第三讲 H-O同位素

1、第三部分第三部分 氢氧稳定同位素氢氧稳定同位素稳定稳定H、O同位素同位素Stable isotopes of O and H Goals: Understand how to mathematically represent processes that impact O and H isotopes in natural systems Be able to solve simple isotopic fractionation problems Understand how O and H isotopes change throughout the hydrologic cycle1.

2、Understand how we use these changes to understand the paleoclimate3.1 天然系统中的天然系统中的O、H同位素同位素O and H isotope in natural systems天然体系中氢有两种稳天然体系中氢有两种稳定同位素：定同位素：1H(99.985%)2H(0.015%)3.1 天然系统中的天然系统中的O、H同位素同位素O and H isotope in natural systems天然体系中氧有三种稳天然体系中氧有三种稳定同位素：定同位素：16O(99.762%)17O(0.038%)18O(0.200%)氧

3、是地球上丰度最大氧是地球上丰度最大的元素，其广泛分部的元素，其广泛分部在各类物质库中在各类物质库中 大气降水中D-18O同位素组成取决于大气温度3.4 D-18O同位素系统同位素系统D-18O system: The Meteoric Water Line例如，在例如，在2525条件下，条件下，()1.074D W V18()1.0092O W V这意味着，在平衡条件下，蒸气比水少这意味着，在平衡条件下，蒸气比水少7474的的 D D 和和 9.29.2的的1818O O。(1) (1) 封闭系统中的平衡蒸发过程封闭系统中的平衡蒸发过程 在封闭系统中，如果蒸发过程进行得很缓慢，在液相和气相界面

4、上将达到平在封闭系统中，如果蒸发过程进行得很缓慢，在液相和气相界面上将达到平衡，并且在整个过程中保持这种水气之间的相平衡。衡，并且在整个过程中保持这种水气之间的相平衡。 根据分馏系数的定义：根据分馏系数的定义： N, N-常见同位素（常见同位素（H和和16O）和稀有同位素（）和稀有同位素（D和和18O）水中的丰度；）水中的丰度；p, p-常见同位素水分子常见同位素水分子(H和和16O）和稀有同位素水分子（）和稀有同位素水分子（D和和18O）的蒸汽压。）的蒸汽压。对于水对于水-气系统，为了计算方便，使气系统，为了计算方便，使值大于值大于1，一般规定，一般规定=Rw/Rv.PPNPPNNNRRVW

5、VW3.2 O、H同位素分馏同位素分馏The fractionation of O and H isotope1818181818(1)001000()()1000oOOOORfR(1)001000()()1000DDDDDRfR瑞利平衡发生在相平衡条件下，每一瞬时蒸发的水汽立即从系统瑞利平衡发生在相平衡条件下，每一瞬时蒸发的水汽立即从系统中分离出来。剩余水中的同位素比值服从瑞利公式。中分离出来。剩余水中的同位素比值服从瑞利公式。 瑞利条件下的平衡蒸发公式瑞利条件下的平衡蒸发公式)1(0fRR也可用也可用 表示，即表示，即3.2 O、H同位素分馏同位素分馏The fractionation o

6、f O and H isotope（2 2）瑞利条件下的平衡蒸发）瑞利条件下的平衡蒸发控制条件下，水蒸发过程中蒸馏水中的同位素富集情况控制条件下，水蒸发过程中蒸馏水中的同位素富集情况3.2 O、H同位素分馏同位素分馏The fractionation of O and H isotope（2 2）瑞利条件下的平衡蒸发）瑞利条件下的平衡蒸发当剩余水的比率接近0时，瑞利蒸馏引起的重同位素呈指数增加。在湿度增加的条件下，与水蒸气相的交换使指数富集减弱。在高湿度条件下，由于与水蒸气气团的完全交换，达到稳态值。任一蒸发度对应的水蒸气的任一蒸发度对应的水蒸气的DD和和 1818O O值可根据瑞利公式求得：

7、值可根据瑞利公式求得：10001000D)(D)1(0Df18O(1)18180O(O)10001000f当水从海洋蒸发，然后又从云中凝结时造成了同位素分馏。结果降水普遍比海水减少D和18O。凝结雨滴D和18O值成比例减少是瑞利条件下凝结分馏的特点。3.2 O、H同位素分馏同位素分馏The fractionation of O and H isotope（3 3）瑞利条件下的凝结过程）瑞利条件下的凝结过程3.2 O、H同位素分馏同位素分馏The fractionation of O and H isotope（3 3）瑞利条件下的凝结过程）瑞利条件下的凝结过程 当蒸发进行很快时，蒸发速度大于凝

8、结速度，蒸气相与冷凝相之间处于不平衡状态。蒸发与凝结都不能单纯地用瑞利模型来解释。因为在这种情况下，凝结作用受到限制（速度慢），而蒸发过程可以分解为一个单纯地动力蒸发过程和一个同位素交换反应。动力蒸发过程受水蒸气分子扩散速度所支配，一般动力分馏比热力分馏大得多。 通常，与液体的原始同位素组成相比，经过蒸发后其18O值可增加几倍，而D值可增加几十倍。这种现象在干旱地区特别明显，例如撒哈拉沙漠地区，18O值可增加3040倍，而D值可增加150倍。这种现象对我们了解干旱地区大气降水和地下水的氢氧同位素组成具有重要意义。（4 4）不平衡开放系统）不平衡开放系统3.2 O、H同位素分馏同位素分馏The

9、fractionation of O and H isotope过渡带过渡带边界层边界层h100%h100%水体上部非平衡蒸发模型水体上部非平衡蒸发模型湿度（湿度（h h）为）为100100时：时：为平衡分馏；为平衡分馏；h h较大时，以平衡分较大时，以平衡分馏为主；馏为主；h h相对较低时，为非相对较低时，为非平衡状态，平衡分平衡状态，平衡分馏与动力分馏共存。馏与动力分馏共存。h h较小时，以动力分较小时，以动力分馏为主；馏为主；这是这是“大洋上空大洋上空蒸气实际的蒸气实际的 1818O O比比平衡蒸发理论计平衡蒸发理论计算值小算值小”的原因。的原因。这也是并不是所这也是并不是所有的降水都落

10、在有的降水都落在GMWLGMWL上的原因。上的原因。3.2.1 湿度对同位素分馏的影响湿度对同位素分馏的影响 Effect of Humidity on Fractionation蒸发过程中氢氧同蒸发过程中氢氧同位素分馏，主要与位素分馏，主要与蒸发温度、风速、蒸发温度、风速、盐度、空气的湿度盐度、空气的湿度及系统处于平衡或及系统处于平衡或非平衡条件有关，非平衡条件有关，其中湿度是最主要其中湿度是最主要的因素。的因素。湿度对蒸发水体同位素富集的影响湿度对蒸发水体同位素富集的影响图中：斜率为图中：斜率为GMWLGMWL（粗线）附近每条直线初始部分的近似值。（粗线）附近每条直线初始部分的近似值。3.

11、2.1 湿度对同位素分馏的影响湿度对同位素分馏的影响 Effect of Humidity on Fractionation大气降水线大气降水线3.2.1 湿度对同位素分馏的影响湿度对同位素分馏的影响 Effect of Humidity on Fractionation3.2.2 蒸发对同位素分馏的影响蒸发对同位素分馏的影响 Effect of evaporation on fractionation3.2.2 蒸发对同位素分馏的影响蒸发对同位素分馏的影响 Effect of evaporation on fractionation3.2.2 蒸发对同位素分馏的影响蒸发对同位素分馏的影响 E

12、ffect of evaporation on fractionation3.2.2 蒸发对同位素分馏的影响蒸发对同位素分馏的影响 Effect of evaporation on Fractionation3.2.3 温度对同位素分馏的影响温度对同位素分馏的影响 Effect of temperature on Fractionation3.2.3 温度对同位素分馏的影响温度对同位素分馏的影响 Effect of temperature on Fractionation3.2.3 温度对同位素分馏的影响温度对同位素分馏的影响 Effect of temperature on Fraction

13、ation3.3 降雨同位素的季节变化降雨同位素的季节变化Seasonal Variation 3.4 同位素维度效应同位素维度效应Latitude EffectLatitude EffectLatitude EffectLatitudeLatitude0 0DD 1818O OSeaSeaEvap.Evap.CloudCloudCloudCloudRainRainHeavier Rain DropHeavier Rain DropLighter VaporLighter VaporEquatorEquatorTemperateTemperatePolePoleLightLightHeavyH

14、eavyRainRainRainRain3.4 同位素维度效应同位素维度效应Latitude Effect3.5 同位素高度效应同位素高度效应Altitude EffectCloudCloudCloudCloudAltitudeAltitudeHighHighLowLowAltitude EffectAltitude EffectLightLightH Heavyeavy3.5 同位素高度效应同位素高度效应Altitude EffectH-O同位素分馏的影响因素同位素分馏的影响因素3.6 同位素随气候的变化同位素随气候的变化Co-variation with Climate3.6 同位素随气候

15、的变化同位素随气候的变化Co-variation with Climate3.6 同位素随气候的变化同位素随气候的变化Co-variation with Climate黑河流域地下水同位素研究黑河流域地下水同位素研究主要问题1 1、地表水和地下水的相互作用关系、地表水和地下水的相互作用关系2 2、地下水系统的补给和流动、地下水系统的补给和流动C-NK-N-Q1N-Q1ArN2Q2-4Q2-4顺 嘎 诺 尔狼 心 山正 义 峡祁连山张 掖酒 泉额 济 纳 旗鼎 新酒 泉高 台肃 南祁 连张 掖黑河弱水北大河祁连山区巴丹吉林沙漠龙首山包 尔 乌 拉 山合黎山洪果尔山02550 km位于祁连山中段，

16、典型干旱区内流盆地位于祁连山中段，典型干旱区内流盆地祁连山区祁连山区走廊平原走廊平原额济纳旗盆地额济纳旗盆地总面积约为总面积约为13万平方公里万平方公里主要水源是黑河干流及其支流来水主要水源是黑河干流及其支流来水 水资源供需矛盾突出，环境趋于恶化水资源供需矛盾突出，环境趋于恶化山区年降水量200-500 mm，中下游平原年降水50-200 mm，潜在蒸发量2000-4000 mm。黑河为流域最大的常年性河流，发源于青海省祁连县，注入额济纳居延海基本情况基本情况 南部盆地以粗颗粒为主，含南部盆地以粗颗粒为主，含水层单层变为多层型，其中前一水层单层变为多层型，其中前一种类型占绝对优势种类型占绝对优

17、势 北部盆地以细粒物质为主，含北部盆地以细粒物质为主，含水层结构单层变为多层型，后者水层结构单层变为多层型，后者分布最广。分布最广。祁连山张掖市山丹河龙首山民 参 159C252N1616Q336Q3260C145Q2Q1NO185Q4136 1841500 4 8 12km 高 程(m)2400200016001200800400青山头赛汗桃来嘎顺淖尔N26Q3Q312475358Q4N-J248.03AnzZ178.11Q1-2Q1-2JCCJ350.5589.82151.70140012001000800600 高 程(m)12178.110 15 30km亚 砂 土 silty 砂 砾

18、 石 gravel and sand砂 sand亚 粘 土 silty clay粘 土 clay水 位 water table断 层 fault钻 孔 及 深 度 borehole and depthIIIIII 盆地之间通过河水与地下水盆地之间通过河水与地下水之间的相互转化而相互联系，构之间的相互转化而相互联系，构成统一的成统一的“河流河流含水层含水层”系统系统。 1 1、地表水和地下水的相互转化关系、地表水和地下水的相互转化关系祁连山区祁连山区托勒河马营河丰乐河北大河洪水坝河黑河摆浪河梨园河黑河517447295146357132484639420352891853507244955564

19、32044506445350274364托勒南山祁连山脉托勒山祁连山脉红 石 窝韭 菜 沟扬 哥大 都 麻峨 堡祁 连 县托 来 牧 场镜 铁 山托勒南山肃 南42.20-6.95-41.440.30-7.43-49.080.50-7.89-52.593.00-7.76-52.460.19-8.12-60.8125.0-0.00-00.063.30-7.71-45.371.50-8.23-49.0163.2-8.32-53.731.32-8.47-54.1167.4-0.00-00.040.38-8.82-65.345.10-8.68-41.043.30-8.59-44.733.40-9.16

20、-46.675.00-8.77-43.149.00-9.21-51.058.30-8.09-50.066.10-8.28-53.912.00-9.97-56.41.60-9.81-75.52.00-9.64-62.224.70-8.71-54.458.90-7.86-53.093.50-7.98-52.498.60-5.41-39.0 100m井 深40-100m井 深3600m。 可能存在深部地下水的补给？地 下 水 的 补 给地 下 水 的 补 给 山前补给。发生在祁连山前戈壁带，除个别地段可能存在山区地下径流外，主要是一系列的季节性出山河流和降水垂直入渗，多为HCO3或HCO3-SO4水

21、，为1963年以来的现代补给。 河流侧向入渗补给。河流入渗来自常年性的黑河，主要发生在下游盆地，为HCO3-SO4水，地下水的年龄小于50年。 灌溉入渗补给。灌溉水的来源是引河水和地下水，入渗补给主要发生在人工绿洲区，特别是在金塔鼎新灌区。多为SO4Cl水。北盆地的承压水，14C校正年龄可达8kaBP左右，是中全新世补给降 水C-NK-N-Q1N-Q1ArN2Q2-4Q2-4顺 嘎 诺 尔狼 心 山正 义 峡祁连山区山前补给河流补给灌溉补给蒸发-蒸腾黑 河 流 域 地 下 水 补 给 机 制 示 意 图山区与南部盆地之间山区与南部盆地之间 主要是通过出山河水发生水主要是通过出山河水发生水力联系

22、，部分地段存在地下径流。力联系，部分地段存在地下径流。酒泉酒泉张掖盆地之间张掖盆地之间沿马营河至盐池一带，为地下水沿马营河至盐池一带，为地下水低氚含量分布区，该区两侧地下水含低氚含量分布区，该区两侧地下水含量均相对较高，反映了两盆地之间地量均相对较高，反映了两盆地之间地下水水力联系十分微弱。下水水力联系十分微弱。地 下 水 的 流 动地 下 水 的 流 动3839411011009998424240383940419899100101酒 泉 市张 掖 市临 泽鼎 新39385857564443705554535152282960594536高 台额 济 纳 旗73727435374849402

23、72521504647414280797775767820191834323133302423221713141516121110987413526黑河黑河梨园河洪水坝河北大河肃 南金 塔图 例基 岩 山 区沙 漠 区河 流河 流采 样 点冰 雪 融 水采 样 点承 压 水采 样 点潜 水采 样 点水 库 水采 样 点地 表 水 和 承压 水 采 样 点潜 水 和 承压 水 采 样 点NS0 25 50km马营河x1x2x3x4x5L1L2L3x6x7x8z1L3氚剖面氚剖面酒泉酒泉- -张掖的同位素剖面反映出在隆起两侧含量呈现出突变的特征。地下张掖的同位素剖面反映出在隆起两侧含量呈现出突变的

24、特征。地下水均在隐伏隆起带发生径流方向的改变，向上排入地表水，两盆地之间水均在隐伏隆起带发生径流方向的改变，向上排入地表水，两盆地之间地下水水力联系微弱。地下水水力联系微弱。 0 2 4 6 8km15001400130012001500140013001200高 程 （ m）高 程 （ m）王家庄宋寨子张掖下崖子小河滩双泉水库新华农场高台农场明海漫水滩三奇堡香庄庙大湖Q1Q2Q3Q4HX21HX50张 掖 - 酒 泉 盆 地 剖 面 D0 2 4 6 8km15001400130012001500140013001200高 程 （ m）高 程 （ m）王家庄宋寨子张掖下崖子小河滩双泉水库新华

25、农场高台农场明海漫水滩三奇堡香庄庙大湖Q1Q2Q3Q4HX21HX50张 掖 - 酒 泉 盆 地 剖 面 O18氘剖面氘剖面氧氧 - 1 8- 1 8 剖 面剖 面0 2 4 6 8km15001400130012001500140013001200高 程 ( m )高 程 ( m )王家庄宋寨子张 掖 下崖子小河滩双泉水库新华农场高台农场明海漫水滩三奇堡香庄庙大湖Q1Q2Q3Q42150363537464741泉 6428079777875104.9泉 3262527E南部盆地与金塔南部盆地与金塔鼎新盆地之间鼎新盆地之间从正义峡上下地下水氚含量差别明显，说明正义峡以上地下水与鼎新地从正义峡上

26、下地下水氚含量差别明显，说明正义峡以上地下水与鼎新地下水之间没有明显的水力联系，鼎新地下水主要来自引黑河水灌溉。下水之间没有明显的水力联系，鼎新地下水主要来自引黑河水灌溉。额济纳南北向地下水18O剖面Q1-2Q3Q4Q1-2Q3Q4AnZN-JZJJCC青山头赛汗淘来嘎顺淖尔140012001000800600高 程 （ m）1000800600高 程 （ m）0 10 20km-11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2101193472116N额济纳南北向地下水D剖面Q1-2Q3Q4Q1-2Q3Q4AnZN-JZJJCC青山头赛汗淘来嘎顺淖尔140012001000800

27、600高 程 （ m）1000800600高 程 （ m）0 10 20km161011972341-68 -64 -60 -56 -52 -48 -44N金塔金塔鼎新盆地与额济纳盆地之间：鼎新盆地与额济纳盆地之间： 由鼎新盆地向古日乃草原的地下径流。由鼎新盆地向古日乃草原的地下径流。在鼎新和额济纳盆地分界地带说明存在地下径流，但是这种地下径流在鼎新和额济纳盆地分界地带说明存在地下径流，但是这种地下径流的规模和程度需要进一步研究。的规模和程度需要进一步研究。 含水层之间的流动含水层之间的流动04080120160200-12-8-404C-13 (PD B ) 深 度(m )040801201

28、6020020406080100120C-14 (PM C) 深 度(m )0408012016020004080120160200氚 （ TU ）深度(m )04080120160200-10-9-8-7 深 度(m )( )04080120160200-60-56-52-48D（ ） 深 度(m )04080120160200 深 度(m )01000200030004000矿 化 度 (m g/l)14261428143014324613861387138813894214401442144414461420143014404741深 层 水中 层 水潜 水1 2 3 4 5 6 7 8

29、 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 121998 1999水 位 标 高 (m )第一含水层（第一含水层（040m）第二含水层（第二含水层（4080m）第三含水层（第三含水层（80m)TDS：高（高（ 3743574mg/l ） 氚：氚：6552TUC-14：71114PMC蒸发影响（氧蒸发影响（氧-18：-7.7，氘：，氘：-51）TDS：中等（中等（1452647mg/l）氚：氚：23164TUC-14：63112PMC蒸发影响很小（氧蒸发影响很小（氧-18：-8.2，氘：，氘：-54）TDS：低（低（620210mg/l）氚：氚：1.620TUC-14

30、：3075PMC无蒸发影响（氧无蒸发影响（氧-18：-9.6，氘：，氘：-57）地下水开发引起的补给地下水开发引起的补给过渡类型过渡类型05010 015 020 025 0C C l l ( (m m g g/ /l l) )05010015020025030035 0Na (mg/l)潜 水深 层 承 压 水图 例潜 水 含 水 层中 层 含 水 层深 层 含 水 层盆地地下水流系统盆地地下水流系统流域地下水流系统存在流域地下水流系统存在深部区域流系统深部区域流系统和和浅部局域流系统浅部局域流系统。 局部水流系统为沿河流以垂向运动为主局部水流系统为沿河流以垂向运动为主, , 区域水流系统以

31、活塞流的特征从山前补给区向排泄区以水平运动为主。区域水流系统以活塞流的特征从山前补给区向排泄区以水平运动为主。 28066.1Hx29Hx6018069.7Hx5910058.9185100.215.725783.86Hx35130701722.346.383.0Hx2858.3Hx36山丹河Q3Q2Q1NQ1NQ2Q3Q1140016001800200014001600180020000 2 4 6km莺 落 峡 - 山 丹 河 剖 面 氚HX29HX60HX59HX35-3HX35-2HX35-1HX36-3HX36-2HX36-1HX2828066.1Hx29Hx6018069.7Hx5

32、910058.9185100.215.725783.86Hx35130701722.346.383.0Hx2858.3Hx36山丹河Q3Q2Q1NQ1NQ2Q3Q1140016001800200014001600180020000 2 4 6km莺 落 峡 - 山 丹 河 剖 面 O18溢 出 带溢 出 带深部承压水向上垂直流动Q 3Q 2Q 1NQ 1N1 4 0 01 6 0 01 8 0 02 0 0 01 4 0 01 6 0 01 8 0 02 0 0 00 2 4 6 k m降 水2 96 6 T U7 0 T U6 05 95 9 T U4 55 2 T U3 5 2 T U5

33、7 T U3 71 6 T U3 64 6 T U2 2 T U山丹河张掖莺 落 峡蒸 发 蒸 腾出 山 河 流 入 渗区 域 地 下 水 流 系 统局 部 地 下 水 流 系 统区 域 地 下 水 流 向局 部 地 下 水 流 向垂 向 地 下 水 补 给 / 排 泄人 工 灌 溉高 程 (m )局 部 地 下 水 流 系 统局 部 地 下 水 流 系 统 酒泉张掖地下水氚年龄剖面及地下水流系统0 2 4 6 8km王家庄宋寨子张掖下崖子小河滩双泉水库新华农场高台农场明海漫水滩三奇堡香庄庙大湖Q1Q2Q3Q436163537464741泉 6428079771201.87810075泉 32

34、150262527262527中 间 水 流 系 统局 部 水 流 系 统局 部 水 流 系 统局 部 水 流 系 统区 域 水 流 系 统区 域 水 流 系 统局 部 水 流 系 统15001400130012001500140013001200高 程 （ m）高 程 （ m）5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60(a.B.P.)E酒泉东盆地酒泉东盆地额济纳地下水额济纳地下水1 81 8O O剖面剖面0 10 20km酒 泉 盆 地金 塔 -鼎 新 盆 地额 济 纳 旗 盆 地-4.430.81-8.09-6.6-4.5217677753023221211109743青山头额济纳旗嘎顺淖尔800100012001400160018006002000220024002600高 程 (m)鼎新正义峡-10.5 -10.1 -9.7 -9.3 -8.9 -8.5 -8.1 -7.7 -7.3 -6.9 -6.5 -6.1-8.09地 表 水 O值 及 相 应 色 标18N酒 泉 东 盆 地酒 泉 东 盆 地 额 济 纳 地 下 水额 济 纳 地 下 水 氚氚 剖 面剖 面 0 10 20km青山头额济纳旗嘎顺淖尔8001000120014001600180