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第一章 水文学和同位素水文学&任立良 顾慰祖1

第一节 水文学和原子核层面的水文学1

一、水文学1

二、原子核层面的水文学：同位素水文学2

三、水文学的“两极分化”3

第二节 同位素和环境同位素3

一、原子和原子核3

二、核素和同位素5

三、环境同位素9

第三节 水和水圈10

一、水的起源10

二、天然水的性质11

三、水圈15

第四节 水循环和水文循环21

一、水的浅层水圈循环21

二、水的地质循环24

三、同位素水文循环27

四、地球水文循环之谜28

第五节 同位素水文学28

一、同位素水文学的形成和发展29

二、同位素水文学的基本原理31

三、同位素水文学涉及广义水圈的研究特点33

四、同位素水文学的研究方法34

第二章 原子核衰变和原子核反应&陈廷扬 顾慰祖37

第一节 原子核的放射性衰变类型37

一、α衰变37

二、β衰变38

三、γ衰变39

四、自发裂变和放射中子的衰变41

第二节 天然放射系41

第三节 放射性衰变和放射性平衡44

一、放射性衰变的基本规律44

二、放射性核素的衰变、生长和放射性平衡46

第四节 原子核反应50

一、原子核反应式50

二、原子核反应模型51

第三章 稳定同位素分馏&童海滨 王永森 韩良峰53

第一节 同位素效应53

一、同位素效应及其大小的估计53

二、同位素效应的分类55

第二节 同位素分馏56

一、同位素分馏及其分类56

二、同位素分馏的表示方法57

第三节 同位素平衡分馏64

一、同位素平衡状态及同位素平衡分馏64

二、平衡常数及其与同位素平衡分馏系数的关系65

三、分馏系数和温度及盐度的关系66

四、平衡分馏算例——水在封闭系统中的蒸发67

第四节 同位素非平衡分馏70

一、同位素动力分馏70

二、同位素扩散分馏71

三、瞬时平衡状态73

第五节 瑞利分馏模型：用于描述非平衡分馏过程的数学模型73

一、分馏系数恒定条件下瑞利公式的推导74

二、瞬时平衡分馏条件下的瑞利蒸发模式74

三、开放系统（瞬时）非平衡分馏条件下的瑞利蒸发模式76

四、瑞利模型的一个算例——开放系统（瞬时）非平衡分馏条件78

五、凝结过程中的瑞利分馏模型79

六、瑞利模型的局限性80

第六节 同位素的质量不相关分馏81

一、同位素质量不相关分馏的基本概念81

二、氧同位素的质量不相关分馏82

三、三元氧同位素的应用举例85

第四章 陆地水的同位素地球化学流&顾慰祖88

第一节 同位素水文系统88

第二节 同位素地球化学流89

一、地球化学流的型式89

二、地球化学流的整合91

三、地球化学流中的同位素93

第三节 宇宙性成因核素94

一、大气中的宇宙辐射成因核素94

二、陆地的宇宙辐射成因核素96

第四节 地球内部圈层放射性成因核素96

一、天然放射性成因核素97

二、原位成因的天然放射性核素98

三、核聚变成因产生的核素100

第五节 人为成因放射性核素100

一、热核成因放射性核素100

二、核设施成因放射性核素101

三、核事故成因放射性核素103

第五章 水循环中氢、氧稳定同位素的基本关系与分异&顾慰祖105

第一节 氢、氧稳定同位素105

第二节 海洋水108

一、海洋水氢、氧稳定同位素的一般组成108

二、海洋水氢、氧稳定同位素组成与盐度的关系109

三、地质时期海洋水氢、氧稳定同位素组成111

第三节 大气水汽与降水112

一、大气水汽112

二、Craig-Gorden水汽-降水双层模型115

第四节 降水氢、氧稳定同位素的线性关系119

一、降水氢、氧稳定同位素的经验关系120

二、全球大气降水线（GMWL）120

三、地区大气降水线（LMWL）124

四、大气降水线的其他观点127

第五节 降水氢、氧稳定同位素关系的演化和分异127

一、相态变化发生的分异127

二、不同水体中的分异131

三、同位素交换140

四、水源混合144

第六章 降水的氢、氧同位素特征&王东升 王坤150

第一节 降水同位素监测150

第二节 降水中的氚152

一、降水中氚的来源152

二、降水中氚的分布153

三、降水中氚分布的影响因素158

第三节 降水中的氘和氧-18162

一、降水中氘和氧-18的分布162

二、降水中氘和氧-18分布的影响因素168

三、降水中氘和氧-18的相关性173

第七章 蒸发与凝结作用下常见水体氢、氧稳定同位素组成间的理论关系&童海滨 王永森178

第一节 从经验型的氘和氧-18关系线到解析型的氘和氧-18关系线178

第二节 受温度和湿度影响的蒸发水体中氘和氧-18的理论关系180

一、考虑温度和湿度条件影响下的瑞利分馏模型180

二、受温度和湿度影响下的蒸发水体中氢、氧稳定同位素组成间相互关系181

第三节 河道水体蒸发过程中氢、氧稳定同位素变化规律及其相互关系183

一、河道水体的同位素浓度场-流场耦合微分方程模型183

二、河道水体氢、氧稳定同位素浓度的变化规律185

三、河道水体蒸发过程中氢、氧稳定同位素组成的相互关系186

第四节潜水蒸发过程中氢、氧稳定同位素变化规律及其理论关系188

一、潜水系统在蒸发条件下氢、氧稳定同位素的浓度变化规律188

二、潜水蒸发过程中氢、氧稳定同位素理论关系线192

第五节 降水过程中氢、氧稳定同位素的理论关系192

一、开放系统降水过程中氢、氧稳定同位素的理论关系192

二、封闭系统降水过程中氢、氧稳定同位素变化规律及其理论关系196

第六节 曲线型氘和氧-18关系式和直线型氘和氧-18关系式的数学关系197

第八章 江河水&宋献方 刘鑫199

第一节 江河水的氢、氧同位素组成及其变化199

一、江河水氢、氧同位素组成的时程变化199

二、江河水氢、氧同位素组成在流域内的空间分布203

第二节 江河水其他环境同位素的组成及其变化211

一、13C212

二、15N215

三、34S217

四、87Sr／86Sr220

第三节 中国江河同位素观测网络221

第九章 湖泊与水库&胡海英 谭忠成 包为民224

第一节 湖泊、水库的同位素水文平衡224

一、同位素水文平衡的基本方程224

二、同位素水文平衡基本方程的简化应用227

三、同位素水文平衡基本方程在大湖泊中的应用228

四、同位素水文平衡方法的不确定性229

五、湖泊、水库蒸发的氢、氧同位素关系230

第二节 湖泊、水库水体中的氢、氧稳定同位素分布232

一、氢、氧稳定同位素组成的季节变化和年变化232

二、不同类型湖泊的氢、氧稳定同位素组成234

第十章 地下水补给&顾慰祖239

第一节 地下水形成的宏观背景和地下水成因分类239

一、地下水的概念239

二、气候演化背景240

三、地质演化背景243

四、地下水的成因分类246

五、古地下水的氢、氧稳定同位素组成253

六、中国“水极”的猜想258

第二节 水文循环成因地下水的补给和类型264

一、地下水补给的概念264

二、水文循环成因地下水的补给类型265

三、天然补给266

四、人为补给275

第三节 基于非饱和带的地下水补给研究：“点”的补给281

一、蒸渗仪方法282

二、零通量面方法287

三、示踪方法中的示踪剂289

四、示踪峰方法294

五、氯质量平衡方法305

第四节 基于饱和带的地下水补给研究：“面”的补给319

一、地下水面波动方法319

二、氯质量平衡方法321

三、地下水年龄方法322

四、历史事件示踪剂界面方法328

第五节 地下水补给高程识别：氢、氧稳定同位素的应用328

第六节 地下水补给环境条件识别和气候变化：惰性气体氖、氩、氪、氙的应用333

一、惰性气体及其同位素333

二、地下水中的惰性气体组成334

三、地下水补给温度339

四、气候（环境）变化344

五、地下水的循环深度346

第七节 地下水补给区识别：惰性气体氦、氖及锶、碳同位素的应用346

一、应用氦、氖同位素346

二、应用锶同位素351

三、应用碳同位素354

第八节 地下水补给源识别：铀放射系不平衡的应用356

一、铀和铀放射系不平衡357

二、地下水中的铀和铀放射系不平衡359

三、地下水系统和地下水补给源的铀放射系不平衡识别361

第九节 地下水硫源和补给系统识别：硫同位素的应用371

一、地下水中的硫同位素371

二、以人为硫源为主的地下水系统373

三、以天然硫源为主的深层地下水系统375

第十一章 地下水污染&张翠云378

第一节 水分子同位素在地下水污染研究中的应用379

一、应用原理379

二、应用实例380

第二节 氮同位素在地下水硝酸盐污染研究中的应用382

一、氮同位素基础383

二、氮同位素分馏383

三、影响氮同位素组成的作用385

四、潜在污染源的氮同位素特征391

五、应用研究400

第三节 硫同位素在地下水硫酸盐污染研究中的应用409

一、硫同位素分馏410

二、潜在污染源的硫同位素特征411

三、应用研究413

第四节 硼同位素在地下水污染研究中的应用415

一、硼同位素基础415

二、潜在污染源的硼同位素特征416

三、应用研究418

第五节 碳同位素在地下水无机和有机污染研究中的应用419

一、应用原理420

二、应用研究422

第十二章 地下水年龄测定&张之淦429

第一节 基本概念和方法429

一、地下水测年的基本概念429

二、地下水测年方法分类431

三、地下水测年方法概述432

第二节 氚法439

一、地球上的氚439

二、地下水氚年龄测定443

第三节 人工化合物标记法452

一、氟利昂法452

二、六氟化硫法458

第四节 氚-（氦-3）法464

一、氦-3同位素地球化学464

二、测年原理465

第五节 碳-14法470

一、地球上碳-14的起源与分布470

二、固体样品14C年龄测定473

三、地下水DIC年龄测定477

四、地下水DOC年龄测定502

第六节 氯-36法507

一、地下水的36Cl浓度508

二、地下水年龄计算公式515

三、实例516

第七节 铀系法524

一、不平衡铀系法524

二、氦-4积累法525

第八节 其他方法530

一、氪-85法530

二、硅-32法534

三、氩-39法535

四、氪-81法535

五、碘-129法536

第九节 同位素测年的数学模拟538

一、基本概念538

二、同位素物理数学模型个论540

三、同位素测年数学模型的应用548

四、解决水文地质问题的前景550

第十三章 矿区地下水&桂和荣 陈陆望551

第一节 矿区含水层氢、氧同位素水文地球化学特征：以皖北矿区为例552

一、矿区水文地质条件552

二、矿区地下水氢、氧稳定同位素特征554

三、与华北其他矿区地下水氢、氧稳定同位素特征的比较558

第二节 含水层具有水力联系的氢、氧稳定同位素分析561

一、含水层水力联系的宏观分析561

二、含水层水力联系的局部分析561

第三节 突水含水层水循环的氚含量分析562

一、四含水562

二、太灰水564

三、奥灰水566

四、煤系水566

第四节 矿区地下水氢、氧同位素组成的水化学判别模式566

一、氢、氧稳定同位素δ值与常规水化学指标的关系566

二、氚含量与常规水化学指标的关系572

第五节 矿区突水水源的氢、氧稳定同位素识别模式573

一、氢、氧稳定同位素地下水混合模式573

二、氢、氧稳定同位素地下水成因模式573

第十四章 地热水&庞忠和576

第一节 地热水概述576

第二节 不同成因地热水的同位素578

一、大气成因的地热水578

二、海水成因的地热水578

三、岩浆成因的地热水579

四、亚太地区地热水的同位素特征579

第三节 地热水同位素分馏580

一、地热系统的水循环580

二、水-汽分离作用580

三、不同水源的混合效应582

四、地热水-岩石反应583

五、地热水与气体作用587

第四节 水同位素地温计587

一、水溶硫酸盐氧同位素地温计587

二、气体-水同位素温度计588

第十五章 地下卤水&王东升 王坤591

第一节 地下卤水概述591

一、地下卤水的概念591

二、地下卤水的类型和分布592

三、地下卤水的地质-地球化学特征594

四、地下卤水研究的意义、焦点和方法594

第二节 氧-18和氘在地下卤水中的分布595

一、氧-18和氘在地下卤水中分布的基本特征595

二、氧-18和氘在国内地下卤水中的分布595

三、氧-18和氘在国外地下卤水中的分布603

四、氧-18和氘在地下卤水中分布的控制和影响因素605

第三节 地下卤水的稀有气体年代学研究611

一、方法与原理611

二、年龄的物理意义612

三、地下卤水和围岩年龄的关系612

四、地下卤水的深部成因信息613

第十六章 盐湖水&焦鹏程 张建伟614

第一节 中国现代盐湖的分布和一般特征615

一、中国现代盐湖分布特征615

二、中国盐湖区地理环境特征616

三、中国盐湖区气候特征616

四、中国盐湖区地表水与地下水特征617

五、中国盐湖卤水的地球化学特征618

六、中国盐湖矿产资源619

第二节 中国现代盐湖的同位素特征619

一、稳定同位素δD与δ18O研究619

二、氯同位素研究622

三、硼同位素研究623

第三节 中国主要现代盐湖区的同位素研究625

一、西藏扎布耶盐湖区氢、氧同位素研究625

二、新疆罗布泊盐湖区氢、氧、氚、硫同位素研究627

三、青海察尔汗盐湖区氢、氧、氚、硫、锂同位素研究633

四、青海昆特依盐湖区氢、氧、锶、硫同位素研究640

五、内蒙古盐湖区硼同位素研究644

第十七章 同位素水文地质研究的方法论&王瑞久647

第一节 同位素技术和地质、水文、地球化学信息相结合648

一、径流和滞留648

二、补给空间位置649

三、地球化学／同位素方法651

第二节 从古气候变化和环境影响去理解地下水的补给、径流和排泄过程653

一、冰芯档案653

二、地下水档案655

三、地下水的年龄分段657

第三节 环境同位素和地球化学研究实例和研究方法分析658

一、汤庙热水的环境同位素和地球化学658

二、苏州市地下水的环境地质研究668

三、常州市Ⅱ承压地下水的环境地质研究676

四、灰场灰水对地下水的影响691

五、济南泉域地下水的地球化学和稳定同位素699

六、北京平原周边基岩水和地表水的同位素和地球化学709

七、北京平原昌平地下水的同位素和地球化学713

八、深圳大沙河河水的水文地球化学720

第十八章 淡水生态水文系统&Carol Kendall727

Ⅰ 淡水生态系统有机物天然源的稳定同位素示踪727

第一节 有机物质来源的一般同位素组成727

一、有机物质来源的类型727

二、河流连续体概念728

三、天然有机物质的一般同位素组成728

第二节 土壤有机物的同位素组成730

一、δ13C730

二、δ15N730

三、δ34S732

四、C：N732

第三节 陆生植物的同位素组成732

一、δ13C732

二、δ15N732

三、δ34S733

四、C：N733

第四节 水生植物的同位素组成733

一、水生植物同位素组成的复杂性733

二、δ13C734

三、δ15N735

四、δ34S735

五、C：N736

第五节 河系天然有机源稳定同位素组成的变化736

一、空间变化736

二、时程变化739

Ⅱ 淡水生态系统有机物人为源的稳定同位素示踪742

第六节 氮源的同位素组成742

一、大气氮氧化合物各类源的同位素组成743

二、大气湿沉降（降水）中的δ15N和δ18O及其变化744

三、大气干沉降中的δ15N及其变化744

四、大气沉降中的δ17O和△17O745

五、非燃料氮源的δ15N和δ18O及其变化746

六、影响溶解无机氮同位素组成的过程746

第七节 氮循环中天然和人为混合氮源的同位素划分746

一、地下水和土壤水中化肥和垃圾组分的划分747

二、地面水中化肥和垃圾组分的划分747

三、地下水和地面水中牲畜垃圾和人类垃圾的划分748

第八节 人为污染氮源的多种同位素示踪方法：同位素生态监测749

一、水同位素749

二、硫同位素749

三、硼同位素750

四、锶同位素750

五、锂同位素751

六、磷酸盐氧同位素751

第九节 不同环境河流和流域中的应用752

一、森林小流域752

二、都市集水区753

三、农业小流域754

四、大河流域755

五、湿地756

六、沿海和河口地区757

第十九章 同位素土壤侵蚀研究&李占斌 侯建才 王全九758

第一节 放射性核素示踪原理与方法758

一、137Cs与210Pbex放射性核素示踪原理759

二、放射性核素示踪土壤侵蚀的研究方法762

第二节 示踪核素在土壤中的分布特征765

一、土壤颗粒中137Cs与210Pbex的分布特征及土壤与泥沙颗粒分析765

二、137Cs与210Pbex示踪核素在土壤剖面中的分布特征767

三、137Cs与210Pbex含量随坡度的变化特征770

四、不同土地利用方式土壤核素含量的分异特征771

第三节 示踪核素确定土壤侵蚀速率771

一、137Cs示踪核素确定土壤侵蚀速率方法771

二、土壤侵蚀产沙的210Pbex示踪方法778

三、137Cs与210Pbex复合示踪研究土壤侵蚀782

第四节 示踪核素确定流域泥沙来源783

一、小流域泥沙来源研究783

二、小流域泥沙来源分析方法784

第二十章 同位素水文测验&顾慰祖 张钰 陆家驹786

第一节 雪的同位素测验786

一、雪水当量的同位素测验786

二、雪水当量的天然γ辐射机载测验787

第二节 河流流量的同位素测验790

一、基本方法790

二、放射性示踪剂选择793

三、混合长度793

四、安全用量794

第三节 河流悬移质输沙率的同位素测验794

一、直接应用放射性同位素的测验方法794

二、应用天然放射性的核方法800

第四节 河流推移质输沙率的同位素测验801

一、示踪晕法802

二、示踪颗粒法805

三、放射性示踪沙806

第五节 土壤水的同位素测验807

一、中子土壤水分测验807

二、γ射线土壤水分测验820

三、中子法和γ法土壤水分测验的比较827

第六节 土壤蒸发的同位素测验827

一、同位素土壤蒸发测验的基本原理828

二、零通量面法828

三、同位素土壤蒸发测验的实验830

第二十一章 同位素水文实验：流域水文研究&顾慰祖833

第一节 水文学危机和水文实验833

一、水文实验833

二、中国50年流域水文实验的基本经验：水文示踪833

第二节 流域降水径流关系834

一、径流组成834

二、径流组分中的非本次降水836

三、降水径流关系848

第三节 流域产流845

一、地面径流845

二、地面下径流848

三、产流方式852

第四节 流量过程线划分854

一、环境同位素法包含的基本假定854

二、基本假定的实验检验855

三、现行同位素划分方法的不合理性859

四、对图解方法的否定之否定860

第二十二章 陆地水的元素组成&顾慰祖 陆家驹863

第一节 中子活化分析方法的应用863

一、基本步骤864

二、天然水水样采集和制作864

三、活化照射866

四、样品照射868

五、中子活化方法的特点869

第二节 降水元素组成870

一、影响因素870

二、降水元素浓度组成实例871

第三节 地表水元素组成873

一、影响因素873

二、地表水元素浓度组成实例875

三、地表水元素背景组成实例879

第四节 地下水元素组成879

一、影响因素879

二、地下水元素浓度组成实例879

三、地下水元素背景组成实例881

四、地下水元素组成与降水和地表水的关系883

第二十三章 地下水中的同位素异常与地震前兆&赵霞886

第一节 同位素示踪剂指示地下流体的成因与迁移886

一、氢、氧同位素886

二、碳同位素887

三、惰性气体同位素887

四、铅同位素888

第二节 地下水中同位素异常与地震前兆的关系888

一、氡异常与地震前兆891

二、氩对地震前兆的预示907

三、地震中的铅同位素异常910

四、二氧化碳特征与地震活动910

五、其他同位素在地震前兆中的应用913

第三节 同位素在其他地震研究中的应用916

一、判识地下流体来源916

二、古地震和历史地震的年龄测定919

第二十四章 质谱学原理与同位素质谱分析方法&霍卫国 张福松920

第一节 质谱学概论920

一、质谱学的发展920

二、质谱分析技术的应用921

三、质谱分析技术与同位素水文学922

第二节 质谱仪的工作原理、结构和主要性能指标923

一、质谱仪的工作原理923

二、同位素质谱仪的基本结构925

三、同位素质谱仪的主要性能指标932

第三节 气相轻元素的稳定同位素分析概要934

一、气相稳定同位素质谱仪934

二、δ值概念935

三、关于稳定同位素标准937

四、稳定同位素分析基本流程和测量结果的误差分析940

第四节 用于同位素测定的样品制备系统和质谱分析方法942

一、同位素样品的制备942

二、同位素质谱分析949

第二十五章 水中氚、碳同位素、惰性气体及其同位素和氯氟烃的测定方法&韩良峰954

第一节 常用概念及术语954

一、活度954

二、比活度955

三、活度比955

四、相对比率差和δ-标度法956

五、丰度和浓度958

六、同位素比率959

七、同量异位素和同分异质体960

八、同位素的分馏、富集和贫化961

九、标定、校正和标准化962

第二节 测定同位素常用的方法及原理964

一、辐射探测法964

二、质谱法968

三、光谱法971

第三节 水中氚的测定974

一、概述974

二、实验方法975

第四节 水中碳同位素的测定978

一、水中碳-14的测定978

二、水中碳-13的测定984

第五节 水中惰性气体的测定989

一、水中氦和氖同位素的测定989

二、水中氩、氪和氙的测定993

三、水中氪-85的测定994

四、水中氪-81的测定997

五、水中氩-39的测定997

第六节 水中氯氟烃的测定997

一、概述997

二、实验方法999

三、基本计算方法1001

第二十六章 同位素水文研究采样方法&韩良峰1003

第一节 采样的前期准备和要求1003

一、制定采样方案1003

二、设备和材料1004

三、采方法空白（对比）样品1009

四、其他要求1010

第二节 从不同的样品源采集样品的方法1013

一、降水1013

二、地表水1015

三、土壤水1016

四、地下水1019

五、地热流体1022

六、大气水汽1025

七、植物水1025

第三节 按不同分析项目采集样品的方法1026

一、测水中的δ18O，δD和3H1026

二、测DIC中的14C1026

三、测DIC中的δ13C1028

四、测DOC中的δ13C和14C1029

五、测硝酸盐中的δ15N，δ18O和δ17O1030

六、测硫酸盐中的δ34S，δ18O以及硫化物中的δ34S1031

七、测水中的CFCs1033

八、测水中的SF61034

九、测水中的惰性气体1035

十、测水中36Cl／Cl1039

十一、测水中32Si／28Si1039

十二、测水中δ11B1040

十三、测水中87Sr／86Sr1040

十四、测水中234U／238U1040

十五、测水中溶解的气体氧（δ17O，δ18O）1041

十六、测222Rn1041

十七、测水中无机磷酸盐中的18O1042

第四节 样品的整理、保存和管理1043

参考文献1044

附录1 国际原子能机构（IAEA）同位素水文学国际讨论会会议论文集书目1098

附录2 编著者概况1099

索引1104