氢氧同位素在地下水流系统的重分布：从高程效应到深度效应

大气降水的氢氧同位素含量具有高程效应,降水入渗后参与地下水循环,其高程效应如何受地下水流系统的影响转化为地下水氢氧同位素的深度效应？现有研究对于这个问题缺少定量认识。文章构建单向倾斜盆地和双峰波状盆地的稳态地下水循环理论模型,采用MODFLOW模拟剖面二维地下水流场、采用MT3DMS模拟重同位素分子的对流-弥散过程,得到地下水D和¹⁸O含量的空间分布,探讨了氢氧同位素高程效应在地下水流系统转化为深度效应的机理。结果表明：在单斜盆地,补给区大气降水D和¹⁸O含量的高程效应转化为排泄区地下水δD和δ¹⁸O值随埋深增大而指数型衰减的深度效应;在双峰波状盆地,当含水层渗透性相对入渗强度较大时(K₀/w=1 000),仅发育一个区域地下水流系统,在区域地下水的排泄区δD和δ¹⁸O随埋深增大呈现S形曲线分布;当含水层渗透性相对入渗强度较小时(K0/w=250),双峰波状盆地发育多个局部地下水流系统,区域地下水的排泄区δD和δ¹⁸O随埋深增大呈现S形曲线,而局部地下水排...     

亚洲树轮稳定氧同位素研究进展

树轮稳定氧同位素作为一种高精度的古气候代用指标,在亚洲地区的发展起步晚进步快。树轮稳定氧同位素比率（δ¹⁸O）对区域气候信息有较强的记录能力,且与水汽循环关系密切,对于理解复杂的亚洲气候起着重要作用。亚洲地区树轮δ¹⁸O对温度的响应主要出现在高纬度地区,中低纬度树轮δ¹⁸O主要记录与水分（降水、相对湿度、PDSI等）有关的信号。对亚洲地区已发表的树轮δ¹⁸O与气候要素（温度、降水、相对湿度）的相关分析显著性统计显示,生长季气候对树轮δ¹⁸O至关重要,树轮δ¹⁸O 与温度的显著相关关系呈正相关,与降水和相对湿度的呈负相关,温度和降水通过降水δ¹⁸O影响树轮δ¹⁸O,但各自的信号强度存在区域差异,而相对湿度信号则广泛记录在不同区域不同树种之中。亚洲树轮稳定氧同位素研究集中于中低纬度地区,因而对大气水文循环的响应主要侧重于对亚洲夏季风和ENSO的研究,对季风降水的记录反映了季风活动的变化特征以及与之有关的环流信息;季节分辨率的树轮稳定氧同位素研究限于低纬热带亚热带区域,但对于理解区域气候和季风活动的年内变化、挖掘年轮不清晰树种的树轮学研究潜力具有重要的意义。     

湿度效应及其对降水中δ18O季节分布的影响

提出了湿度效应的概念,即降水中稳定同位素比率与大气的温度露点差ΔT_d存在显著的正相关关系.对两个气候特征完全不同的取样站乌鲁木齐和昆明降水中δ¹⁸O与温度露点差之间的关系进行了分析,尽管两站的δ¹⁸O与ΔT_d的季节变化存在差异,但它们的湿度效应是显著的.利用稳定同位素动力分馏模型并根据500hPa月平均温度的季节分布对昆明站云中凝结物中δ¹⁸O进行了模拟,模拟的月平均δ¹⁸O与月平均温度的变化具有非常好的一致性,说明昆明站云中凝结物中的氧稳定同位素具有温度效应.这个结果与地面降水中氧稳定同位素的降水量效应截然不同.昆明站降水中δ¹⁸O一定程度上指示大气的干湿状况,同时也间接地指示降水量的多寡或季风的强弱.湿度效应的存在,影响降落雨滴中稳定同位素蒸发富集的强度以及雨滴与大气之间稳定同位素物质迁移的方向.它不仅改变降水中稳定同位素比率的大小,也改变其季节分布的特点.     

黑河流域中上游地区降水δ18O变化特征

水资源短缺和合理利用是黑河流域面临的一个严峻问题,解决问题的关键就是要深入了解水循环过程.降水作为水循环中一个重要环节,分析其环境同位素变化特征是应用同位素示踪技术研究水循环过程所必须的前提.根据黑河流域中上游地区取得的降水水样和降水气象资料,分析了该区域降水中δ¹⁸O的变化特征.结果表明:降水δ¹⁸O受降水量、季节、高度和温度等众多因素综合影响,其中温度占主导地位;由于位于干旱内陆地区,降水中δ¹⁸O的季节变化幅度较大,可达20‰以上;降水δ¹⁸O与降水前后平均气温的相关性显著,分别高于δ¹⁸O与降水前气温或降水后气温的相关性.从空间上来看,山区或上游地区降水δ¹⁸O与气温之间的相关性显著,分别高于δ¹⁸O与山前或山前盆地的相关性.     

下垫面蒸发和云中凝结分馏对降水稳定同位素影响的数值试验——空间分布的比较

利用稳定同位素大气水平衡模式（iAWBM）,在一个水平衡和水稳定同位素平衡的框架下以及在相同的气象驱动下,模拟在不同的下垫面蒸发和不同的云中凝结分馏条件下降水中稳定同位素效应的空间分布特征,并通过与GNIP实测数据的比较以及模拟试验结果之间的相互比较,揭示云中的稳定同位素分馏和从下垫面蒸发的水汽同位素δ_e对降水中稳定同位素变化的可能影响,增进对全球水循环中稳定同位素效应的理解和认识。结果显示：iAWBM的4个模拟试验均很好地再现了全球降水中平均δ¹⁸O和平均δ¹⁸O季节差的空间分布特征;很好地模拟了降水同位素的温度效应、降水量效应的分布特点以及全球的大气水线MWL;比较而言,平衡分馏假设下模拟的全球降水中平均δ¹⁸O的空间分布与根据GNIP数据得到的实际空间分布以及模拟的全球MWL与实际MWL最接近,且模拟效果亦最好;动力分馏假设下模拟的降水中δ¹⁸O平均季节差的空间分布与根据GNIP数据得到的实际分布之间的相关程度较好,且拟合水平明显提高;在动力分馏和δ_e季节性的假设下,iAWBM再现全球δ¹⁸O-T和δ¹⁸O-P相关关系空间分布的能力较强。     

山东胶东地区某些金矿床的氩、氢、氧稳定同位素地球化学及矿床成因

通过矿床地质特征、流体包裹体及氧、氢稳定同位素的研究,认为马家窑金矿属再平衡岩浆热液矿床,金青顶和十里铺金矿属大气降水热液矿床。马家窑金矿石英的δD、δ¹⁸O值高,变化小,比较稳定;蚀变岩石的δ¹⁸O在磺向上由围岩向矿脉逐渐升高。金青顶和十里铺金矿石英的δD、δ¹⁸O值低、变化大;蚀变岩石的δ¹⁸O值由地表向深部逐渐降低。开展金矿的氮稳定同泣素研究,在国内尚数首次。马家窑金矿³⁶Ar在温度300℃以下相对含量不到10%,金青顶和十里铺金矿³⁶Ar则达90%以上,表明前者以岩浆成因⁴⁰Ar为代表,后者则以大气氩³⁶Ar为代表,进而表明马家窑金矿是再平衡岩浆热液成因,金青顶和十里辅金矿是大气降水热液成因。示踪结果与H、O同位素一致,表明氩同位素在示踪成矿热液、矿床成因研究方面是一种较为有效的手段。     

羊卓雍湖流域湖水稳定同位素循环过程研究

基于卓雍错流域2004年降水、河水、湖水中δ¹⁸O的监测结果,结合内陆湖水循环稳定同位素蒸发分馏模型,探讨了青藏高原南部羊卓雍湖水中稳定同位素的变化过程.研究表明:羊卓雍现代湖水中-5.9‰的δ¹⁸O平均值,相对应于当地相对湿度介于54%~58%的气候条件下,这是湖水蒸发分馏作用的最后结果.此外,入湖河水中δ¹⁸O变化也对湖水中平衡δ¹⁸O有一定的影响,而湖水温度的直接影响可以乎略.湖水中δ¹⁸O对入湖水δ¹⁸O的波动的调节能力很强,对于入湖水中δ¹⁸O大的波动,只有不到50 a的时间,湖水中稳定同位素会重新达到平衡.     

四川鲜水河-安宁河断裂带温泉氢氧稳定同位素特征

温泉地下水同位素特征对确定断裂带地下水来源、循环过程和断裂带活动性至关重要。为了确定青藏高原东缘温泉的地下水同位素特征和流体来源本研究采集了鲜水河-安宁河断裂带上温泉水、冷泉水、河流和积雪融水等样品,进行了氢氧稳定同位素和水化学组分测定,并进行了同位素特征的对比研究。分析结果表明,温泉水体δ¹⁸O变化范围为-19.04%~-12.71‰,平均值为-16.42‰;δ²H变化范围为-144.07‰~-88.63‰,平均值为-122.37‰。河水的δ¹⁸O变化范围为-15.90‰~-10.85‰,平均值为-13.86‰;δ²H变化范围为-118.21‰~-71.12‰,平均值为-98.99‰。康定冷泉δ¹⁸O和δ²H分别为-13.66‰和-106.74‰。道孚积雪融水的δ¹⁸O和δ²H分别为-10.27‰和-65.41‰。不同类型水体样品氢氧稳定同位素组成主要分布在全球和区域大气降水线上表明了大气降水成因,缺少明显的氧同位素漂移特征。不同类型水体同位素值差异较大显示出温泉与河水、积雪融水之间补给来源的不一致性。温泉同位素值具有明显的同位素高程效应,鲜水河-安宁河断裂带上氧同位素高程效应为-0.23‰/100m,氢同位素高程效应为-1.95‰/100m。温泉氧同位素漂移与相关离子比值、Na-K-Mg三角图、Li和Sr元素等指标表明研究区域大部分温泉的水岩作用强度弱。氢氧稳定同位素特征、水岩作用特征和循环深度揭示出温泉的成因为远距离大气降水运移补给地下水,地下水在地下热储层加热后通过断裂上升到地表形成温泉,这为认识青藏高原东缘地热水循环、断裂带活动性与演化特征提供了依据。     

基于土地利用类型的大气降水入渗补给量计算

影响大气降水入渗补给量的因素较为复杂,主要有土地利用类型、降水量、包气带厚度及岩性等。随着遥感影像解译技术的发展,人们能更精确地识别空间土地利用类型,从而更精确地计算大气降水入渗补给量,并了解其空间分布。综合考虑这些影响因素,本文提出了一种基于土地利用类型,并结合地理信息系统(GIS)和VBA(visual basic for applications)编程技术的大气降水入渗补给量计算方法(PIRCL)。以广州市广花盆地为例,利用PIRCL法计算得到该地多年平均大气降水入渗补给量为14 369万m3,该结果与水量平衡法计算得到的大气降水入渗补给量结果相近,相对误差约为2.4%;并且,计算得到的大气降水入渗补给量空间分布基本合理。与水量平衡法相比,PIRCL法计算大气降水入渗补给量只需区域遥感数据、区域降水量数据、对应时段地下水位动态变化及区域水文地质参数,不需要计算地下水其他的补给、排泄项,可以省略大量的工作量,且方便编程实现。     

下垫面蒸发和云中凝结分馏对降水稳定同位素影响的数值试验——时间变化的比较(以长沙降水同位素为例)

利用稳定同位素大气水平衡模式（iAWBM）的模拟数据,分析了在不同的下垫面蒸发和不同的凝结分馏条件下降水中δ¹⁸O的时间变化、降水量效应、负温度效应和大气水线。并通过与长沙站5年实测数据的比较以及模拟试验结果之间的相互比较,揭示下垫面蒸发水汽中稳定同位素的季节性变化和云中稳定同位素分馏对降水中稳定同位素变化的可能影响,增进对季风区水稳定同位素效应的理解和认识。iAWBM给出的4个模拟试验均很好地再现了监测站降水中δ¹⁸O的时间变化,模拟出季风区降水中稳定同位素在暖半年被贫化、在冷半年被富集的基本特点。与平衡分馏相比,动力分馏下降水中稳定同位素被贫化的程度加强、季节差和离散程度减小;由下垫面蒸发水汽中稳定同位素δ_e季节性变化所引起的降水中稳定同位素的变化在不同季节完全相反：在长沙,暖半年降水中δ¹⁸O更低,冷半年降水中δ¹⁸O更高,使得降水中稳定同位素季节差和离散程度增大。4个模拟试验均很好地再现了季风区的降水量效应和负温度效应。与平衡分馏相比,动力分馏下模拟的降水量效应和负温度效应的斜率相对较小;δ_e季节性变化导致模拟的降水量效应和负温度效应的斜率增大。利用iAWBM,模拟出季风区湿热气候条件下的MWL。动力分馏以及δ_e季节变化均使模拟得到的MWL的斜率和截距减小。     

矿区流域不同水体同位素时空特征及水循环指示意义

为了探究平朔矿区所在流域不同水体同位素的时空变化规律, 揭示采煤活动下区域水循环规律, 于2020年8月和12月对流域内地表水、地下水和矿井水进行采样, 测试样品的D和18O同位素组成, 并利用贝叶斯混合模型MixSIAR计算了矿井水不同来源的贡献率。结果表明: ①地表水和矿井水δD和δ18O夏季较冬季高; 地下水δD和δ18O季节差异不明显。地表水氢氧同位素值沿程呈增加趋势, 但局部受到矿井水的补给, 出现贫化; 地下水氢氧同位素值沿径流方向呈逐渐增加趋势。②采煤区氢氧同位素值较非采煤区明显增加。受季节效应影响, 在空间分布上8月浅层地下水氢氧同位素高值区域较12月明显增多。③ δ18O与δD关系图表明, 地表水在接受大气降水的补给之后受到了蒸发分馏作用的影响; 浅层地下水的补给源较复杂, 深层地下水由于采煤形成的导水裂隙带受到了浅层地下水和地表水的补给; 矿井水受地表水、浅层地下水和深层地下水的补给。④ MixSIAR模型揭示出深层地下水是矿井水的主要补给来源, 占61.60%~67.20%, 且补给比例冬季大于夏季; 浅层地下水对矿井水的补给存在明显季节差异。     

水化学—稳定同位素技术在岩溶水文地质研究中的应用

水化学—稳定同位素技术在岩溶水系统分析中得到了广泛的应用，尤其是在指示岩溶水文地球化学过程、识别岩溶水补给循环途径、溶质溯源及岩溶水污染监测防控等方面显示了独特的优势，产生了丰富的成果。本文着重阐述了环境稳定同位素δD、δ18O、87Sr/86Sr的工作原理，及水化学—稳定同位素技术在岩溶水文地质研究中的应用。此外，论文还以娘子关泉域和北京西山岩溶水系统为例，介绍了运用水化学—稳定同位素技术分析岩溶水系统补给的思路和方法，展望了该技术在岩溶水文地质和岩溶生态环境领域中的应用前景。      

Isotopic constraints on the origin of groundwater in the Ordos Basin of northern China

Despite its extreme aridity, the Ordos Basin in northern China is rich in groundwater. Many artesian wells or springs with large fluxes are utilized for drinking, irrigation and industrial production. In a search for the origin of the groundwater, a detailed investigation of the stable isotopes of oxygen and hydrogen in the local precipitation, the river water, the springs, the well water, as well as the soil water extracted from six soil profiles in the Ordos Basin, was carried out. The data show that δD, δ¹⁸O and TDS values of the river water are similar to those of groundwater, while the TDS values of the soil water are about ten times greater than those of groundwater. Furthermore, the mean isotopic compositions of the local precipitation are significantly higher than those of river water and groundwater. Based on the chloride mass balance method, the estimated recharge rates range from 5.2 to 17.2 mm/year, with a mean value of 10.5 mm/year. The results show that the main source of recharge of the groundwater in the Ordos Basin is not the local precipitation, but must come from a region where the precipitation is characterized by much lower δD and δ¹⁸O values. In addition, the groundwater in the Ordos Basin contains a component of mantle-derived ³He and crust-derived ⁴He suggesting that the groundwater may partly derive from flows through basement faults beneath the Ordos Basin.     

拉萨河流域地表径流氢氧同位素空间分布特征

为了探析径流过程中稳定同位素变化特征及其控制因子, 利用2008年拉萨河流域地表径流中δ18O和δD的监测数据以及相关气象和水文资料, 初步研究了流域δ18O和δD的空间分布特征.研究发现: (1)拉萨河流域以大气降水为主要补给来源, 且干流体现了较明显的蒸发效应; (2)河水偏正的d过量参数特征指示了冰雪融水的补给特征; (3)季风降水期间, 拉萨河流域由高程效应和水平距离所造成的δ18O递减率约为0.16‰·(100 m)-1; (4)大循环尺度下, 流域内河水呈现了明显的大陆效应.研究表明高海拔地区地表径流氧氘同位素分布特征能够有效示踪流域水文循环过程, 并提供古高度变化研究的稳定同位素证据.      

Tracing infiltration and recharge using stable isotope in Taihang Mt., North China

The groundwater in headwater region is an important recharge source for the adjacent mountain-front plain. In order to reveal the relationship among precipitation, soil water and groundwater, from June to September in 2004, stable isotopes (deuterium and oxygen-18) in precipitation and soil waters at the depths of 10, 20, 30, 50, 70, 90, and 110 cm were analyzed at two sites covered by black locust (Robinia Pseudoacia L.) (Site A) and grass predominated by Themeda triandra (T. japonica (Willd.) Tanaka) and Bothriochloa ischaemum (B. ischaemum (L.) Keng) (Site B) in an experimental catchment at Taihang Mt., North China, respectively. The δ¹⁸O of precipitation in daily rain events shows large variations (−13.3 to −4.3‰) with a mean of 8.1‰. The δ¹⁸O and δ D of soil waters along profiles in two sites suggest that the influence of canopy cover was just up to 10 cm in top soil water. The soil water moved over the zero flux plane at 70 cm in-depth is expected to escape the evaporative effect at the end of September in both sites. The results show that the stable isotope, instead of tritium as tradition, can be used to trace the soil water behaviors based on the movement of isotopic peak along the vertical profiles in this semi-arid and semi-humid mountainous region. The infiltration depths of soil water in Taihang Mt. are 12 and 10 mm/day from June to September in 2004 in Site A and Site B, respectively. Tracing by stable isotope, recharge fluxes of soil water to local groundwater are of 3.8 and 3.2 mm/day in Site A and Site B, respectively. The results provide desirable information for assessment of local groundwater resources. An erratum to this article can be found at     

基于水化学、同位素特征的济南岩溶地下水补给来源研究

文章利用水化学、2H、18O同位素、87Sr/86Sr比值、13C和14C同位素对济南岩溶地下水补给来源、地热水补给来源进行研究。结果表明，岩溶冷水水化学类型以HCO3-Ca、HCO3·SO4-Ca型为主、地热水以SO4-Ca型为主。在旱季，间接补给区对泉群地下水补给比率在66.00%~73.58%之间，直接补给区仅占到26.42%~34.00%，旱季泉水的主要来源为间接补给区岩溶地下水。地热水受到了更新世以来的降水补给，是不同时期降水补给所形成的混合地下水，接受补给区域应为高程较高的张夏或者炒米店-三山子组地层，补给高程在350~550 m之间。      

Oxygen and Hydrogen Isotopes of Waters in the Ordos Basin,China: Implications for Recharge of Groundwater in the North of Cretaceous Groundwater Basin

Hundreds of precipitation samples collected from meteorological stations in the Ordos Basin from January 1988 to December 2005 were used to set up a local meteoric water line and to calculate weighted average isotopic compositions of modern precipitation. Oxygen and hydrogen isotopes, with averages of ?7.8‰ and ?53.0‰ for δ18O and δD, respectively, are depleted in winter and rich in spring, and gradually decrease in summer and fall, illustrating that the seasonal effect is considerable. They also show that the isotopic difference between south portion and north portion of the Ordos Basin are not obvious, and the isotope in the middle portion is normally depleted. The isotope compositions of 32 samples collected from shallow groundwater (less than a depth of 150 m) in desert plateau range from ?10.6‰ to ?6.0‰ with an average of ?8.4‰ for δ18O and from ?85‰ to ?46‰ with an average of ?63‰ for δD. Most of them are identical with modern precipitation. The isotope compositions of 22 middle and deep groundwaters (greater than a depth of 275 m) fall in ranges from ?11.6‰ to ?8.8‰ with an average of ?10.2‰ for δ18O and from ?89‰ to ?63‰ with an average of ?76‰ for δD. The average values are significantly less than those of modern precipitation, illustrating that the middle and deep groundwaters were recharged at comparatively lower air temperatures. Primary analysis of 14C shows that the recharge of the middle and deep groundwaters started at late Pleistocene. The isotopes of 13 lake water samples collected from eight lakes define a local evaporation trend, with a relatively flat slope of 3.77, and show that the lake waters were mainly fed by modern precipitation and shallow groundwater.     

多年冻土区风火山流域降水河水稳定同位素特征分析

由于多年冻土区流域土壤冻融过程对水循环影响的复杂性,水循环物理过程观测存在困难和不足,而利用稳定同位素方法可以有效地解决该问题。因此,基于2009年长江源风火山流域夏季定点降水和河水δD和δ¹⁸O,对研究区降水河水稳定同位素特征进行分析。结果表明,研究区夏季降水δD和δ¹⁸O受到降水量和温度的双重影响,即受海洋性和大陆局地气团的交替影响。河水氢氧同位素的季节变化和空间差异与壤中流、地下水补给河流的季节差异和植被覆盖的空间差异有关。随着地温升高和土壤冻融锋面的迁移,河水补给来源和同位素特征发生改变,表明土壤冻融变化对多年冻土流域径流过程起到重要作用。此外,蒸发分馏作用是研究区河水同位素的重要影响因素。     

Hydrogeochemical investigation of surface and groundwater composition in an irrigated land in Central Tunisia

Major element concentrations, stable (δ¹⁸O and δ²H) and radiogenic (³H, ¹⁴C) isotopes determined in groundwater provided useful initial tracers for understanding the processes that control groundwater mineralization and identifying recharge sources in semi-arid Cherichira basin (central Tunisia).Chemical data based on the chemistry of several major ions has revealed that the main sources of salinity in the groundwaters are related to the water–rock interaction such as the dissolution of evaporitic and carbonate minerals and some reactions with silicate and feldspar minerals.The stable isotope compositions provide evidence that groundwaters are derived from recent recharge. The δ¹⁸O and δ²H relationships implied rapid infiltration during recharge to both the Oligocene and Quaternary aquifers, with only limited evaporation occurring in the Quaternary aquifer.Chemical and isotopic signatures of the reservoir waters show large seasonal evolution and differ clearly from those of groundwaters.Tritium data support the existence of recent recharge in Quaternary groundwaters. But, the low tritium values in Oligocene groundwaters are justified by the existence of clay lenses which limit the infiltration of meteoric water in the unsaturated zone and prolong the groundwater residence time.Carbon-14 activities confirm that groundwaters are recharged from the surface runoff coming from precipitation.