同位素水文地質概論

內 容 提 要

本書闡述了有關同位素的基本知識，同位素分餾基本理論，放射性同位素衰變理論，天然水中同位素組

成、分餾機理及其時空演化規律，環境同位素方法和人工同位素示蹤方法的原理及其在水文地質中的應用等。

本書內容簡要，概念明確，重點突出，理論結合實際。除作為高等地質院校教材外，還可供水利、礦業、

環境、地理等專業學生學習之用，也可供地質、水利、礦業等各部門從事水文地質工作的專業人員參考。

目 錄

緒論

一、同位素水文地質學的任務和內容

二、同位素水文地質學發展概況

第一篇 同位素的基本概念及理論基礎

第一章 同位素的基本概念

第一節 同位素

第二節 同位素分類

一、穩定同位素與放射性同位素

二、天然同位素與人工同位素

三、環境同位素與人工施放同位素

第三節 同位素組成及表示方法

一、同位素丰度

二、R值

三、δ值

第四節 同位素效應

一、同位素分子

二、同位素分子的物理－化學性質

三、同位素效應

第二章 同位素分餾的基本原理

第一節 同位素分餾的概念

第二節 同位素交換反應

一、同位素交換反應平衡常數（K）與分餾係數（α）的關係

二、分餾係數（α）與δ值及ε值的關係

三、分餾係數（α）與溫度（T）的關係

四、分餾係數（α）與含鹽度的關係

第三節 蒸發凝結過程中的氫氧同位素分餾

一、封閉系統的平衡蒸發過程

二、瑞利條件下的平衡蒸發

三、瑞利條件下的凝結過程

四、不平衡開啟蒸發

第四節 同位素動力分餾

第三章 放射性衰變基本原理

第一節 放射性衰變

一、放射性

二、放射性衰變

第二節 放射性衰變類型

一、α衰變

二、β衰變

三、γ衰變

四、電子俘獲

五、核裂變

第三節 放射性衰變規律

一、放射性衰變基本定律

二、單衰變穩定子核的增長

三、連續衰變規律及放射性平衡

第四節 放射性系列

第五節 放射性單位

一、放射性活度單位

二、放射性濃度單位

第二篇 環境同位素水文地球化學

第四章 氫氧穩定同位素

第一節 概述

一、氫氧的主要地球化學性質

二、物質中氫氧同位素組成表示方法和標準

第二節 氫氧同位素分餾

一、蒸發凝結過程中的氫氧同位素分餾

二、同位素交換反應

第三節 天然水的氫氧同位素組成及分佈特徵

一、海洋水

二、大氣降水

三、河水及湖泊水

四、地下水

第五章 碳硫穩定同位素

第一節 概述

一、碳硫的主要地球化學性質

二、物質中碳硫同位素組成表示方法和標準

第二節 碳硫同位素分餾

一、碳硫同位素的動力分餾

二、碳硫同位素的平衡分餾

第三節 天然水中碳硫同位素組成及分佈特徵

一、天然水中碳同位素組成及分佈特徵

二、天然水中硫同位素組成及分佈特徵

第六章 氚和碳－14放射性同位素

第一節 概述

一、氚和碳－14的起源

二、物質中氚和碳－14同位素組成的表示方法

第二節 大氣圈中的氚和碳－14

一、大氣圈中氚的分佈

二、大氣圈中的碳－14和碳－14的交換循環

第三節 天然水中氚的分佈特徵

一、大氣降水

二、湖泊水和海洋水

三、河水

四、地下水

第四節 地下水中溶解無機碳的來源及其碳－14濃度

一、地下水中溶解無機碳的來源

二、影響地下水碳－14濃度的同位素地球化學過程

第三篇 環境同位素方法在水文地質中的應用

第七章 測定地下水年齡的同位素數學物理模型

第一節 基本概念

一、同位素測年數學物理模型

二、地下水系統的信息傳輸

三、線性系統和集中參數系統

四、某些數學名詞的基本概念

第二節 同位素數學物理模型（褶積法）

一、基本數學模型

二、同位素數學物理模型類型

三、同位素數學物理模型解法

第三節 有限態混合單元模型（FSM）

一、基本模型

二、地下水平均滯留時間計算方法

第八章 氚法測定地下水年齡

第一節 概述

第二節 大氣降水氚濃度的恢復

第三節 經驗法估算地下水年齡

第四節 數學物理模型法計算地下水年齡

一、山西龍子祠泉岩溶水系統EPM法地下水平均滯留時間的估算（據張人權等，

1988）

二、山東淄河流域岩溶水系統FSM法單元地下水平均傳輸時間及儲存量估算（據

賈學民，1989）

三、美國黃石公園水中的氚（據F.J.Jr.Pearson等，1978）

四、捷克斯洛伐克莫德里杜爾（ModryDul）盆地應用兩種極端α值計算大氣降水

氚輸入函數和應用不同模型計算氚輸出濃度實例（據Maloszewski和Zuber，

1982）

五、南朝鮮濟州島EPM法和BINOMIALM法計算地下水平均滯留時間實例（據

Maloszews ki和Zuber，1982）

六、法國Thonon地區Versoie含水層EM法地下水平均滯留時間計算（據B.Blavo－

ux，1978）

七、H－he法測定地下水年齡問題（Maloszewski和Zuber，1983）

第九章 碳－14法測定地下水年齡

第一節 碳－14法測定地下水年齡基本原理

一、14C法測年基本原理

二、14C法測定地下水年齡基本原理

第二節 確定地下水初始14C濃度的方法

一、經驗法

二、封閉溶解系統化學稀釋校正模型（Tamers）法

三、封閉溶解系統同位素混合――13C校正模型（Pearson法）

四、開放溶解系統同位素混合――交換校正模型（Gonfiantinie法）

五、開放系統化學溶解――同位素交換校正模型（Mook法）

六、開放溶解系統化學稀釋――同位素交換綜合校正模型（Fontes法）

七、開放－封閉溶解系統校正模型（Wigley法）

八、溶解－沉澱校正模型（Wigley法）

九、異元溶解校正模型（Evans法）

第三節 地下水相對年齡的測定

第四節　14C測年應用實例

一、法國某些含水層地下水14C年齡計算及校正模型的應用（據J.ch.Fontes，1976）

二、匈牙利布達佩斯溫熱水的14C年齡（據J.Dacre）

三、夏威夷瓦胡島主要含水層水樣中的14C、13C及3H（據T.H.Helfen等）

四、碳酸鹽岩地區地下水年齡的同位素研究（據石慧馨、蔡祖煌等，1988）

五、南北半球短周轉時間地下水系統的彌散模型的14C輸出濃度（據A.Zuber

1986）

第十章 同位素測溫法

第一節 測定礦物形成和水熱系統的溫度

第二節 測定地熱流體的溫度

一、地熱研究中常用的同位素地質溫度計

二、氧同位素地質溫度計

三、氫同位素地質溫度計

四、碳同位素地質溫度計

五、硫同位素地質溫度計

第十一章 環境同位素示蹤地下水活動

第一節 概述

第二節 利用氫氧同位素組成研究地下水成因

一、應用實例1

二、應用實例2

第三節 利用氫氧同位素確定含水層補給帶（區）或補給高度

第四節 應用氚測定地下水補給（據J C.Vogel，L.Thilo等）

一、方法的基礎

二、土壤水分中的氚

三、應用實例

第五節 利用氫氧穩定同位素計算地下水在含水層中的滯留時間

一、方法原理

二、應用實例

第六節 成岩成礦過程中水的來源的研究

第七節 研究包氣帶水的運動

一、應用實例1

二、應用實例2

第八節 研究地下熱水的成因

第十二章 同位素測試技術及取樣方法

第一節 質譜分析法基本原理

第二節 液體閃爍計數法基本原理

第三節 同位素取樣方法

一、測氚水樣

二、測14C水樣

三、測18O和D水樣

四、測SO42－中18O水樣

五、測34S水樣

第四篇 人工放射性同位素示蹤技術

第十三章 人工放射性同位素示蹤技術及應用實例

第一節 概述

第二節 單井法

一、測定地下水流向

二、稀釋法測定地下水滲透流速

第三節 多孔法

一、試驗孔的布置

二、示蹤劑的投放

三、示蹤劑的檢測

四、應用實例

五、雙孔法測定含水層的有效孔隙度和導水係數

第四節 包氣帶水分運移的研究

第五節 核輻射防護基本知識

一、常用的輻射劑量單位

二、最大允許劑量和最大允許濃度

三、放射性廢水及廢物排放標準

四、輻射防護基本原則

主要參考文獻