14C年龄测定结果可以很好地确定地下水流向和地下水的循环速度，并结合其他气候变化指标恢复地下水形成的古气候古环境条件，以
26、及作为约束条件提高地下水流模型数值模拟的精度。8314C法测定地下水年龄的假设条件初始14C含量在所确定的年龄范围内是一个常数o一般假设大气CO2的14C浓度为104.3pmc，土壤二氧化碳中14C含量一般为100pmc。14C在地下水系统中的浓度仅受放射性衰变影响o碳酸盐矿物的溶解稀释、碳酸盐矿物的沉淀分馏以及同位素交换反应等因素会影响地下水中14C浓度，实际应用时需要利用模型校正年龄。84地下水中14C的浓度地下水14C测年是应用地下水中的溶解无机碳（DIC）作为示踪剂，测定地下水中溶解无机碳的年龄。一般认为地下水中的溶解无机碳与土壤CO2隔绝后便停止与外界14C的交换地下水14C年龄是指
27、地下水和土壤CO2隔绝后“距今”的时间。85影响地下水14C浓度的主要因素碳酸盐矿物的溶解稀释反应o碳酸盐矿物多为地质历史时期形成，所以其14C浓度一般为0pmc。碳酸盐矿物溶解进入地下水中会使地下水14C浓度减小，即“稀释反应”。碳酸盐矿物的沉淀反应o碳酸盐矿物的沉淀过程会产生同位素的分馏，在沉淀过程中地下水14C浓度减小。同位素交换反应o包气带中土壤CO2 与地下水DIC之间以及在含水层饱和带中碳酸盐矿物与地下水DIC之间存在同位素交换反应86地下水中地下水中3H和和14C的关系的关系87地下水地下水CFCs定年定年CFCs是Chlorofluorocarbons（氯氟烃，又名氟利昂Freon）的缩写，是分子结构中含有氯氟和碳、化学性质稳定、无毒、挥发性强的一类有机化合物的总称其中的CFC-11(CCl3 F)、CFC-12(CCl2 F2)、CFC-113(C2Cl3 F3)是化学上稳定的纯人工的化合物。88大气CFCs浓度变化北美大气CFCs浓度和CFC比值曲线(据Use of Chlorofluorocarbons In Hydrology,IAEA,2006)89实例研究90实例研究91实例研究92实例研究主要结论939.7 同位素实验测量94同位素实验测量95同位素实验测量96