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绪论1

一、同位素水文地质学的任务和内容1

二、同位素水文地质学发展概况3

第一篇 同位素的基本概念及理论基础5

第一章 同位素的基本概念5

第一节 同位素5

第二节 同位素分类6

一、稳定同位素与放射性同位素6

二、天然同位素与人工同位素6

三、环境同位素与人工施放同位素6

第三节 同位素组成及表示方法6

一、同位素丰度7

二、R值7

三、δ值7

第四节 同位素效应8

一、同位素分子8

二、同位素分子的物理-化学性质8

三、同位素效应10

第二章 同位素分馏的基本原理11

第一节 同位素分馏的概念11

第二节 同位素交换反应12

一、同位素交换反应平衡常数(K)与分馏系数(α)的关系12

二、分馏系数(α)与δ值及ε值的关系14

三、分馏系数(α)与温度(Τ)的关系14

四、分馏系数(α)与含盐度的关系16

第三节 蒸发凝结过程中的氢氧同位素分馏16

一、封闭系统的平衡蒸发过程18

二、瑞利条件下的平衡蒸发19

三、瑞利条件下的凝结过程20

四、不平衡开启蒸发21

第四节 同位素动力分馏25

第三章 放射性衰变基本原理27

第一节 放射性衰变27

一、放射性27

二、放射性衰变27

第二节 放射性衰变类型27

一、α衰变27

二、β衰变28

三、γ衰变29

四、电子俘获29

五、核裂变30

第三节 放射性衰变规律30

一、放射性衰变基本定律30

二、单衰变稳定子核的增长31

三、连续衰变规律及放射性平衡32

第四节 放射性系列34

第五节 放射性单位36

一、放射性活度单位36

二、放射性浓度单位36

第二篇 环境同位素水文地球化学37

第四章 氢氧稳定同位素37

第一节 概述37

一、氢氧的主要地球化学性质37

二、物质中氢氧同位素组成表示方法和标准38

第二节 氢氧同位素分馏39

一、蒸发凝结过程中的氢氧同位素分馏39

二、同位素交换反应40

第三节 天然水的氢氧同位素组成及分布特征44

一、海洋水44

二、大气降水46

三、河水及湖泊水54

四、地下水55

第五章 碳硫稳定同位素58

第一节 概述58

一、碳硫的主要地球化学性质58

二、物质中碳硫同位素组成表示方法和标准60

第二节 碳硫同位素分馏61

一、硫同位素的动力分馏61

二、碳硫同位素的平衡分馏65

第三节 天然水中碳硫同位素组成及分布特征65

一、天然水中碳同位素组成及分布特征65

二、天然水中硫同位素组成及分布特征67

第六章 氚和碳-14放射性同位素71

第一节 概述71

一、氚和碳-14的起源71

二、物质中氚和碳-14同位素组成的表示方法73

第二节 大气圈中的氚和碳-1473

一、大气圈中氚的分布73

二、大气圈中的碳-14和碳-14的交换循环75

第三节 天然水中氚的分布特征78

一、大气降水78

二、湖泊水和海洋水80

三、河水81

四、地下水82

第四节 地下水中溶解无机碳的来源及其碳-14浓度83

一、地下水中溶解无机碳的来源83

二、影响地下水碳-14浓度的同位素地球化学过程84

第三篇 环境同位素方法在水文地质中的应用86

第七章 测定地下水年龄的同位素数学物理模型86

第一节 基本概念86

一、同位素测年数学物理模型86

二、地下水系统的信息传输87

三、线性系统和集中参数系统87

四、某些数学名词的基本概念88

第二节 同位素数学物理模型(褶积法)89

一、基本数学模型89

二、同位素数学物理模型类型91

三、同位素数学物理模型解法95

第三节 有限态混合单元模型(FSM)97

一、基本模型97

二、地下水平均滞留时间计算方法98

第八章 氚法测定地下水年龄99

第一节 概述99

第二节 大气降水氚浓度的恢复100

第三节 经验法估算地下水年龄102

第四节 数学物理模型法计算地下水年龄104

一、山西龙子祠泉岩溶水系统EPM法地下水平均滞留时间的估算(据张人权等，1988)104

二、山东淄河流域岩溶水系统FSM法单元地下水平均传输时间及储存量估算(据贾学民，1989)108

三、美国黄石公园水中的氚(据F.J.Jr.Pearson等，1978)112

四、捷克斯洛伐克莫德里杜尔(Modry DuL)盆地应用两种极端α值计算大气降水氚输入函数和应用不同模型计算氚输出浓度实例(据Maloszewski和Zuber，1982)112

五、南朝鲜济州岛EPM法和BINOMIALM法计算地下水平均滞留时间实例(据Maloszewski和Zuber，1982)113

六、法国Thonon地区Versoie含水层EM法地下水平均滞留时间计算(据B.Blavo-ux，1978)114

七、3H-3He法测定地下水年龄问题(Maloszewski和Zuber，1983)114

第九章 碳-14法测定地下水年龄118

第一节 碳-14法测定地下水年龄基本原理118

一、14C法测年基本原理118

二、14C法测定地下水年龄基本原理119

第二节 确定地下水初始14C浓度的方法121

一、经验法121

二、封闭溶解系统化学稀释校正模型(Tamers)法122

三、封闭溶解系统同位素混合——13C校正模型(Pearson法)123

四、开放溶解系统同位素混合——交换校正模型(Gonfiantinie法)123

五、开放系统化学溶解——同位素交换校正模型(Mook法)124

六、开放溶解系统化学稀释——同位素交换综合校正模型(Fontes法)125

七、开放-封闭溶解系统校正模型(Wigley法)126

八、溶解-沉淀校正模型(Wigley法)126

九、异元溶解校正模型(Evans法)126

第三节 地下水相对年龄的测定127

第四节 14C测年应用实例128

一、法国某些含水层地下水14C年龄计算及校正模型的应用(据J.ch.Fontes，1976)128

二、匈牙利布达佩斯温热水的14C年龄(据J.Dacre)129

三、夏威夷瓦胡岛主要含水层水样中的14C，13C及3H(据T.H.Helfen等)132

四、碳酸盐岩地区地下水年龄的同位素研究(据石慧馨、蔡祖煌等，1988)134

五、南北半球短周转时间地下水系统的弥散模型的14C输出浓度(据A.Zuber，1986)136

第十章 同位素测温法138

第一节 测定矿物形成和水热系统的温度138

第二节 测定地热流体的温度139

一、地热研究中常用的同位素地质温度计139

二、氧同位素地质温度计140

三、氢同位素地质温度计142

四、碳同位素地质温度计142

五，硫同位素地质温度计144

第十一章 环境同位素示踪地下水活动145

第一节 概述145

第二节 利用氢氧同位素组成研究地下水成因145

一、应用实例1146

二、应用实例2154

第三节 利用氢氧同位素确定含水层补给带(区)或补给高度156

第四节 应用氚测定地下水补给(据J.C.Vogel，L.Thilo等)157

一、方法的基础157

二、土壤水分中的氚157

三、应用实例159

第五节 利用氢氧稳定同位素计算地下水在含水层中的滞留时间160

一、方法原理160

二、应用实例161

第六节 成岩成矿过程中水的来源的研究162

第七节 研究包气带水的运动164

一、应用实例1164

二、应用实例2164

第八节 研究地下热水的成因165

第十二章 同位素测试技术及取样方法168

第一节 质谱分析法基本原理168

第二节 液体闪烁计数法基本原理169

第三节 同位素取样方法169

一、测氚水样169

二、测14C水样170

三、测18O和D水样171

四、测SO42-中18O水样171

五、测34S水样171

第四篇 人工放射性同位素示踪技术172

第十三章 人工放射性同位素示踪技术及应用实例172

第一节 概述172

第二节 单井法172

一、测定地下水流向173

二、稀释法测定地下水渗透流速174

第三节 多孔法178

一、试验孔的布置178

二、示踪剂的投放179

三、示踪剂的检测179

四、应用实例179

五、双孔法测定含水层的有效孔隙度和导水系数182

第四节 包气带水分运移的研究183

第五节 核辐射防护基本知识184

一、常用的辐射剂量单位184

二、最大允许剂量和最大允许浓度185

三、放射性废水及废物排放标准186

四、辐射防护基本原则186

主要参考文献188