同位素水文学PDF电子书下载

第一章 水文学和同位素水文学&任立良 顾慰祖 1

第一节 水文学和原子核层面的水文学 1

一、水文学 1

二、原子核层面的水文学：同位素水文学 2

三、水文学的“两极分化” 3

第二节 同位素和环境同位素 3

一、原子和原子核 3

二、核素和同位素 5

三、环境同位素 9

第三节 水和水圈 10

一、水的起源 10

二、天然水的性质 11

三、水圈 15

第四节 水循环和水文循环 21

一、水的浅层水圈循环 21

二、水的地质循环 24

三、同位素水文循环 27

四、地球水文循环之谜 28

第五节 同位素水文学 28

一、同位素水文学的形成和发展 29

二、同位素水文学的基本原理 31

三、同位素水文学涉及广义水圈的研究特点 33

四、同位素水文学的研究方法 34

第二章 原子核衰变和原子核反应&陈廷扬 顾慰祖 37

第一节 原子核的放射性衰变类型 37

一、α衰变 37

二、β衰变 38

三、γ衰变 39

四、自发裂变和放射中子的衰变 41

第二节 天然放射系 41

第三节 放射性衰变和放射性平衡 44

一、放射性衰变的基本规律 44

二、放射性核素的衰变、生长和放射性平衡 46

第四节 原子核反应 50

一、原子核反应式 50

二、原子核反应模型 51

第三章 稳定同位素分馏&童海滨 王永森 韩良峰 53

第一节 同位素效应 53

一、同位素效应及其大小的估计 53

二、同位素效应的分类 55

第二节 同位素分馏 56

一、同位素分馏及其分类 56

二、同位素分馏的表示方法 57

第三节 同位素平衡分馏 64

一、同位素平衡状态及同位素平衡分馏 64

二、平衡常数及其与同位素平衡分馏系数的关系 65

三、分馏系数和温度及盐度的关系 66

四、平衡分馏算例——水在封闭系统中的蒸发 67

第四节 同位素非平衡分馏 70

一、同位素动力分馏 70

二、同位素扩散分馏 71

三、瞬时平衡状态 73

第五节 瑞利分馏模型：用于描述非平衡分馏过程的数学模型 73

一、分馏系数恒定条件下瑞利公式的推导 74

二、瞬时平衡分馏条件下的瑞利蒸发模式 74

三、开放系统（瞬时）非平衡分馏条件下的瑞利蒸发模式 76

四、瑞利模型的一个算例——开放系统（瞬时）非平衡分馏条件 78

五、凝结过程中的瑞利分馏模型 79

六、瑞利模型的局限性 80

第六节 同位素的质量不相关分馏 81

一、同位素质量不相关分馏的基本概念 81

二、氧同位素的质量不相关分馏 82

三、三元氧同位素的应用举例 85

第四章 陆地水的同位素地球化学流&顾慰祖 88

第一节 同位素水文系统 88

第二节 同位素地球化学流 89

一、地球化学流的型式 89

二、地球化学流的整合 91

三、地球化学流中的同位素 93

第三节 宇宙性成因核素 94

一、大气中的宇宙辐射成因核素 94

二、陆地的宇宙辐射成因核素 96

第四节 地球内部圈层放射性成因核素 96

一、天然放射性成因核素 97

二、原位成因的天然放射性核素 98

三、核聚变成因产生的核素 100

第五节 人为成因放射性核素 100

一、热核成因放射性核素 100

二、核设施成因放射性核素 101

三、核事故成因放射性核素 103

第五章 水循环中氢、氧稳定同位素的基本关系与分异&顾慰祖 105

第一节 氢、氧稳定同位素 105

第二节 海洋水 108

一、海洋水氢、氧稳定同位素的一般组成 108

二、海洋水氢、氧稳定同位素组成与盐度的关系 109

三、地质时期海洋水氢、氧稳定同位素组成 111

第三节 大气水汽与降水 112

一、大气水汽 112

二、Craig-Gorden水汽-降水双层模型 115

第四节 降水氢、氧稳定同位素的线性关系 119

一、降水氢、氧稳定同位素的经验关系 120

二、全球大气降水线（GMWL） 120

三、地区大气降水线（LMWL） 124

四、大气降水线的其他观点 127

第五节 降水氢、氧稳定同位素关系的演化和分异 127

一、相态变化发生的分异 127

二、不同水体中的分异 131

三、同位素交换 140

四、水源混合 144

第六章 降水的氢、氧同位素特征&王东升 王坤 150

第一节 降水同位素监测 150

第二节 降水中的氚 152

一、降水中氚的来源 152

二、降水中氚的分布 153

三、降水中氚分布的影响因素 158

第三节 降水中的氘和氧-18 162

一、降水中氘和氧-18的分布 162

二、降水中氘和氧-18分布的影响因素 168

三、降水中氘和氧-18的相关性 173

第七章 蒸发与凝结作用下常见水体氢、氧稳定同位素组成间的理论关系&童海滨 王永森 178

第一节 从经验型的氘和氧-18关系线到解析型的氘和氧-18关系线 178

第二节 受温度和湿度影响的蒸发水体中氘和氧-18的理论关系 180

一、考虑温度和湿度条件影响下的瑞利分馏模型 180

二、受温度和湿度影响下的蒸发水体中氢、氧稳定同位素组成间相互关系 181

第三节 河道水体蒸发过程中氢、氧稳定同位素变化规律及其相互关系 183

一、河道水体的同位素浓度场-流场耦合微分方程模型 183

二、河道水体氢、氧稳定同位素浓度的变化规律 185

三、河道水体蒸发过程中氢、氧稳定同位素组成的相互关系 186

第四节潜水蒸发过程中氢、氧稳定同位素变化规律及其理论关系 188

一、潜水系统在蒸发条件下氢、氧稳定同位素的浓度变化规律 188

二、潜水蒸发过程中氢、氧稳定同位素理论关系线 192

第五节 降水过程中氢、氧稳定同位素的理论关系 192

一、开放系统降水过程中氢、氧稳定同位素的理论关系 192

二、封闭系统降水过程中氢、氧稳定同位素变化规律及其理论关系 196

第六节 曲线型氘和氧-18关系式和直线型氘和氧-18关系式的数学关系 197

第八章 江河水&宋献方 刘鑫 199

第一节 江河水的氢、氧同位素组成及其变化 199

一、江河水氢、氧同位素组成的时程变化 199

二、江河水氢、氧同位素组成在流域内的空间分布 203

第二节 江河水其他环境同位素的组成及其变化 211

一、13C 212

二、15N 215

三、34S 217

四、87Sr／86Sr 220

第三节 中国江河同位素观测网络 221

第九章 湖泊与水库&胡海英 谭忠成 包为民 224

第一节 湖泊、水库的同位素水文平衡 224

一、同位素水文平衡的基本方程 224

二、同位素水文平衡基本方程的简化应用 227

三、同位素水文平衡基本方程在大湖泊中的应用 228

四、同位素水文平衡方法的不确定性 229

五、湖泊、水库蒸发的氢、氧同位素关系 230

第二节 湖泊、水库水体中的氢、氧稳定同位素分布 232

一、氢、氧稳定同位素组成的季节变化和年变化 232

二、不同类型湖泊的氢、氧稳定同位素组成 234

第十章 地下水补给&顾慰祖 239

第一节 地下水形成的宏观背景和地下水成因分类 239

一、地下水的概念 239

二、气候演化背景 240

三、地质演化背景 243

四、地下水的成因分类 246

五、古地下水的氢、氧稳定同位素组成 253

六、中国“水极”的猜想 258

第二节 水文循环成因地下水的补给和类型 264

一、地下水补给的概念 264

二、水文循环成因地下水的补给类型 265

三、天然补给 266

四、人为补给 275

第三节 基于非饱和带的地下水补给研究：“点”的补给 281

一、蒸渗仪方法 282

二、零通量面方法 287

三、示踪方法中的示踪剂 289

四、示踪峰方法 294

五、氯质量平衡方法 305

第四节 基于饱和带的地下水补给研究：“面”的补给 319

一、地下水面波动方法 319

二、氯质量平衡方法 321

三、地下水年龄方法 322

四、历史事件示踪剂界面方法 328

第五节 地下水补给高程识别：氢、氧稳定同位素的应用 328

第六节 地下水补给环境条件识别和气候变化：惰性气体氖、氩、氪、氙的应用 333

一、惰性气体及其同位素 333

二、地下水中的惰性气体组成 334

三、地下水补给温度 339

四、气候（环境）变化 344

五、地下水的循环深度 346

第七节 地下水补给区识别：惰性气体氦、氖及锶、碳同位素的应用 346

一、应用氦、氖同位素 346

二、应用锶同位素 351

三、应用碳同位素 354

第八节 地下水补给源识别：铀放射系不平衡的应用 356

一、铀和铀放射系不平衡 357

二、地下水中的铀和铀放射系不平衡 359

三、地下水系统和地下水补给源的铀放射系不平衡识别 361

第九节 地下水硫源和补给系统识别：硫同位素的应用 371

一、地下水中的硫同位素 371

二、以人为硫源为主的地下水系统 373

三、以天然硫源为主的深层地下水系统 375

第十一章 地下水污染&张翠云 378

第一节 水分子同位素在地下水污染研究中的应用 379

一、应用原理 379

二、应用实例 380

第二节 氮同位素在地下水硝酸盐污染研究中的应用 382

一、氮同位素基础 383

二、氮同位素分馏 383

三、影响氮同位素组成的作用 385

四、潜在污染源的氮同位素特征 391

五、应用研究 400

第三节 硫同位素在地下水硫酸盐污染研究中的应用 409

一、硫同位素分馏 410

二、潜在污染源的硫同位素特征 411

三、应用研究 413

第四节 硼同位素在地下水污染研究中的应用 415

一、硼同位素基础 415

二、潜在污染源的硼同位素特征 416

三、应用研究 418

第五节 碳同位素在地下水无机和有机污染研究中的应用 419

一、应用原理 420

二、应用研究 422

第十二章 地下水年龄测定&张之淦 429

第一节 基本概念和方法 429

一、地下水测年的基本概念 429

二、地下水测年方法分类 431

三、地下水测年方法概述 432

第二节 氚法 439

一、地球上的氚 439

二、地下水氚年龄测定 443

第三节 人工化合物标记法 452

一、氟利昂法 452

二、六氟化硫法 458

第四节 氚-（氦-3）法 464

一、氦-3同位素地球化学 464

二、测年原理 465

第五节 碳-14法 470

一、地球上碳-14的起源与分布 470

二、固体样品14C年龄测定 473

三、地下水DIC年龄测定 477

四、地下水DOC年龄测定 502

第六节 氯-36法 507

一、地下水的36Cl浓度 508

二、地下水年龄计算公式 515

三、实例 516

第七节 铀系法 524

一、不平衡铀系法 524

二、氦-4积累法 525

第八节 其他方法 530

一、氪-85法 530

二、硅-32法 534

三、氩-39法 535

四、氪-81法 535

五、碘-129法 536

第九节 同位素测年的数学模拟 538

一、基本概念 538

二、同位素物理数学模型个论 540

三、同位素测年数学模型的应用 548

四、解决水文地质问题的前景 550

第十三章 矿区地下水&桂和荣 陈陆望 551

第一节 矿区含水层氢、氧同位素水文地球化学特征：以皖北矿区为例 552

一、矿区水文地质条件 552

二、矿区地下水氢、氧稳定同位素特征 554

三、与华北其他矿区地下水氢、氧稳定同位素特征的比较 558

第二节 含水层具有水力联系的氢、氧稳定同位素分析 561

一、含水层水力联系的宏观分析 561

二、含水层水力联系的局部分析 561

第三节 突水含水层水循环的氚含量分析 562

一、四含水 562

二、太灰水 564

三、奥灰水 566

四、煤系水 566

第四节 矿区地下水氢、氧同位素组成的水化学判别模式 566

一、氢、氧稳定同位素δ值与常规水化学指标的关系 566

二、氚含量与常规水化学指标的关系 572

第五节 矿区突水水源的氢、氧稳定同位素识别模式 573

一、氢、氧稳定同位素地下水混合模式 573

二、氢、氧稳定同位素地下水成因模式 573

第十四章 地热水&庞忠和 576

第一节 地热水概述 576

第二节 不同成因地热水的同位素 578

一、大气成因的地热水 578

二、海水成因的地热水 578

三、岩浆成因的地热水 579

四、亚太地区地热水的同位素特征 579

第三节 地热水同位素分馏 580

一、地热系统的水循环 580

二、水-汽分离作用 580

三、不同水源的混合效应 582

四、地热水-岩石反应 583

五、地热水与气体作用 587

第四节 水同位素地温计 587

一、水溶硫酸盐氧同位素地温计 587

二、气体-水同位素温度计 588

第十五章 地下卤水&王东升 王坤 591

第一节 地下卤水概述 591

一、地下卤水的概念 591

二、地下卤水的类型和分布 592

三、地下卤水的地质-地球化学特征 594

四、地下卤水研究的意义、焦点和方法 594

第二节 氧-18和氘在地下卤水中的分布 595

一、氧-18和氘在地下卤水中分布的基本特征 595

二、氧-18和氘在国内地下卤水中的分布 595

三、氧-18和氘在国外地下卤水中的分布 603

四、氧-18和氘在地下卤水中分布的控制和影响因素 605

第三节 地下卤水的稀有气体年代学研究 611

一、方法与原理 611

二、年龄的物理意义 612

三、地下卤水和围岩年龄的关系 612

四、地下卤水的深部成因信息 613

第十六章 盐湖水&焦鹏程 张建伟 614

第一节 中国现代盐湖的分布和一般特征 615

一、中国现代盐湖分布特征 615

二、中国盐湖区地理环境特征 616

三、中国盐湖区气候特征 616

四、中国盐湖区地表水与地下水特征 617

五、中国盐湖卤水的地球化学特征 618

六、中国盐湖矿产资源 619

第二节 中国现代盐湖的同位素特征 619

一、稳定同位素δD与δ18O研究 619

二、氯同位素研究 622

三、硼同位素研究 623

第三节 中国主要现代盐湖区的同位素研究 625

一、西藏扎布耶盐湖区氢、氧同位素研究 625

二、新疆罗布泊盐湖区氢、氧、氚、硫同位素研究 627

三、青海察尔汗盐湖区氢、氧、氚、硫、锂同位素研究 633

四、青海昆特依盐湖区氢、氧、锶、硫同位素研究 640

五、内蒙古盐湖区硼同位素研究 644

第十七章 同位素水文地质研究的方法论&王瑞久 647

第一节 同位素技术和地质、水文、地球化学信息相结合 648

一、径流和滞留 648

二、补给空间位置 649

三、地球化学／同位素方法 651

第二节 从古气候变化和环境影响去理解地下水的补给、径流和排泄过程 653

一、冰芯档案 653

二、地下水档案 655

三、地下水的年龄分段 657

第三节 环境同位素和地球化学研究实例和研究方法分析 658

一、汤庙热水的环境同位素和地球化学 658

二、苏州市地下水的环境地质研究 668

三、常州市Ⅱ承压地下水的环境地质研究 676

四、灰场灰水对地下水的影响 691

五、济南泉域地下水的地球化学和稳定同位素 699

六、北京平原周边基岩水和地表水的同位素和地球化学 709

七、北京平原昌平地下水的同位素和地球化学 713

八、深圳大沙河河水的水文地球化学 720

第十八章 淡水生态水文系统&Carol Kendall 727

Ⅰ 淡水生态系统有机物天然源的稳定同位素示踪 727

第一节 有机物质来源的一般同位素组成 727

一、有机物质来源的类型 727

二、河流连续体概念 728

三、天然有机物质的一般同位素组成 728

第二节 土壤有机物的同位素组成 730

一、δ13C 730

二、δ15N 730

三、δ34S 732

四、C：N 732

第三节 陆生植物的同位素组成 732

一、δ13C 732

二、δ15N 732

三、δ34S 733

四、C：N 733

第四节 水生植物的同位素组成 733

一、水生植物同位素组成的复杂性 733

二、δ13C 734

三、δ15N 735

四、δ34S 735

五、C：N 736

第五节 河系天然有机源稳定同位素组成的变化 736

一、空间变化 736

二、时程变化 739

Ⅱ 淡水生态系统有机物人为源的稳定同位素示踪 742

第六节 氮源的同位素组成 742

一、大气氮氧化合物各类源的同位素组成 743

二、大气湿沉降（降水）中的δ15N和δ18O及其变化 744

三、大气干沉降中的δ15N及其变化 744

四、大气沉降中的δ17O和△17O 745

五、非燃料氮源的δ15N和δ18O及其变化 746

六、影响溶解无机氮同位素组成的过程 746

第七节 氮循环中天然和人为混合氮源的同位素划分 746

一、地下水和土壤水中化肥和垃圾组分的划分 747

二、地面水中化肥和垃圾组分的划分 747

三、地下水和地面水中牲畜垃圾和人类垃圾的划分 748

第八节 人为污染氮源的多种同位素示踪方法：同位素生态监测 749

一、水同位素 749

二、硫同位素 749

三、硼同位素 750

四、锶同位素 750

五、锂同位素 751

六、磷酸盐氧同位素 751

第九节 不同环境河流和流域中的应用 752

一、森林小流域 752

二、都市集水区 753

三、农业小流域 754

四、大河流域 755

五、湿地 756

六、沿海和河口地区 757

第十九章 同位素土壤侵蚀研究&李占斌 侯建才 王全九 758

第一节 放射性核素示踪原理与方法 758

一、137Cs与210Pbex放射性核素示踪原理 759

二、放射性核素示踪土壤侵蚀的研究方法 762

第二节 示踪核素在土壤中的分布特征 765

一、土壤颗粒中137Cs与210Pbex的分布特征及土壤与泥沙颗粒分析 765

二、137Cs与210Pbex示踪核素在土壤剖面中的分布特征 767

三、137Cs与210Pbex含量随坡度的变化特征 770

四、不同土地利用方式土壤核素含量的分异特征 771

第三节 示踪核素确定土壤侵蚀速率 771

一、137Cs示踪核素确定土壤侵蚀速率方法 771

二、土壤侵蚀产沙的210Pbex示踪方法 778

三、137Cs与210Pbex复合示踪研究土壤侵蚀 782

第四节 示踪核素确定流域泥沙来源 783

一、小流域泥沙来源研究 783

二、小流域泥沙来源分析方法 784

第二十章 同位素水文测验&顾慰祖 张钰 陆家驹 786

第一节 雪的同位素测验 786

一、雪水当量的同位素测验 786

二、雪水当量的天然γ辐射机载测验 787

第二节 河流流量的同位素测验 790

一、基本方法 790

二、放射性示踪剂选择 793

三、混合长度 793

四、安全用量 794

第三节 河流悬移质输沙率的同位素测验 794

一、直接应用放射性同位素的测验方法 794

二、应用天然放射性的核方法 800

第四节 河流推移质输沙率的同位素测验 801

一、示踪晕法 802

二、示踪颗粒法 805

三、放射性示踪沙 806

第五节 土壤水的同位素测验 807

一、中子土壤水分测验 807

二、γ射线土壤水分测验 820

三、中子法和γ法土壤水分测验的比较 827

第六节 土壤蒸发的同位素测验 827

一、同位素土壤蒸发测验的基本原理 828

二、零通量面法 828

三、同位素土壤蒸发测验的实验 830

第二十一章 同位素水文实验：流域水文研究&顾慰祖 833

第一节 水文学危机和水文实验 833

一、水文实验 833

二、中国50年流域水文实验的基本经验：水文示踪 833

第二节 流域降水径流关系 834

一、径流组成 834

二、径流组分中的非本次降水 836

三、降水径流关系 848

第三节 流域产流 845

一、地面径流 845

二、地面下径流 848

三、产流方式 852

第四节 流量过程线划分 854

一、环境同位素法包含的基本假定 854

二、基本假定的实验检验 855

三、现行同位素划分方法的不合理性 859

四、对图解方法的否定之否定 860

第二十二章 陆地水的元素组成&顾慰祖 陆家驹 863

第一节 中子活化分析方法的应用 863

一、基本步骤 864

二、天然水水样采集和制作 864

三、活化照射 866

四、样品照射 868

五、中子活化方法的特点 869

第二节 降水元素组成 870

一、影响因素 870

二、降水元素浓度组成实例 871

第三节 地表水元素组成 873

一、影响因素 873

二、地表水元素浓度组成实例 875

三、地表水元素背景组成实例 879

第四节 地下水元素组成 879

一、影响因素 879

二、地下水元素浓度组成实例 879

三、地下水元素背景组成实例 881

四、地下水元素组成与降水和地表水的关系 883

第二十三章 地下水中的同位素异常与地震前兆&赵霞 886

第一节 同位素示踪剂指示地下流体的成因与迁移 886

一、氢、氧同位素 886

二、碳同位素 887

三、惰性气体同位素 887

四、铅同位素 888

第二节 地下水中同位素异常与地震前兆的关系 888

一、氡异常与地震前兆 891

二、氩对地震前兆的预示 907

三、地震中的铅同位素异常 910

四、二氧化碳特征与地震活动 910

五、其他同位素在地震前兆中的应用 913

第三节 同位素在其他地震研究中的应用 916

一、判识地下流体来源 916

二、古地震和历史地震的年龄测定 919

第二十四章 质谱学原理与同位素质谱分析方法&霍卫国 张福松 920

第一节 质谱学概论 920

一、质谱学的发展 920

二、质谱分析技术的应用 921

三、质谱分析技术与同位素水文学 922

第二节 质谱仪的工作原理、结构和主要性能指标 923

一、质谱仪的工作原理 923

二、同位素质谱仪的基本结构 925

三、同位素质谱仪的主要性能指标 932

第三节 气相轻元素的稳定同位素分析概要 934

一、气相稳定同位素质谱仪 934

二、δ值概念 935

三、关于稳定同位素标准 937

四、稳定同位素分析基本流程和测量结果的误差分析 940

第四节 用于同位素测定的样品制备系统和质谱分析方法 942

一、同位素样品的制备 942

二、同位素质谱分析 949

第二十五章 水中氚、碳同位素、惰性气体及其同位素和氯氟烃的测定方法&韩良峰 954

第一节 常用概念及术语 954

一、活度 954

二、比活度 955

三、活度比 955

四、相对比率差和δ-标度法 956

五、丰度和浓度 958

六、同位素比率 959

七、同量异位素和同分异质体 960

八、同位素的分馏、富集和贫化 961

九、标定、校正和标准化 962

第二节 测定同位素常用的方法及原理 964

一、辐射探测法 964

二、质谱法 968

三、光谱法 971

第三节 水中氚的测定 974

一、概述 974

二、实验方法 975

第四节 水中碳同位素的测定 978

一、水中碳-14的测定 978

二、水中碳-13的测定 984

第五节 水中惰性气体的测定 989

一、水中氦和氖同位素的测定 989

二、水中氩、氪和氙的测定 993

三、水中氪-85的测定 994

四、水中氪-81的测定 997

五、水中氩-39的测定 997

第六节 水中氯氟烃的测定 997

一、概述 997

二、实验方法 999

三、基本计算方法 1001

第二十六章 同位素水文研究采样方法&韩良峰 1003

第一节 采样的前期准备和要求 1003

一、制定采样方案 1003

二、设备和材料 1004

三、采方法空白（对比）样品 1009

四、其他要求 1010

第二节 从不同的样品源采集样品的方法 1013

一、降水 1013

二、地表水 1015

三、土壤水 1016

四、地下水 1019

五、地热流体 1022

六、大气水汽 1025

七、植物水 1025

第三节 按不同分析项目采集样品的方法 1026

一、测水中的δ18O，δD和3H 1026

二、测DIC中的14C 1026

三、测DIC中的δ13C 1028

四、测DOC中的δ13C和14C 1029

五、测硝酸盐中的δ15N，δ18O和δ17O 1030

六、测硫酸盐中的δ34S，δ18O以及硫化物中的δ34S 1031

七、测水中的CFCs 1033

八、测水中的SF6 1034

九、测水中的惰性气体 1035

十、测水中36Cl／Cl 1039

十一、测水中32Si／28Si 1039

十二、测水中δ11B 1040

十三、测水中87Sr／86Sr 1040

十四、测水中234U／238U 1040

十五、测水中溶解的气体氧（δ17O，δ18O） 1041

十六、测222Rn 1041

十七、测水中无机磷酸盐中的18O 1042

第四节 样品的整理、保存和管理 1043

参考文献 1044

附录1 国际原子能机构（IAEA）同位素水文学国际讨论会会议论文集书目 1098

附录2 编著者概况 1099

索引 1104