水文地球化学和环境同位素方法在地下水咸化中的研究与应用进展

稳定同位素应用

高精度稳定同位素技术 同位素指质子数相同而中子数不同的同种化学元素，最常用的稳定同位素有碳-13 (13C)、氮-15(15N)、氢-2 (2H即氘) 和氧(18O)等。因为这些同位素比普通元素重1到2个原子量单位，所以也叫作重元素。稳定同位素(stable isotope) 就是天然同位素或非放射性同位素(non-radioactive isotope)，即无辐射衰变，质量保持永恒不变。稳定同位素在自然界无处不在，包括所有化合物、水和大气，所以也就自然地存在于动植物和人体内。其物理化学性质与普通元素相同，所以可用作示踪剂来标记化合物用于科学研究、临床医学和药物生产等几乎所有自然领域。由于没有辐射污染，稳定同位素示踪剂可以用于任何对象，包括孕妇、婴儿和疾病患者，无论是口服还是注射，都绝对安全。 稳定同位素技术的另一特点是其测试定量的高精度和超高精度，达到PPM级（即百万分之一精度)，而且同时也测定了化合物的浓度，事半功倍，且降低了测试误差。现在，利用同位素技术人们可以同时测定多个不同的样品，从而提高测定效率。这些高效率、高精度的特点是放射性同位素等技术所不可比拟的。 稳定同位素技术的第三个特点是其示踪能力的微观性和灵活多变性。微观性是指它可以用来标记、追踪化合物分子内部某个或多个特定原子，比如葡萄糖分子中各个原子在人体内的不同代谢途径, 哪些原子进入三羧酸循环产生能量，而哪些原子进入脂肪代谢途径参与脂肪合成。多变性是指通过对同位素标记位点的合理选择和巧妙设计来追踪、定性定量测定化合物的不同代谢途径或者生成过程。 由于以上特性，自上世纪中叶特别是70年代以来稳定同位素技术在科技先行国家被广泛应用于医学、营养、代谢、食品、农业、生态和地质等研究和生产领域。近年来在药物研发生产以及新兴的基因工程、蛋白质组学(proteomics)、代谢组学(metabolomics) 和代谢工程(metabolic engineering) 等前沿领域，稳定同位素技术已成为一种应用广泛、独特高效甚至必须的技术，显著地提高了解决科学问题的能力和生产效率。最新近的例子是德国科学家用碳13氨基酸通过三代喂养成功地标记了动物全身的所有蛋白质而获得了细胞代谢的重要发现。这一崭新的技术堪比当年的聚合酶连锁反应技术(PCR), 必将迅速得到广泛的推广和应用，有力地推动生命科学的发展。稳定同位素在自然界的无所不在意味着该技术应用的普遍性，有大自然显微镜的独特功能，将揭开越来越多的大自然和人体的奥秘。

水文地球化学

水文地球化学研究现状、基本模型与进展 摘要：1938 年, “水文地球化学”术语提出, 至今水文地球化学作为一门 独立的学科得到长足的发展, 其服务领域不断扩大。当今水文地球化学研究的理论已经广泛地应用在油田水、海洋水、地热水、地下水质与地方病以及地下水微生物等诸多领域的研究。其研究方法也日臻完善。随着化学热力学和化学动力学方法及同位素方法的深入研究, 以及人类开发资源和保护生态的需要, 水文地球化学必将在多学科的交叉和渗透中拓展研究领域, 并在基础理论及定量化研究方面取得新的进展。 早期的水文地球化学工作主要围绕查明区域水文地质条件而展开, 在地下水的勘探开发利用方面取得了可喜的成果( 沈照理, 1985) 。水文地球化学在利用地下水化学成分资料, 特别是在查明地下水 的补给、迳流与排泄条件及阐明地下水成因与资源的性质上卓有成效。20 世纪60 年代后, 水文地球化学向更深更广的领域延伸, 更多地是注重地下水在地壳层中所起的地球化学作用( 任福弘, 1993) 。 1981 年, Stumm W 等出版了5水化学) ) ) 天然水化学平衡导论6 专著, 较系统地提供了定量处理天然水环境中各种化学过程的方法。1992 年, C P 克拉依诺夫等著5水文地球化学6分为理论水文地球化学及应用水文地球化学两部分, 全面论述了地下水地球化学成分的形成、迁移及化学热力学引入水文地球化学研究的理论问题, 以及水文地球化学在饮用水、矿水、地下热水、工业原料水、找矿、地震预报、防止地下水污染、水文地球化学预测及模拟中的应用等, 概括了20 世纪80 年代末期水文地球化学的研究水平。特别是近二十年来计算机科学的飞速发展使得水文地球化学研究中的一些非线性问题得到解答( 谭凯旋, 1998) , 逐渐构架起更为严密的科学体系。 1 应用水文地球化学学科的研究现状 1. 1 油田水研究 水文地球化学的研究在对油气资源的勘查和预测以及提高勘探成效和采收率等方面作出了重要的贡献。早期油田水地球化学的研究只是对单个盆地或单个坳陷, 甚至单个凹陷进行研究, 并且对于找油标志存在不同见解。此时油田水化学成分分类主要沿用B A 苏林于1946 年形成的分类。1965 年, E C加费里连科在其所著5根据地下水化学组分和同位素成分确定含油气性的水文地球化学指标6中系统论述了油气田水文地球化学特征及寻找油气田的水文地球化学方法。1975 年, A G Collins 在其5油田水地球化学6中论述了油田水中有机及无机组分形成的地球化学作用( 汪蕴璞, 1987) 。1994 年, 汪蕴璞等对中国典型盆地油田水进行了系统和完整的研究, 总结了中国油田水化学成分的形成分布和成藏规律性, 特别是总结了陆相油田水地球化学理论, 对油田水中宏量组分、微量组分、同位素等开展了研究, 并对油田水成分进行种类计算, 从水化学的整体上研究其聚散、共生规律和综合评价找油标志和形成机理。同时还开展了模拟实验、化学动力学和热力学计算, 从定量上探索油田水化学组分的地球化学行为和形成机理。 1. 2 洋底矿藏研究

《水文地球化学》教学大纲

《水文地球化学》教学大纲 Hydrogeochemistry－Course Outline 第一部分大纲说明 一、课程的性质、目的与任务 《水文地球化学》是水文与水资源工程专业本科生必修的一门主要专业基础课。通过本课程的学习，使学生掌握水文地球化学的基本原理和学会初步运用化学原理解决天然水的地球化学问题和人类对天然水的影响问题的方法与手段，为学习后续课程和专业技术工作打下基础。 二、与其它课程的联系 学习本课程应具备普通地质学、综合地质学、工程化学和水文地质学的基础。后续课程为水质分析实验、铀水文地球化学、环境水文地质学和水文地质勘察。 三、课程的特点 1．对基本概念、基本规律与常见的应用方法的理解并重。 2．对基本理论与常见水文地球化学问题的定量计算方法的掌握并重。 3. 采用英文教材，中、英语混合授课。 四、教学总体要求 1．掌握水文地球化学的基本概念、基本规律与研究方法。 2．掌握控制地下水与地表水化学成分的主要作用：酸碱反应与碳酸盐系统；矿物风化与矿物表面过程；氧化－还原反应；有机水文地球化学作用等。 3．通过理论讲述、研究实例分析与习题课，使学生理解天然水中常见的化学组份与同位素组成，掌握最基本的地球化学模拟方法与整理水化学数据的能力。 五、本课程的学时分配表 编 号教学内容课堂讲 课学时 习题课 学时 实验课 学时 自学 学时 1 引言及化学背景 （Introduction and Chemical Background） 6 2 酸碱反应与碳酸盐系统 (Acid-Base Reactions and the Carbonate System) 4 2 3 矿物风化与矿物表面过程 Mineral weathering and mineral surface processes 6

稳定同位素样品处理技术

稳定同位素样品处理技术 1、固体样品 固体样品在进行同位素质谱分析之前必须进行干燥、粉碎、称量等处理步骤。 1.1干燥 样品可以放在透气性好，而且耐一定高温的器具或取样袋中，然后在60~70℃的干燥箱进行干燥24~48小时。 注意：烘干的样品要及时研磨或者保持干燥，否则有返潮现象，给磨样造成困难，而且影响同位素数据。 1.2酸处理 将土壤样品适当粉碎（为了更好的反应），放在小烧杯中，倒入适量浓度的盐酸（浓度一般用0.5mol/L），这时会发现有小气泡冒出，这是盐酸与土壤中的无机碳反应产生的CO2，用玻璃棒搅拌使反应更完全，可以间隔1小时搅拌一次使之充分反应。反应至少6小时，除去土壤中的无机碳，沉淀，倒掉上层清夜；再用去离子水搅拌洗涤，沉淀，倾倒上层清夜，重复3~4次，充分洗净过量盐酸；然后烘干土壤样品（条件同上）。 注意：测定碱性土壤中的有机C同位素，在干燥之前需要进行酸处理。因为采集的土壤样品中含有无机碳，会影响到我们需要的数据。 1.3粉碎 经过烘干的样品需要粉碎才能进行分析，为了保证样品的均匀，粉碎程度至少要过60目的筛子。粉碎可以用研钵、球磨机或混合磨碎机来等来处理。 1.4样品整理 磨好的样品放在合适的包装里，如小瓶子、小信封或自封袋里，最好密封保存。以数字和英文字母做标记区别样品。 1.5称量 经过干燥和粉碎处理的样品在分析之前还得放在锡箔帽中称量。用微量分析天平（同位素实验室专用），样品量可以精确到0.001mg （百万分之一天平）。称样前，先将所需工具及样品排放好，所需工具包括样品垫、样品盘、镊子、勺子。先调天平平衡，看水泡是否在圆圈内，在圆圈内则表示天平平衡。在称量过程中尽量不要碰桌子，减少对天平的影响。称量时，先将锡帽放进天平内，等天平显示的数字稳定时调零，然后将锡帽取出放在样品垫上，放适量样品至锡帽中，样品的量根据测定的同位素以及样品中的含量而定。称量最终质量并作记录。然后将锡帽团用镊子或拇指和食指轻轻用力团成小球。已经称量并用锡箔包好的样品放在专门的样品盘里，并附带一份质量表格，保存。 注意：任何时候不能由裸露的双手触摸样品或锡帽。若用手操作，须带上无尘橡胶手套。并确保包好的样品没有泄漏。样品盘中样品的标记对应记录本上的标记。（只要同位素比率值的不需要记录质量数，而需要全N或全C量的则需要记录质量数）。

水文地球化学习题讲解学习

水文地球化学习题 第一章 第二章水溶液的物理化学基础 1．常规水质分析给出的某个水样的分析结果如下（浓度单位：mg/L）： Ca2+=93.9；Mg2+=22.9；Na+=19.1；HCO3-=334；SO42-=85.0；Cl-=9.0；pH=7.2。求： （1）各离子的体积摩尔浓度（M）、质量摩尔浓度（m）和毫克当量浓度（meq/L）。 （2）该水样的离子强度是多少？ （3）利用扩展的Debye-Huckel方程计算Ca2+和HCO3-的活度系数。 2．假定CO32-的活度为a CO32- =0.34?10-5，碳酸钙离解的平衡常数为4.27?10-9，第1题中的水样25℃时CaCO3饱和指数是多少？CaCO3在该水样中的饱和状态如何？ 3．假定某个水样的离子活度等于浓度，其NO3-，HS-，SO42-和NH4＋都等于10-4M。反应式如下： H+ + NO3- + HS- = SO42- + NH4＋ 问：25℃和pH为8时，该水样中硝酸盐能否氧化硫化物？ 4．A、B两个水样实测值如下（mg/L）： 组分Ca2+Mg2+Cl-SO42-HCO3-NO3- A水样706 51 881 310 204 4 5．请判断下列分析结果（mg/L）的可靠性，并说明原因。 组分Na+K+Ca2+Mg2+Cl-SO42-HCO3-CO32-pH A水样50 6 60 18 71 96 183 6 6.5 B水样10 20 70 13 36 48 214 4 8.8 6．某水样分析结果如下： 离子Na+Ca2+Mg2+SO42-Cl-CO32-HCO3-含量(mg/l) 8748 156 228 928 6720 336 1.320 试计算Ca2+的活度(25℃)。 4344 含量（mg/l）117 7 109 24 171 238 183 48 试问： （1）离子强度是多少？ （2）根据扩展的Debye-Huckel方程计算，Ca2+和SO42－的活度系数？ （3）石膏的饱和指数与饱和率是多少？ （4）使该水样淡化或浓集多少倍才能使之与石膏处于平衡状态？ 8．已知温度为298.15K（25℃），压力为105Pa（1atm）时，∑S=10-1mol/l。试作硫体系的Eh-pH图（或pE-pH图）。 9．简述水分子的结构。 10．试用水分子结构理论解释水的物理化学性质。 11．温、压条件对水的物理、化学性质的影响及其地球化学意义。 12．分别简述气、固、液体的溶解特点。

同位素水文地球化学

第四章同位素水文地球化学 环境同位素水文地球化学是一门具有良好的前景、发展迅速的新兴学科，也是水文地球化学的一个重要分支。目前，地下水资源可持续利用中的重要问题是地下水补给的更新能力及地下水污染程度的评价。用环境同位素技术研究地下水补给和可更新性，追踪地下水的污染是当前国内外较为新颖的方法之一。目前世界上许多国家已将同位素方法列为地下水资源调查中的常规方法。近年来，国内外环境同位素的研究从理论到实践都有较快的发展。除了应用氢氧稳定同位素确定地下水的起源与形成条件，应用氚、14C测定地下水年龄，追踪地下水运动，确定含水层参数等常规方法外；在应用3H-3He、CFCs示踪干旱、半干旱地区浅层地下水的补给，应用14C、36Cl确定深层地下水的年龄，追溯地下水的入渗史，应用34S研究地下水中硫酸盐的来源，分析地下水的迁移过程，应用11B/10B研究卤水成因等方面都有重要进展。 4.1 同位素基本理论 4.1.1 地下水中的同位素及分类 我们知道，原子是由原子核与其周围的电子组成的，通常用A Z X N来表示某一原子。这里，X为原子符号，Z为原子核中的质子数目，N为原子核中的中子数目，A为原子核的质量数，它等于原子核中的质子数与中子数之和，即： A=Z+N( 4-1-1 ) 为简便起见，也常用A X表示某一原子。 元素是原子核中质子数相同的一类原子的总称。同一元素由于其原子核中中子数不同可存在几种原子质量不同的原子，其中每一种原子称为一种核素，如C原子有12C、13C、14C等核素，氧原子有16O、17O、18O等核素。某元素的不同几种核素称为该元素的同位素(蔡炳新等，2002)，或者说同位素指的是在门捷列耶夫周期表中占有同一位置，其原子核中的质子数相同而中子数不同的某一元素的不同原子。同位素可分为稳定同位素和放射性同位素两类，稳定同位素是指迄今为止尚未发现有放射性衰变（即自发地放出粒子或射线）的同位素；反之，则称为放射性同位素。 地下水中的同位素一方面包括水自身的氢、氧同位素，另一方面还包括水中溶质的同位素。

稳定同位素技术的发展及其应用

核技术与核安全课程作业 稳 定 同 位 素 技 术 的 发 展 及 其 应 用

原子核内质子数相同而中子数不同的一类原子称为同位素，它们处在周期表上的同一位置，可分为稳定性同位素和放射性同位素。放射性同位素的原子核是不稳定的，它通过自发的放出粒子而衰变成另一种同位素。而不具有放射性的同位素称为稳定同位素，其中一部分是由放射性同位素通过衰变后形成的稳定产物，称为放射成因同位素；另一部分是天然的稳定同位素，是核合成以来就保持稳定，迄今为止还未发现它们能够自发衰变形成其他同位素。自然界中共有1700余种同位素，其中稳定同位素有270余种。有的元素由很多的稳定同位素组成，如第50号元素锡含有10个稳定同位素；而有的稳定同位素却仅仅只有一个稳定同位素，如元素氟、钠等。 稳定同位素较放射性同位素具有安全、无污染、易控制的优点，在地质、生态、医药、农业等领域研究中得到广泛应用。 1.稳定同位素技术的发展过程 稳定同位素的发现比放射性同位素要晚一些，1912年汤姆孙用电磁分析器（近代质谱计的雏形）才第一次确定了氖-20和氖-22的存在；1927年发现了氧的稳定同位素O 17和O 18 ；1932年发现了重氢（D ）。1936年尤里等用精馏法从水中富集了O 18，随后又用化学交换法富集了Li 8，C 13，N 15和S 34，不但证实了早年发表过的有关分离的计算理论，同时也发现了化学交换法对大量分离轻同位素很合适的。与此同时也采取了几种物理方法分离了若干种同位素。 在1930-1941年期间稳定同位素分离还处于探索阶段，此时尚无工业规模的生产，少量分离物只是提供研究同位素本身的核性质以及作为示踪原子用。到20世纪50年代后期，由于科学技术的进步及稳定同位素特殊性质的逐步显示，才使之得以迅速发展。我国稳定同位素的研制工作起步于50年代中，60年代首先在农业上获得应用。之后，在医药学中的应用也取得初步成果。目前，我国已有一支稳定同位素的研究、生产机应用的技术队伍，个别产品进入了国际市场。 2.稳定同位素分析技术 稳定同位素分析是分离研究、生产和应用的前提，它是稳定同位素科学技术中不可缺少的组成部分。其中最重要的方法是质谱分析，它用于同位素分析已有70年历史，是经典、常用，准确的方法，适用于各种元素同位素质量和浓度测定以及物质成分和结构分析。近来在样品引入、离子源、分析器以及检出系统等四个主要方面都有重大的改进。在样品引入部分加上气相色谱，构成色质联用仪器，可以分析复杂混合物样品而不必转化为简单气体。此外，现在又出现高压液相色谱与质谱联用的更新技术。在离子化方面出现了许多新型离子化型式，如化学离子化，在离子源中产生的离子基本上是分子离子，谱线要比普通的电子轰击离子化单纯得多，大大提高了检测灵敏度。又如场致离子化和场解吸离子化，它们都是不直接轰击样品分子，是一种软离子化技术，不出现离子碎片，基本上没有同位素效应的干扰问题，可以直接分析多成分的混合物样品，而且不必像GC-MS 那样需要引入适合于气相色谱的诱导体，所以操作更为简单。这对多重标记物的分析十分有利，能测定稀释了一百万倍的样品，最小检测量可低到fs(1510 g)。此外，还有激光离子化、大气压离子化和多点场离子化等。在分析器方面，除了磁场偏转形式外，还有一种简便的四重极质量过滤器，它是用四根圆棒电极(最好是双曲线断面型式)代替了笨重的磁铁。对角线上两根电极互成一对，分别加上高

水文地球化学研究现状与进展

本文由国土资源部地质调查项目“全国水资源评价”和“鄂尔多斯自留盆地地下水赋存运移规律的研究”项目资助。改回日期:2001212217;责任编辑:宫月萱。 第一作者:叶思源,女,1963年生,在读博士生,副研究员,从事矿水、地热水及水文地球化学研究。 水文地球化学研究现状与进展 叶思源1)　孙继朝2)　姜春永3) (1)中国矿业大学,北京,100083;2)中国地质科学院水文地质环境地质研究所,河北正定,050803; 3)山东地质工程勘查院,山东济南,250014) 摘　要　1938年,“水文地球化学”术语提出,至今水文地球化学作为一门独立的学科得到长足的发展,其服务领域不断扩大。当今水文地球化学研究的理论已经广泛地应用在油田水、海洋水、地热水、地下水质与地方病以及地下水微生物等诸多领域的研究。其研究方法也日臻完善。随着化学热力学和化学动力学方法及同位素方法的深入研究,以及人类开发资源和保护生态的需要,水文地球化学必将在多学科的交叉和渗透中拓展研究领域,并在基础理论及定量化研究方面取得新的进展。关键词　水文地球化学　研究现状　进展 Current Situ ation and Advances in H ydrogeochemical R esearches YE Siyuan 1) 　SUN Jichao 2) 　J IAN G Chunyong 3 ) (1)Chi na U niversity of Mi ni ng and Technology ,Beiji ng ,100083;2)Instit ute of Hydrogeology and Envi ronmental Geology ,CA GS , Zhengdi ng ,Hebei ,050803;3)S handong Instit ute of Geological Engi neeri ng S urvey ,Ji nan ,S handong ,240014) Abstract Hydrogeochemistry ,as an independent discipline ,has made substantial development since the term “hydrogeochemistry ”was created in 1938.At present hydrogeochemical theories have been applied to various fields such as oil field water ,ocean water ,geothermal water ,groundwater quality ,endemic diseases and groundwater microorganism ,and related research methods have also become mature.With the further development of chemical thermodynamics ,kinetics method and isotope method ,hydrogeochemistry will surely extend its research fields in the course of multi 2discipline interaction and make new progress in basic theory and quantifica 2tion research ,so as to meet the demand of human exploration and exploitation as well as ecological protection.K ey w ords hydrogeochemistry current state of research advance 早期的水文地球化学工作主要围绕查明区域水文地质条件而展开,在地下水的勘探开发利用方面取得了可喜的成果(沈照理,1985)。水文地球化学在利用地下水化学成分资料,特别是在查明地下水的补给、迳流与排泄条件及阐明地下水成因与资源的性质上卓有成效。20世纪60年代后,水文地球化学向更深更广的领域延伸,更多地是注重地下水在地壳层中所起的地球化学作用(任福弘,1993)。1981年,Stumm W 等出版了《水化学———天然水化 学平衡导论》专著,较系统地提供了定量处理天然水环境中各种化学过程的方法。1992年,C P 克拉 依诺夫等著《水文地球化学》分为理论水文地球化学及应用水文地球化学两部分,全面论述了地下水地球化学成分的形成、迁移及化学热力学引入水文地球化学研究的理论问题,以及水文地球化学在饮用水、矿水、地下热水、工业原料水、找矿、地震预报、防止地下水污染、水文地球化学预测及模拟中的应用等,概括了20世纪80年代末期水文地球化学的研究水平。特别是近二十年来计算机科学的飞速发展使得水文地球化学研究中的一些非线性问题得到解 答(谭凯旋,1998),逐渐构架起更为严密的科学体系。 第23卷　第5期2002210/4772482 地　球　学　报ACTA GEOSCIEN TIA SIN ICA Vol.23 No.5 Oct.2002/4772482

水文地球化学课后思考题

复习题与思考题 1. 名词解释 （1）阳离子交换容量； （2）弥散通量； （3）水文地球化学； （4）水动力弥散； （5）弥散问题数学模型；（6）大陆效应；地下水污染；（7）碱度； （8）酸度； （9）硬度； （10）永久硬度； （11）暂时硬度； （12）碳酸盐硬度； （13）非碳酸盐硬度； （14）生化耗氧量（BOD）；（15）化学耗氧量（COD）（16）物理吸附； （17）化学吸附； （18）离子交替吸附作用；（19）阳离子交换容量； （20）同位素效应； （21）同位素分馏； （22）同位素交换反应；（23）射性同位素的半衰期；（24） TDS； （25）全等溶解； （26）非全等溶解；

2.思考并回答下列问题 绪论 （1）试说明水文地球化学的含义。 （2）试说明水文地球化学作为一个独立学科的发展历史。 （3）说明水文地球化学的研究意义。 第一章地下水的化学成分 （1）试说明水的结构特征。 （2）水有那些特异性质，试分别对其予以说明。 （3）地下水的化学成分有那几类，分别予以简要说明。 （4）通常有哪些方法可用来对水质分析结果进行检验？ （5）地下水化学成分的图示方法有哪些？试分别予以简要说明。 第二章地下水化学成分的形成作用 （1）怎样根据化学反应的自由能资料计算反应的平衡常数？ （2）水溶液中组分活度系数的计算方法主要有哪些？试说明其适用条件。 （3）试说明影响矿物在水中溶解度的因素。 （4）试分别说明纯水中石膏、萤石、石英、三水铝石溶解度的计算方法。 （5）试说明矿物稳定场图的绘制方法。 （6）试定性地说明为什么在CO2-H2O系统中水溶液显酸性，而在CaCO3-H2O系统中水溶液显碱性。 （7）已知H2CO3的一、二级电离常数分别为K a1和K a2，试导出CO2──H2O系统中：溶解碳总量为C T、氢离子浓度为[H+]时，H2CO3、HCO3-和CO32-含量的计算公式。若25℃时，K a1=10-6.35、K a2=10-10.33，试分析说明上述组分中那一种组分在什么样的pH区间内含量最大？ （8）在CO2分压（p）已知的CO2—H2O系统中，已知下述反应的平衡常数分别为CO2分压为10-3.5（atm），水的离子积为10-14，且上述反应均已达到平衡状态。试计算系统中各组分存在形式的含量及水溶液的pH值。 （9）对于下述的电极反应： OX+n e ＝ RED 已知其电极电位可由下式计算： 式中：F为法拉第常数；R为气体常数；n为得失电子地数目；E0为标准电极电位，E0的计算

轻元素稳定同位素的标准评述

轻元素稳定同位素的标准评述 厦门大学海洋系　郭卫东 提　要　标准物质在稳定同位素分析的质量保证体系以及分析数据的可比性方面起着关键性作用,因此标准物质的研制具有重要意义。本文评述了国际上在轻元素(氢、碳、氮、氧和硫)稳定同位素标准物质研制方面的最新进展。 关键词　稳定同位素　标准物质　轻元素 随着高分辨率质谱技术的出现和不断完善以及制样技术的提高,氢、碳、氮、氧和硫等轻元素的稳定同位素在地质、海洋以及近年来在环境科学等诸多学科领域中得到了广泛应用。其中标准物质是稳定同位素分析质量保证体系的重要环节,同时也是使不同稳同实验室的分析数据统一到同一基准从而具有可比性的根本保证,因此研制适宜的稳定同位素标准物质其重要性是不言而喻的。国际上由国际原子能委员会(I A EA)下属的同位素水文学部统一负责稳定同位素标准物质的研制、管理和分发工作,并不定期召开会议讨论决定有关事宜。本文介绍目前国际上在氢、碳、氮、氧和硫稳定同位素标准物质研制方面的一些最新进展。 一、稳定同位素的基准 轻元素的稳定同位素组成都用?值表示,因此稳定同位素的基准即是?标尺的“零点”,也叫一级参考标准(P ri m ary R ef2 erence Standard),它是以同位素组成均匀稳定、同位素比值大致为其天然同位素组成变化范围中间值的天然物质为基础经国际公认所确定。基准的建立对确保分析数据的可比性发挥了至关重要的作用。但随着时间的推移,有些基准物质已用完,有些基准物质的均匀性或稳定性受到怀疑,还有些基准物质原本就不存在,从而给实际分析对比工作带来困难。I A EA认识到这些问题的严重性,以校准物质(Calib rati on M aterial)为基础,建立了一套新的参考基准。所谓校准物质,是指同位素组成通过 33333333333333333333333333333333333333 学和年代学等理论和技术方法的完善是海洋事件地球化学得以发展和完善的前提。 (3)向高精度定量方向发展 今后海洋事件地球化学将以精确给出各类事件的地球化学标志和精确厘定各类事件年龄为目的,对各类事件的认识将向高精度定量方向发展,从而使得海洋事件地球化学研究真正成为能够解决重大海洋地质问题,影响相关学科发展的一门边缘学科。 — 4 —

水文地球化学教学辅导书(教案)

《水文地球化学》 学习辅导

第一章地下水的化学成分 一、学习要点 （一）内容： 水的结构与特性，水的内部结构；地下水的化学成分；地下水的综合指标。（二）基本要求： 1．了解地下水分子的内部结构、水分子间的联结与排布以及水的特异性质； 2．掌握水的几个化学组分； 3．了解精地下水的综合指标； 4．了解水质分析结果的可靠性检验方法方法； 5．了解水化学成分的图形表示。 （三）重点：水的特异性质；水的无机组分、有机组分；地下水的综合指标。（四）难点：水分子间的联结与排布 二、复习题 （一）名词解释 1．氢键 2．质量浓度 3．BOD （二）问答题 水的特异性质有哪些？ 三、复习题参考答案 （一）名词解释 1．氢键：指水分子中氢原子，在保持同本水分子中的氧原子最基本的共价键的同时，又能同相邻水分子中的氧原子产生一种静电吸引。 2．质量浓度：每升水中所含溶质的毫克数或微克数（或每千克溶液中含溶质的毫克数或微克数） 3．BOD：水中的微生物在降解水中有机物的过程中所消耗的氧的量，以mg/L表示。 （二）问答题 答：（1）水具有独特的热理性质

（2）水具有较大的表面张 （3）水具有较小的粘滞度和较大的流动性 （4）水具有使盐类离子产生水化作用的能力 （5）水具有良好的溶解性能 （6）水具有高介电效应 第二章地下水成分的形成作用 一、学习要点 （一）内容： 化学热力学基础；溶解/沉淀作用；碳酸平衡；氧化还原平衡；吸附解吸及离子交替吸附作用。 （二）基本要求： 1．掌握热力学状态函数与平衡判据、各种形态物质化学势的表达式；了解平衡常数的计算。 2．了解地下水系统固体物质的组成；掌握溶解/沉淀作用。 3．掌握碳酸盐的溶解平衡；了解离子的影响；掌握方解石和白云石的非全等溶解。 4．了解氧化还原基本概念；掌握氧化还原强度；了解pE（E h）- pH图 6．了解地下水系统的氧化还原条件及其影响因素。 7．掌握离子交替吸附作用的概念。 （三）重点：热力学状态函数与平衡判据；各种形态物质的化学势；溶解/沉淀作用；碳酸平衡；氧化还原强度；离子吸附交替作用概念。 （四）难点：平衡常数的计算；碳酸盐的溶解平衡；pE（E h）- pH图；等温吸附方程 二、复习题 （一）名词解释 1．全等溶解 2．非全等溶解

小浪底灌区11号隧洞F29断层渗水问题的同位素水文地球化学研究

目录 第一章绪论 (1) 1.1 问题的提出及研究意义 (1) 1.2 国内外研究现状 (3) 1.2.1 环境同位素研究现状 (3) 1.2.2 隧洞突水问题研究现状 (4) 1.3技术路线及创新点 (6) 1.3.1 技术路线 (6) 1.3.2 创新点 (6) 第二章研究区地质及水文地质概况 (8) 2.1 自然地理 (8) 2.2 气象与水文 (9) 2.3 地层岩性 (11) 2.4 地质构造 (13) 2.5 水文地质条件 (15) 第三章研究区水文地球化学特征 (17) 3.1 样品采集与测试 (17) 3.2 主要水化学组分特征 (21) 3.3 水化学类型特征 (22) 3.4 TDS及宏量组分的空间变化 (25) 3.5 水化学形成作用 (26) 3.6 因子分析法 (28) 3.7 小结 (30) 第四章研究区环境同位素特征 (31) 4.1 样品采集与测试 (31) 4.2 测试数据的对比验证 (31) 4.3 氢氧同位素基本特征 (34) 4.4 氢氧环境同位素指示意义 (41) 4.4.1 环境同位素空间演化特征 (41) 4.4.2 F29断层带水文地质特征 (43) 4.4.3 F29断层水补给高程计算 (44) 4.4.4 裂隙型地下水年龄及其水动力特征 (45)

4.4.5 不同水体对隧洞涌水量的贡献 (46) 4.5 基于同位素的隧洞涌水量预测 (47) 结论及建议 (49) 参考文献 (51) 攻读硕士期间取得的研究成果 (56) 致谢 (57)

第一章绪论 第一章绪论 1.1 问题的提出及研究意义 随着2015年“两会”的召开，环境问题引起了大家的广泛关注，政府报告指出：要出重拳强化污染治理，加大节能减排力度，提高非化石能源的利用比率，鼓励开工一批水电、核电项目，国务院总理李克强在十二届全国人大二次会议政府工作报告中提出，国家集中力量建设一批重大水利工程，今年拟安排中央预算内水利投资700多亿元，支持引水调水、骨干水源、江河湖泊治理、高效节水灌溉等重点项目，充分彰显了党中央、国务院对水利工作的高度重视，同时体现了水利在国家发展全局中的重要地位，报告强调各地要加强中小型水利项目建设，完善农村水电路气信等基础设施，要让所有农村居民都能喝上干净的水。农田水利基本建设是强化农业基础、提高农业综合生产能力、确保粮食安全和农副产品有效供给的基本保障。2013年发改委农业部等八部委发布了《全国高标准农田建设总体规划》，提出到2020年建成旱涝保收的高标准农田8亿亩。围绕高标准农田的建设，相关的水利、农机、农业科技、化肥等领域都存在发展机会。 为响应中央提出的“实施粮食战略工程，集中力量建设一批基础条件好、生产水平高和调出量大的粮食核心产区”的号召，在深入调研和科学论证的基础上，河南省委、省政府提出建设粮食生产核心区，探索建立粮食生产稳定增长的长效机制，力争到2020年全省粮食产量达到1300亿斤，并把小浪底北岸灌区列入河南省重点建设的三个大型灌区之一。小浪底北岸灌区作为河南这个“第一农业大省、第一粮食生产大省”的最重要的粮食生产核心区之一，通过工程建设，完善水利基础设施，搞好田间排灌体系，对于加快河南省粮食生产核心区建设，提高粮食综合生产能力，保障国家粮食安全具有积极意义。近年来，灌区范围内的济源市工业快速发展、城市框架迅速拉大，水资源供需矛盾更为突出，故需开辟新的水源。为此，建设小浪底北岸灌区济源市境的骨干输水渠道，引进黄河水以满足工农业生产和发展对水资源的需求。 隧洞是水利工程特别是调水工程中重要的水工建筑物之一，其长度短则数百米，长则数公里，甚至数十公里，经常需要穿越不同的地质单元，隧洞在开挖过程中，破坏了含水层原有的结构，同时使得地下水动力条件发生转变。隧洞涌突水多发生在渗透能力强、含水丰富及岩体破碎的地层中，尤其是褶皱或断层发育的地区，对地下水渗流通道的连通性和规模皆有较大的影响。隧洞施工涌突水不仅降低围岩稳定性,而且给施工带来

稳定同位素、何谓轻稳定同位素和重稳定同位素

2. 何谓稳定同位素、何谓轻稳定同位素和重稳定同位素。 自然界的同位素按其原子核的稳定性可以分为放射性同位素和稳定同位素两大类。 稳定同位素的原子核是稳定的, 或者其原子核的变化不能被觉察。目前认为, 凡原子能稳定存在的时间大于1017a 的就称为稳定同位素。 稳定同位素又分为轻稳定同位素和重稳定同位素。 轻稳定同位素： 1.原子序数Z＜20，ΔA/A≥10% (ΔA 为两同位素质量差)； 2.发生同位素成分变化的主要原因是同位素分馏作用，其反应是可逆的。 轻稳定同位素的特点是: 原子量低。 同位素之间的相对质量差大。 化合物一般具有高度的共价键。 元素有多个化学价，氧化态和还原态，如S C；或化合物有多种状态，气、液、固态，如H和O。同位素丰度应足够检测，以便保证质谱分析精度。 重稳定同位素原子序数Z＞20，ΔA/A＜10%；特点是： 1.原子量大, 同一元素各同位素间的相对质量差异小(0 . 7% ～1 . 2%) , 环境的物理和化学条件的变化通常不导致重稳定同位素组成改变;

2.同位素组成的变化主要是由放射性同位素衰变造成的, 这种变化在地球历史的演变中是单方向进行的、不可逆的。例如, 放射成因稳定同位素206Pb、207Pb、208Pb、87Sr、143Nd 分别由238U、235U、232Th、87Rb、147 Sm 经衰变形成, 因而地质体中铅、锶、铷的同位素组成常受地质体年龄的大小及其中放射性母体同位素丰度的制约。因此, 地质体中重稳定同位素的组成变化常常用来研究地球、地质体的演化和成岩成矿作用等, 是一个极为重要的地球化学参数和示踪剂。4. 造成稳定同位素组成变化的原因是什么？ 自然界同位素组成经常呈现一定程度的变化。引起同位素成分变化的主要过程有两类: 一类是放射性同位素衰变, 使母体同位素的数量随时间的推移逐渐减少, 同时子体同位素的数量不断增加; 另一类是由各种化学和物理过程引起的同位素分馏, 氢、碳、硫、硅、氮等同位素组成变化主要是由同位素分馏引起的。对这两类作用的研究是同位素地球化学的主要任务。 轻稳定同位素( Z < 20) 的相对质量差较大(ΔA/ A≥10% ) , 在自然过程作用中由于这种质量差所引起的同位素相对丰度的变异, 称为同位素分馏作用。根据分馏作用的性质和条件可区分如下: (1) 物理分馏: 也称质量分馏, 同位素之间由质量引起的一系列物理性质的微小的差别, 如密度、熔点、沸点等, 使

水文地球化学

高等学校教材 水文地球化学 李学礼孙占学刘金辉编著 原子能出版社

第一编水溶液的物理化学基础和地下水的化学成分 水是氢和氧的最普通化合物。准确地说，它的一般分子式H2O是250℃以上水蒸气分子式，而液态水则是聚合体，其分子式应当是［H2O］n。 在自然界中，化学纯水实际上是不存在的。无论是大气水、地表水或地下水，本质上都是成分比较复杂的水溶液。以地下水而论，它参与了自然界水的总循环，并运动于地壳岩石的空隙中，不断地与周围介质相互作用，溶解其中的可溶解盐分、可溶气体和有机质，并含微生物、悬浮物等，从而成为复杂的溶液。到目前为此，在下水中已发现的元素达八十余种。 地下水的化学成分是水文地球化学研究的主要对象和该学科进一步发展的基础。在学科发展的初期，由于受到分析测试手段的限制，人们只能发现那些大量存在于水中的元素或离子。随着科学技术的进步和分析测试手段的不断提高，又逐步发现了那些含量甚微的元素、气体、有机质，乃至分辨出某些元素的同位素成分，并进而认识了这些不同成分的形成条件、分布规律、地球化学作用及其在国民经济中的应用。本编在第一章简要介绍了水溶液的物理化学基础，并分三章分别介绍地下水中的无机化学成分、有机化学成分及元素的同位素成分。 第二编地下水中元素迁移及沉淀的影响因素和地下水化学成分的形成机理 在阐明了地下水化学成分的基础上，本编介绍水文地球化学的基本理论。第五章从水和元素本身的内在特征和介质环境特征方面，阐述影响元素在地下水中迁移、沉淀的各种因素。第六章介绍地下水化学成分形成的各种作用、影响因素和不同类型地下水化学成分的形成规律。这两章所涉及的问题，是水文地球化学基本理论的重要组成部分。 第三编地下水化学成分分布的区域性规律 本编包括地下水的水文地球化学分带、地下热水的水化学特征和地下水水文地球化学分类三章，主要从宏观上，从“历史水文地球化学”和水文地质动力学的观点，研究地下水化学成分在水平和垂直两个方向分布的区域性规律，并在此基础上，根据水化学万分与其形成环境的内在联系，提出了不同于一般地下水化学成分分类的地下水水文地球化学分类。 第四编水文地球化学的研究方法及应用 水文地球化学是一门实用性很强的学科，它是随着生产发展的需要和科学技术的进步而成长起来的，只有在更加广泛的应用中才能显示其生命力，也只有不断改进和完善其研究方法，才能继续前进。本编介绍关系到水文地球化学继续发展和提高的最重要的两个方面，即水文地球化学的研究方法和应用。 目前，水文地球化学在国民经济建设中已得到愈来愈广泛的应用，它的理论可以用来解决许多实际生产和科研中的问题，如地下水的利用和开发、水文地球化学找矿、成矿作用的研究、地震预报、热水、矿水勘探评价、环境保护、土壤改良等等。水文地球化学的研究，由于采用新的现代化学分析测试手段和引进热力学基本理论得到迅速的发展。显然，今后还将不断有新的课题需要应用水文地球化学知识，采用更加先进的分析测试技术予以解决。而新技术的采用也必将带来更多新的住处，促使水文地球化学理论进一步充实、发展和提高。

第七章 稳定同位素地球化学

第七章稳定同位素地球化学 稳定同位素地球化学研究自然界稳定同位素的丰度及其变化。同位素丰度发生变化的主要原因是同位素的分馏作用，即轻同位素和重同位素在物质中的分配发生变化，造成一部分物质富集轻同位素，另一部分富集重同位素。同位素及其化合物在物理或化学性质上的差异叫做同位素效应。同位素效应的产生从根本上讲是由于同位素在质量上的差异引起的，同位素质量差越大，所引起的物理化学性质上的差异也就越大。因此，对质量较轻的元素，其同位素的相对质量差异较大。如H与D 质量差100％，O16和18O质量差12.5％，而204Pb和206Pb质量差仅1％，在目前技术条件下，能测量到的由于同位素效应所造成的自然界同位素丰度变异仅限于质量数小于40的元素内。这就是稳定同位素地球化学目前所涉及的同位素仅限于元素氢（H/D）、碳（14C/13C）、氧（18O/16O）、和硫（34S/32S）以及硼（11B/10B）、氮（15N/14N）的原因所在。

7.1 同位素分馏和组成的表示 7.1.1同位素分馏 由于同位素效应所造成的同位素以不同比例在不同物质或不同相之间的分配称为同位素分馏。这里需引入二个概念。 同位素比值：定义为单位物质中某元素的重同位素和轻同位素的原子数之比，如在陨石中硫同位素比值为： R=34S/32S＝1/22.22 当我们谈论同位素比值时，总是指重同位素和轻同位素之比。 同位素分馏系数：定义为在平衡条件下，经过同位素分馏之后二种物质（或馏份）中某元素的相应同位素比值之商。 设某二种物质为A，B，某元素的同位素比值为R A，R B，则同位素分馏系数为： 所以当我们讨论同位素分馏系数时，必须指明是那种物质对那种物质。一般α值为接近1的一个数字，离1愈远，同位

稳定同位素

稳定同位素地球化学研究：1.选题 2.样品采集：先明确样品本身的地质历史：如成矿期、成矿阶段、矿物的共生组合、生成顺序和交代关系等。明确地质背景的样品才有研究意义。 3.分析测试：样品要先做详细的光、薄片研究，确定生成顺序、后期蚀变、叠加作用、固相包体、固溶体分离关系。 然后把样品制备成适于质谱分析的形式，再送入质谱仪测得同位素比值。 4.结果解析：数据分析大体可分为简单类比（归纳）法和物理化学模型（演绎法）。 稳定同位素的研究常常假定的是同位素分馏平衡。但往往地质过程存在同位素不平衡现象。如深成岩中由斜长石-磁铁矿同位素分馏计算的温度远低于岩浆的固相线温度，反映亚固相条件下的氧同位素交换。 高级变质带不同矿物对记录的同位素温度不同程度低于其他地质温度计估计的温度，表明或者在顶峰变质时没有完全达到同位素平衡，或者在达到同位素平衡后，岩石在冷却过程中随温度下降同位素组成又发生改变，即所谓的退化同位素交换。 又如当发生水-岩交换作用时，长石易与外来流体（如大气降水）发生同位素交换，而石英和辉石能够保持高温岩石的氧同位素印记。 交换时间、交换速率、晶体的生长速率与晶体本身的同位素均一化速率、同位素原子从晶体边缘向内部运移的速率都会影响同位素的平衡。 同位素地质测温：同位素平衡温度T越低，两物相之间的同位素分馏越大，如碳酸钙-水古温度计。 同位素分馏系数方程中的参数A越大，指示两物相之间的同位素分馏越大，因此对温度的变化越灵敏，如石英-磁铁矿氧同位素测温。而石英-长石之间氧同位素的分馏对温度变化不灵敏，为其在示踪开放体系下的同位素交换中的应用奠定了基础。 同位素平衡的检查： 共生顺序与平衡顺序相同，则表示是在热力学平衡条件下，如果相反，则指示同位素不平衡状态、或者是不同阶段的产物，或者是不同温度下形成的。 碳同位素（13C）：白云石>方解石>CO2>石墨>CH4 硫同位素（34S）：硫酸盐》辉钼矿>黄铁矿>闪锌矿=雌黄铁矿>黄铜矿>斑铜矿>方铅矿>辉银矿 同位素地质温度计的注意事项：1.同位素平衡的检查，除了自身的数据的解释，还应结合岩相学观察和研究是否发生过其他的地质作用（例如围岩蚀变），因为其他地质作用也会改变矿物之间的同位素平衡状态。2.同位素分馏越大，同位素地质温度计越灵敏，共生顺序系列的两端或相距较远的成对矿物作地质温度计好。3.选择作为同位素测温的矿物对应该具有比较高的化学和同位素稳定性。如磁铁矿稳定性高，而长石易发生蚀变。4.矿物对挑选时要求纯度越高越好，避免相互干扰。因此，在分选或挑选样品前，必须进行光片或薄片鉴定，避免选用包含固体包裹体或固熔分离的矿物样品。5.内部结果的一致性以提高分析精度。6.选择同一方法或技术确定的分馏系数。 同位素地质温度计：O同位素：外部测温法：磷灰石-H2O；内部测温法：矿物-水、矿物-矿物。单矿物测温法：不同位置的O同位素的分馏、大气降水中沉淀的粘土矿物。 S同位素：方铅矿-闪锌矿：但四个不同校准的分馏曲线有差异，硫酸盐-硫化物矿物对最为灵敏，在高温变质矿床和地热体系中较好的应用，但是在热液矿床中常常未达到平衡。但是能够研究不同组分的混合作用。 C同位素：方解石-石墨矿物对最为常用，但校准的分馏曲线仍有一定的差别。尤其是低温下。 岩石缓慢冷却过程中，扩散控制氧同位素的交换再平衡说明矿物之间的不平衡同位素分馏判