河道水体中氢氧稳定同位素组成的微分方程模型

介绍了前人提出并被广泛应用的瑞利分馏模型,指出了其优缺点。针对其不足,在作了一定的假定和简化的前提下,基于瑞利分馏原理和水力学基本定律分别推导了:①静止水体的氢氧稳定同位素组成随时间变化的微分方程模型,揭示了静止水体的同位素组成与时间、分馏系数和蒸发率之间的关系;②河道中运动水体的同位素组成随时间和空间变化的微分方程模型,导出了河道运动水体中稳定同位素组成与分馏系数、流速、流量、蒸发率之间的定量关系。最后通过数学推导论述了上述各模型之间的内在联系。上述模型的建立为定量计算和精确模拟运动水体中氢氧稳定同位素组成的变化提供了确定性的数学基础,也为更客观、更充分的解译水的稳定同位素数据提供了帮助。     

黄土高原丘陵沟壑区包气带土壤水运移过程

包气带土壤水运移过程是黄土高原生态修复中亟需回答的关键科学问题。环境同位素方法可获取其他方法难以获取的水文过程信息。通过对黄土高原丘陵沟壑区羊圈沟小流域降水、包气带0~150 cm土壤水和绣线菊（Spiraea salicifolia）木质部水等样品的同位素δD和δ18O进行测定。结果表明:羊圈沟小流域降水同位素组成受蒸发作用影响较大,呈现明显分馏效应。包气带土壤水、降水与木质部水同位素组成存在明显月份变化特征。降水是土壤水的主要补给来源,灌丛的水分利用来源主要为降水和土壤水,符合降水-土壤水-植被水的运移特征。灌丛木质部水和20~40 cm土壤水δD和δ18O最为接近,20~40 cm土壤水是灌丛水分利用的主要来源。研究揭示了包气带土壤水运移过程及植物水分利用来源,为土壤水运移过程、模型结构与参数识别等提供科学依据。     

黑河下游河岸林植物水分来源初步研究

通过分析黑河下游极端干旱区荒漠河岸林植物木质部水及其不同潜在水源稳定氧同位素组成(δ18O),应用"同位素质量守恒多元"分析方法初步研究了不同潜在水源对河岸林植物的贡献.结果表明:在黑河下游荒漠河岸林生态系统,在河水转化为地下水和土壤水及水分在土壤剖面再分配的过程中均存在强烈的同位素分馏.对植物水δ18O而言,胡杨、柽柳和苦豆子的δ18O分别为-6.43‰、-6.28‰～和-6.61‰,较苦苣菜(-5.14‰)和蒲公英(-5·52‰)明显偏负.柱状频率图显示胡杨最多能利用93%的地下水,柽柳最多利用90%的地下水.而苦豆子97%水分来源于80 cm土层范围内的土壤水.除0～20 cm土层内的土壤水外,苦苣菜和蒲公英可能还有其他潜在水源.即在黑河下游天然河岸林乔木和灌木较多地利用地下水,而草本植物仍然以地表水为主.     

利用δ53Cr定量评价Cr(VI)还原程度的实验研究

地下水污染的原位修复是当今国际上净化地下水最具发展前景的新技术,但对铬污染地下水原位修复尚未有科学有效的评价方法。定量评价地下水中Cr(Ⅵ)的被还原程度成为保护与修复铬污染地下水的关键问题。通过室内Cr(Ⅵ)的还原实验,分析Cr(Ⅵ)在还原过程中铬稳定同位素变化规律,研究其分馏机理,探索利用铬同位素定量评价地下水中Cr(Ⅵ)还原程度的可行性。研究结果表明:Cr(Ⅵ)在被还原成Cr(Ⅲ)过程中,发生明显的同位素分馏,即反应物中53Cr逐渐富集,同时生成物中52Cr逐渐富集;分馏过程可用瑞利分馏模型描述,分馏系数α为常数0.99842。表明δ53Cr能够定量评价水体中Cr(Ⅵ)的还原程度,为评价地下水铬污染修复提供了新途径。     

地下水硝酸盐污染源解析及氮同位素分馏效应研究进展

地下水硝酸盐污染已成为世界范围内最严重的环境地质问题之一。全面并准确识别硝酸盐污染源,对地下水的有效管理及污染防治具有重要的指导意义。从地下水硝酸盐来源、同位素检测方法、污染源同位素特征、定量解析模型构建、硝酸盐主要转化过程及同位素分馏效应等方面进行总结,比较不同解析方法在硝酸盐溯源中的应用与发展,建议采用多学科、多方法相结合的方式,提高对硝酸盐污染源的全面理解。同位素富集系数是定量解析硝酸盐污染源的重要参数,在源解析过程中探讨硝酸盐转化及同位素分馏机制,能够更好地诠释地下水硝酸盐来源和迁移转化过程,提高源解析的准确性,为地下水硝酸盐污染的准确溯源与有效防治提供参考。     

九江地震台地下水氢氧稳定同位素变化特征及意义

在地震地下流体研究中,地下水补给及循环过程是重要的研究内容之一,氢氧同位素示踪技术是目前研究该过程的常用手段。通过对九江地震台2井地下水、大气降水及周边天花井水库水、马尾水高山泉水的样品进行氢氧同位素测定分析,结果表明,与降水相比地下水氢氧同位素变化更为稳定。夏半年,大气降水氢氧同位素与降水量呈显著的负相关关系,具有明显的降水量效应;冬半年,与温度成显著的正相关关系,具有明显的温度效应,地下水氢氧同位素并未表现出明显的降水效应和温度效应。氢氧同位素及过量氘揭示地下水在下渗补给前经历了明显的蒸发分馏作用,并与围岩进行~(18)O交换,δ~(18)O与δD计算的补给高程分别约为647m、440m。九江台地下水总体属于大气成因型,循环过程为较稳定的裂隙水补给形成承压自流井。     

地下水硝酸盐污染的同位素研究进展

土壤原生氮、无机化肥和动物粪便等氮源中15N富集程度存在差异,使得利用稳定同位素N(δ15N/14N)能有效识别地下水中NO3-的来源。但N不是一个稳定的示踪剂,地下水中NO3-的δ15N是N源的初始δ15N值、后期进入含水层的迁移路径中和地下水流运动途径中不同形态的N之间相互转化过程,如矿化、吸附、硝化和反硝化作用,发生的同位素分馏作用后的综合反映。利用地下水中NO3-的δ15N确定其来源必须首先确定分馏作用是否发生及其反应程度。本文重点探讨了判断分馏作用是否发生及其反应程度的方法,总结了N同位素判别地下水NO3-污染源方法的发展历程,并指出未来研究工作应该以硝酸盐在包气带中的迁移转化规律为重点。     

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...     

基于金属稳定同位素的矿冶影响区土壤重金属污染源解析研究进展

矿冶影响区重金属的迁移和富集造成了严重的土壤重金属污染问题。深入了解矿冶影响区土壤中重金属的来源和迁移途径是开展土壤重金属污染高效治理的科学基础。近年来飞速发展的金属稳定同位素在识别土壤重金属污染来源和明确重金属迁移过程等方面有较大的应用优势。对金属稳定同位素分析技术、示踪原理及溯源模型进行系统分析,综述了矿产开采及冶炼过程（高温冶炼、电化学工艺和尾矿风化）导致的金属稳定同位素分馏研究进展,并总结了金属稳定同位素在矿冶影响区土壤重金属污染源解析的代表性应用成果。V同位素体系处于初期研究阶段,土壤重金属源解析应用研究相对缺乏;Zn、Cd和Hg同位素在识别高温冶炼过程相关的重金属污染源时有较大优势;Cu、Tl和Ni同位素可直接指示土壤中矿石的输入。但是,目前还存在部分金属稳定同位素分析难度大、溯源模型应用限制多、金属同位素易发生分馏导致源不确定等问题。在未来的工作中,需进一步探索和优化金属同位素分析方法,建立更多金属稳定同位素指纹图谱,开发适用性更强、结果更精确的溯源模型,明确复杂界面过程和反应中的金属稳定同位素分馏特征及机理,加强金属稳定同位素在追溯土壤重金属污染形成的时间尺度等方面的实...     

土壤水异质性研究进展与热点

土壤水是水资源的重要组成部分,是衔接四水转换和循环的核心。土壤水分异质性是土壤水研究的关键科学问题;绿水理念下水循环、水平衡更关注土壤水分的有效性。随着土壤水观测和识别技术的完善,可能获取多尺度土壤水时空变化信息;遥感、同位素、模拟与定位观测的结合在理解土壤水过程方面起着重要作用。认识土壤水文参数在测点尺度和生态水文单元尺度间的转换机理、研究土壤水及其驱动因子的异质性变化规律、形成土壤水异质性同化和尺度转换的方法与技术是近期热点。     

西辽河平原地下水补给植被的临界埋深

许多地区地下水是生态稳定的重要支撑或补充,确定地下水补给地表植被的临界埋深对地下水管理和生态安全至关重要。以西辽河平原为例,主要研究成果如下:①根据地下水补给植被原理划分包气带水分运动结构,描述地下水补给植被的作用机理和物理过程,定义地下水补给植被的临界埋深及相关物理概念。②根据植被根系吸收潜水蒸发的物理机制,地下水面附近由毛管水上升形成的潜水影响层是临界埋深计算的关键。③推导土壤毛管有效孔径计算推理公式,通过构建土壤微结构模型求解推理公式中的孔隙特征参数,解决毛管水最大上升高度的精确计算难题;④结合不同群落植被根系层厚度,形成地下水补给植被的临界埋深计算模型。⑤通过野外调查和观测试验实证,表明计算结果可靠,研究成果在科尔沁草原得到了及时应用。     

钾稳定同位素在水文地球化学领域的研究进展与展望

地表硅酸盐岩矿物风化通常是水体中钙、镁、钠、钾等元素的重要来源,然而相比于水体中的钙、镁和钠,目前对钾的水文地球化学行为的认识仍十分有限。表生地球化学领域最新研究证明风化、吸附等多种水岩反应伴随着较大的钾同位素分馏,表明钾同位素技术可以用于示踪地下水中钾的来源及迁移转化。文章通过系统总结上地壳、水圈和其他地表储库（植物、肥料）的钾同位素组成,发现水圈普遍比大陆上地壳富集41K,为识别地下水的钾来源提供了基础;通过总结钾同位素在常见的水岩作用过程（硅酸盐岩矿物溶解、次生黏土形成、吸附作用、离子交换反应）中的分馏行为,发现硅酸盐岩矿物溶解分馏有限,次生黏土矿物形成引起水体富集41K,表面吸附和离子交换使水体富集39K,不同水岩反应中K同位素行为差异为示踪地下水中钾的迁移转化过程提供了基础;列举了应用钾同位素示踪硅酸盐岩风化和水体污染的最新研究成果。由于钾同位素是硅酸盐岩风化的良好示踪剂,可以利用钾同位素揭示CO2较充足含水层中钾元素释放及迁移转化机理;由于表面吸附和离子交换控制的钾同位素分馏方向与风化控制的钾同位素分馏方向不同,可以利用钾同位素识别出地下水循环过程中多种水岩反应对钾迁移转化...     

稳定氮同位素在环境污染示踪中的应用进展

自然界的氮循环已被严重扰乱,失衡的氮循环过程中产生的一些氮氧化物和氮氢化物(如N2O、NO3-、NO2-、NH3、NH4 等)是全球温室效应、水体富营养化和酸雨危害的主要贡献者。稳定氮同位素作为一种有效的示踪手段,在研究氮循环特别是污染氮源的识别方面有重要意义。本文在简要总结氮的同位素分馏效应的基础上,重点论述和分析了稳定氮同位素在植被-土壤-地下水系统和大气系统中的氮源识别,并结合研究现状探讨了研究前景。     

蒸发过程中水体稳定同位素富集与空气湿度的关系

通过同位素分馏模型的物理意义分析及实验模拟分析,探讨空气湿度对蒸发过程水体稳定同位素富集过程的影响机理,研究认为:1空气相对湿度决定了扩散系数和自由空气同位素组成对分馏系数的影响比例,空气相对湿度越小,分馏系数受扩散分馏系数影响越大,分馏系数受自由空气水汽同位素组成影响则越小,反之亦然;2空气相对湿度与蒸发残余水体氢氧稳定同位素富集程度具有负相关性,即空气湿度越大越不利于残余水体重同位素富集;3模拟残余水体同位素丰度对空气相对湿度的敏感性呈负指数关系。在无外界气态水介入的蒸发实验中,残余系数为0.194条件下,当相对湿度小于80%时,H、O稳定同位素模拟结果对湿度的敏感性均小于0.0002,即相对湿度变化对模拟残余水体同位素丰度影响很小;当湿度大于80%时,湿度变化对模拟结果的影响呈指数关系急剧增加,湿度大于80%的蒸发实验需要准确观测相对湿度值。     

石英一水一盐体系氧同位素分馏作用

温度为180—550℃,盐度(wt.％)分别为0、5、25和40条件下,在高压釜内完成了由硅胶合成石英的氧同位素分馏作用实验研究,目的是了解:①盐同位素效应;②△t值对同位素分馏的影响;③温度与同位素分馏系数的关系。研究资料表明:低温条件下矿物和纯水之间同位素平衡作用不可能发生;影响含氧矿物(初)之间氧同位素平衡速率的因素包括盐度、△t值大小和温度等;我们的研究还表明,盐度对同位素分馏作用同系数无影响,即不存在所谓的“同位素盐效应”。在180—550℃温度范围内,不同盐度条件下获得的石英-水氧同位素分馏实验方程为:10001nα_(石英-水)=3.306×10~5T~(-2)—2.71。     

产出水识别及受污染地下水水化学和氢氧稳定同位素特征

识别地下水污染来源、认识受该类污染源污染的地下水化学特征是地下水污染防治工作的重中之重。产出水作为石油、天然气工业的废水，具有组分复杂、危害性大的特点。针对受产出水污染的地下水研究较少，受污染地下水的特征以及识别该污染源的方法尚不明确的问题，笔者以延安某地下水污染场地为研究区，利用水文地球化学和氢氧稳定同位素的方法探讨受产出水污染的地下水的水化学和同位素特征，并通过对比地下水和油层水的钠氯系数、氯镁系数、脱硫系数和碳酸盐平衡系数对产出水进行识别。研究结果表明，该区域受产出水污染的地下水表现为高TDS和贫化的氢氧稳定同位素特征；其水化学类型以Cl-Na型、Cl-Mg·Ca·Na型为主，且随着受产出水影响程度降低，地下水由Cl-Na型转化为Cl-Mg·Ca·Na型，再到HCO₃·SO₄-Na·Ca·Mg型；离子比例关系较正常地下水混乱，无线性规律；受产出水污染的地下水的钠氯系数、氯镁系数、脱硫系数和碳酸盐平衡系数大小均在长6油层水的范围内，表明判断油气成藏条件的相关参数可以用来识别产出水污染。该研究探讨了受产出水污染的地下水的水化学特征和氢氧稳定...     

地下水-陆生植被系统研究评述

依赖于地下水的生态系统广泛分布,潜水含水层本身是个生态系统,地下水不仅维持许多水生生态系统,而且是干旱-半干旱地区陆生植被生存的重要水源。研究地下水与植被的相互联系是生态水文地质学的主要组成部分,重点介绍地下水-植被系统的研究方法。植被吸收的地下水量占总蒸腾量的比例是评价植被依赖地下水程度的一个定量指标,蒸腾量比例呈季节性与区域性变化,取决于植被类型、地下水位埋深与动态变化、土壤岩性与气候条件。植被总蒸腾量可以用涡流相关系统测量。地下水的蒸腾量可以用植物茎流计测量,或者用地下水位昼夜变化估算。用同位素混合模型也能估算地下水占总蒸腾量的比例。植被对地下水位下降的响应可能有两种形式,一种是线性比例响应,另一种是临界突变响应,只有通过长期系统观测植被长势与地下水位的变化才能利用统计分析建立两者响应关系。目前,植被-水文模型只能模拟植被冠层截流与蒸腾对土壤水与地下水的影响,或者模拟土壤水-地下水对植被生长的影响,地下水与植被相互作用与反馈的耦合模型还是个空白。     

Fe-Cu-Zn-Mo同位素示踪氧化还原过程

非传统稳定同位素（Fe-Cu-Zn-Mo）理论与数据相结合提高了科研工作者对地质体系氧化还原过程的理解。本文对这一相对较新的领域进行了综述,包括与氧化还原过程相关的同位素分馏理论和实验约束、时空尺度下的氧逸度以及同位素示踪氧化还原过程。稳定同位素理论预测,Fe-Cu-Zn-Mo同位素应该对氧化还原状态的变化能够做出响应。结果表明,Fe同位素作为岩浆过程、表生过程、俯冲带流体性质"氧逸度计"应用前景广阔;Cu同位素在岩浆、热液、陆地系统可以很好地示踪氧化还原过程;Zn同位素由于络合过程分馏已经被用在许多不同环境中作为含硫/碳流体迁移的敏感示踪剂;Mo同位素作为古氧逸度计可有效重建古海洋-大气氧化还原状态。     

镉同位素示踪技术在土壤和沉积物镉污染来源解析中的应用进展

<正>镉是生物毒性最强的重金属元素之一,其迁移性很强,富集在土壤和沉积物中的镉,极易被植物吸收、积累,并通过食物链危害人类健康。治理和控制镉污染的关键是识别其污染源。镉同位素的研究始于20世纪70年代,但受仪器和技术的限制,直到90年代MC-ICP-MS的出现和逐步完善,地球陆生样品中较小的镉同位素分馏才     

土壤有机碳同位素样品制备过程的影响因素讨论

土壤有机碳同位素地球化学在气候和植被恢复方面的研究已得到广泛应用,但目前对不同类型、不同时代的土壤总有机碳同位素样品制备过程的系统研究较少.本文选取黄土高原不同地区、不同类型的现代土壤和古土壤,对其有机碳同位素样品制备过程进行了较系统的研究.( 1)去除土壤中无机碳酸盐对有机碳同位素组成的干扰:对于现代土壤样品,在室温条件下,用 0.5～ 6 mol/L HCl反应 1 d去除碳酸盐,均可获得理想数据;在 70 ℃反应条件下,用 0.5～ 2 mol/L HCl反应 2 h去除碳酸盐可获得理想数据,但用 6 mol/L HCl,δ 13C值偏负 0.65‰;( 2)在 850 ℃氧化温度条件下,样品制备加铜丝,对现代土壤及古土壤样品的δ 13C值均没有影响,结果表明在用封管法进行现代土壤及古土壤的有机碳同位素样品制备时,可以不加铜丝;( 3)对于有机碳含量较高的有机碳标准物质、植物和现代土壤样品,在 850 ℃氧化条件下,恒温 2.5 h,足以保证样品有机质氧化完全,不会产生同位素分馏;对于深层黄土和红粘土样品,由于样品体系复杂,在上述氧化条件下难以获得理想数据,合适的氧化条件有待进一步深入研究.