第二部分 大气降水、地表水、地下水同位素研究中的一些问题

第二部分：大气降水、地表水、地下水应用中的几个问题一.大气降水的同位素分布特征1.大气降水氢氧同位素基本特征大气降水氢氧同位素组成特征：δD－δ18O值之间呈线性变化；大多数地区大气降水的δD和δ18O为负值；δ值与所处地理位置有关，并随离蒸气源的距离增大而变得更负。降水方程：由于水在蒸发和凝结过程中的同位素分馏，使大气降水的氢氧同位素组成出现了线性相关的变化。这一规律最早是由Craig（1961）在研究北美大陆大气降水时发现的，并把这一规律用数学式表示为：δD=8δ18O+10这就是降水方程，又称之为Craig方程（图2-2-1）。H:99.9814％,D：0.0156％；16O：99.762％，17O：0.038％，18O：0.200％天然水：；H216O（18）、HD16O（19）、D216O（20）、H217O（19）、HD17O（20）、D217O（21）、H218O（20）、HD18O（21）、D218O（22）等不同类型的同位素水分子的聚合体。H216O分子在水中占绝对优势，其它相对较重同位素水分子含量很少。蒸发过程中的同位素分馏受两种因素制约：水同位素分子的质量数（振动频率）；氢键的强弱（同位素水分子的结构，静电引力的大小差异）。降水过程中的同位素分馏主要受同位素水分子结合能的影响。造成大气降水的氢氧同位素组成呈线性分布，大气降水方程的斜率和截距的变化，受蒸发和凝结过程中的同位素分馏程度所制约。图2-2-1为大气降水中δD-δ18O关系图（Craig，1961）（2）δD－δ18O图形：在δD－δ18O的图中可以直观地得到以下规律：（1）温度低、寒冷季节、远离蒸气源的内陆、高海拔、或高纬度区的大气降水的同位素组成，一般落在降水线的左下方，反之其它降水的同位素组成落在降水线的右上方。（2）偏离全球降水线，斜率较小的蒸发线（或地区降水线），则落在它们的右下方。斜率越小，偏离降水线越远，并反映其蒸发作用越强烈。（3）蒸发线和降水线的交点，可近似反映出蒸气源水的原始平均同位素组成。（4）两种不同端元水的混合，例如，经蒸发的水与雨水混合的水体，其同位素组成落在该水体蒸发线和雨水线之间的区域内，它与两种端元水的距离，可近似地反映其混合量。Y.Yurtsever（1975）利用降水的平均同位素组成与纬度、高度、温度和降水量作多元回归分析，其线性方程为：δ18O=a0+a1T+a2P+a3L+a4A式中：T为月平均温度（℃）；P为月平均降水量（mm）；L为纬度；A为高程（m）；a0、a1、a2、a3、a4分别为回归系数。2.1温度效应大气降水的平均同位素组成与温度存在着正相关关系。(1)北大西洋沿海地区，在中-高纬度滨海区，降水的年平均加权δ值与年平均气温（t）关系为：δ18O=0.695t－13.6δD=5.61t－1002.大气降水过程中的同位素效应(2)北半球的Thule,Groenedal,Nord和Vienna等地，获得降水的δ18O和月平均温度的关系为：δ18O=(0.521±0.014)t－(14.96±0.21)‰r=0.893莫斯科地区的相关方程（Polyakov和Kolesnikova，1978）为：δ18O=(0.34±0.03)t－(12.6±0.3)‰r=0.82δD=(2.4±0.2)t－(101±2)‰r=0.89维也纳地区的相关方程（Polyakov和Kolesnikova,1978）为：δ18O=(0.40±0.04)t－(13.2±0.5)‰r=0.74δD=(2.94±0.19)t－(99.3±16.9)‰英格兰地区的相关方程（T.L.Evans等，1979）为：δ18O=0.23t－8.62‰r=0.77根据地矿部水文地质工程地质研究所1988年的资料，我国部分地区δ18O值与气温的相关方程列于下表2-4中。2.2纬度效应大气降水的平均同位素组成与纬度之间存在着相关的变化（图2-2）。我国东北地区大气降水的纬度效应为：δ18O=－0.24NL°+0.04(r=0.945)δD=－1.84NL°+6.88(r=0.9508)式中NL°为北纬纬度。2.3纬度效应大气降水的δ值随地形高程增加而降低称之高度效应，它的大小随地区的气候和地形条件不同而异。在同位素水文地质研究中，常常借助研究区内大气降水的同位素高度效应来推测地下水补给区的位置和高度。（1）世界各地大气降水的高度效应：如表2-5及图2-3。①尼洋河高度效应δD=-1.553‰／100m-54.31(r=0.97)δ18O=-0.1966‰／100m-11.26(r=0.99)T=0.2527Tu／100m+5.85(r=0.999)巴河桥采样点水样的δ18O、T(氚)值异常未参加高度效应的线性回归处理。上式表明该地高度与δD、δ18O呈负相关、与氚值呈正相关变化。②拉萨河流域的气象条件较为复杂，大气降水受孟加拉湾水汽和怒江地区大陆性水汽的影响，当地的高度效应没有明显的规律，但在局部范围内，如：在藏青唐古拉山南麓旁多-当雄–羊八井一线，氧同位素高度效应，为δ18O=-0.3017‰／100m-1.974（r=0.9011）。③年楚河流域的同位素高度效应也十分明显，从雅鲁藏布汇合口的日喀则，海拔高度为3836m，δD、δ18O分别为-150.3‰和-18.52‰，向上游追溯，到江孜，海拔高度为4040m，δD、δ18O分别降至-152‰和-19.60‰。高度效应：δD=-1.128‰／100m－107.05；δ18O=-0.5294‰／100m+1.788。西藏南部地区，高度效应的变化较大，这一变化主要是沿河谷逆流而上的降水云气运移距离长，且经历了下游河谷口（亚热带）、中下游（温带）至中上游（寒带）不同气候带的变化，实际上是区域性大陆效应和高度效应的综合反映。（2）西藏雅鲁藏布江河谷降水的高度效应：雅鲁藏布江干流和其他主要支流的大气降水均存在同位素高度效应。2.4大陆效应降水的同位素组成随远离海岸线而逐步降低，这一现象称之为大陆效应，如图2-5。西藏南部雅鲁藏布江河谷一带的大气降水同位素分布具有明显的区域性大陆效应，其同位素组成大致有如下的分布趋势：①雅鲁藏布江干流逆流而上δD（‰）、δ18O（‰）、T(氚，Tu)值呈有规律得分布：从羊村（-94.2，-16.00，12.1）经曲水（-98.1，-16.30，14.5）、奴各沙（-101.5，-17.67，21.3）、日喀则（-150.3，-18.52，23.1）到干流中流的拉孜（-213.0，-24.50，28.0）氢、氧同位素组成逐渐降低，氚值（T）逐渐升高。②位于雅鲁藏布江下游大拐弯附近帕隆藏布水系的通麦、东久、鲁朗等地，1998年采集的水样的δD、δ18O和氚含量分别为（-97.5，-98.0，-92.3）、（-13.86，-13.74，-13.90）、（5，18，13），其氢、氧同位素值相当接近，这种同位素分布特征可能是该地区处于沿雅鲁藏布江下游河谷而上的孟加拉降水云气与怒江方向降水云气交汇有关;③尼洋曲的δD、δ18O、T的变化为：从奴下（-97.9，-16.81，12.9），经八一（-99.7，-16.90，13.2）至工布江达（-108.5，-18.01，14.5），δD、δ18O逐步降低，氚值逐步升高；④拉萨河流域大气降水的同位素组成也有明显的区域性分布特点：拉萨河中上游地区沿念青唐古拉山脉走向一侧从多拉（-85.2，-13.80，21.0），经旁多（-90.80，-14.20，22）、羊八井（-90.9，-14.80，20.1）至拉萨（-97.3，-16.20，13.9），大气降水的δD、δ18O、T(氚)值由东北向西南呈逐渐降低的趋势，δD、δ18O的变化实际上反映来源于怒江地区的大气降水云气的运动方向，T值的变化可能与采样位置的高度变化有关，多拉的高度为4675m，旁多、羊八井分别为4050m和4210m，拉萨为3655m。曲水、色甫、拉萨采样处1996年7月水样的δD、δ18O、T(氚)值接近，但1998年7月拉萨水的同位素组成有变化，特别是氚值有大幅度的升高，这可能与当时印度、巴基斯坦的大气层核试验有关；⑤年楚河流域大气降水的同位素组成从下游与雅鲁藏布江干流交汇的日喀则（-150.3，-18.52，23.1）到江孜（-152.6，-19.60，22.0），其δD、δ18O、T(氚)值逐渐降低，年楚河地处研究区的上游，其同位素变化趋势反映了印度洋夏季季风暖湿气流沿雅鲁藏布江河谷逆流而上的降水总体规律，同时也表现出当地水蒸发对大气降水云气有明显的影响。2.5降水量效应大气降水的平均同位素组成是空气湿度的函数，因此，降水的平均同位素组成与当地降水量存在某种相关关系。2.6季节性效应地球上任何一个地区的大气降水的同位素组成都存在季节性变化，夏季的δ值高，冬季低，这一现象称之为季节性效应。主要研究氘过量参数（d）和降水线斜率（S）的变化。3.大气降水中的氘过量参数演化氘过量参数亦称氘盈余。同全球性降水方程相比，任何地区的大气降水，都可以计算出一个氘的过量参数d，d被定义为：d=δD－8δ18O(Dansgaard,1984)d值的大小相当于该地区的降水线斜率ΔδD/Δδ18O为8时的截距，用以表示蒸发过程的不平衡程度。影响氘过量参数d的因素的定量研究非常复杂，它的变化完全依赖于水的蒸发凝结过程中的同位素分馏的实际条件，目前，仅了解到某些局部的规律。（1）海水在平衡条件下蒸发：大部分岛屿和滨海地区，海面上的饱和层蒸气与海水的同位素平衡程度要高，这时d值朝趋向于零的方向变化。但是当海洋高空不平衡蒸气与海面附近的饱和层蒸气相混合产生降水时，d值变小，有时出现负值；（2）海水快速蒸发，不平衡程度更为强烈，空气相对湿度低的地区，如东地中海地区，发现了降水中最大的氘过量参数d值高达37‰。某些局部地区的海洋蒸气源，如波斯湾、红海、黑海等地，也见有偏高的d值。降水线斜率S变化情况的研究还有待深入。W.Dansgaard（1964）根据北大西洋沿岸（温带和寒带）的资料指出，降水的同位素温度梯度为：dδ18O/dt≈0.69‰/℃，dδD/dt≈5.6‰/℃，降水的斜率接近于8。热带和亚热带的岛屿地区，降水线斜率的典型值为4.6～6。降雨量少而蒸发作用强烈的干旱和半干旱地区，其斜率大都小于8。斜率大于8的情况少见。1.大气降水、地表水、地下水的氘过量参数成因联系与区别1.1大气降水（蒸发、凝聚过程中的同位素分馏效应，主要反映降水形成过程中液相、气相的同位素不平衡程度）1.2地表水（不同区域大气降水氘过量参数的混合作用的一种反映，与不同区域大气降水的相对贡献数量有关）典型事例：长江水系1.3地下水（大气降水补给到地下后，地下水氘过量参数主要受水/岩作用影响，即水和岩石氧同位素交换的影响）典型事例：四川盆地地下卤水的氘过量参数演化二.大气降水、地表水、地下水的氘过量参数四川盆地卤水δD-δ18O关系图四川盆地地下卤水氘过量参数演化规律三.粘土矿物中的δD-δ18O与大气降水之关系四.地下水化学成分与硫同位素组合研究的一个典型范例区域水文地质调查：美国东南部Florida含水层。淡水水体透镜体最大厚度650米。内陆补给区：半岛的最高位置（Ocala），大气降水补给，地下水向海岸四处排泄。地下水硫酸盐浓度分布：最低浓度小于100ml/l，主要分布在补给区（Ocala）和水位高的地方，沿岩层倾伏方向，硫酸盐浓度逐步增加至500ml/l，最高达868ml/l。调查目标：查明地下水SO42-离子来源。方法：采用SO42-含量与SO42-/Cl-及硫同位素之关系，分析讨论，确定SO42-离子的来源。Florida含水层水的SO42-含量与SO42-/Cl-之关系（Rightmire，1974）Florida含水层水的δ34S值与SO42-含量之关系（Rightmire，1974）ƒ特征：补给区：水的硫酸盐浓度低，δ34S值为+8-+15‰，SO42-/Cl-比值约为海