水的同位素研究及其密度差比较

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：表1-1 蒸馏水中不同水分子的摩尔百分含量在水的同位素研究中，通常选择某种水为标准，比较其密度差。天然水的总同位素密度变化于-23r至+21r之间。随着地下封闭性的增强，水的重同位素增加，可达+7r、+8r。一般认为，蒸发作用是促成天然水中同位素分离的主要作用。南极的雪水是地球上最轻的，其大部分样品的总同位素成分低于-13r至-23r，故南极冰是由海洋上空的大气水形成。

水的化学式为H₂O，分子量为18。但是H和O都有同位素，因此会形成各种不同分子量的水分子。在自然界中，H和O各有3种稳定同位素，即H¹、H²（简写为D）、H³（简写为T），和O¹⁶、O¹⁷和O¹⁸。因此天然水实际上是下列18种水的混合物：

HO¹⁶HDO¹⁶DDO¹⁶T

HO¹⁸HDO¹⁸DDO¹⁸T

HO¹⁷HDO¹⁷DDO¹⁷T

HO¹⁶DHO¹⁶DTO¹⁶T

HO¹⁷DHO¹⁷DTO¹⁷T

HO¹⁸DHO¹⁸DTO¹⁸T

其中H₂O是最普通的水分子，含量占 99.745%（摩尔百分含量），其余为重水。表1-1列举了蒸馏水中不同水分子的摩尔百分含量。

表1-1 蒸馏水中不同水分子的摩尔百分含量

在水的同位素研究中，通常选择某种水为标准，比较其密度差。设r为水的密度差值，令r=0.000001。如果所研究的水重于标准水则加正号，否则加负号。天然水的总同位素密度变化于-23r至+21r之间。

天然水按总同位素成分分为以下类型：

轻水：雪水和冰水（-3r，-23r）。

零水（标准水）：地表各大河的水（0r）。

重水：湖水和海水（+2r，+3r）。

特重水：油田水（+3r，+16r或更高）。

复杂成因的混合水：（0r，±1r，±2r）。

表1-2列举各类天然水平均密度差值。

表1-2 各类天然水平均密度差值

续表

地下水的密度差值变化于0到-3.5r之间。浅层地下水的加重不明显。随着地下封闭性的增强，水的重同位素增加，可达+7r、+8r。矿体溶液的密度差值较大，为+8r，有时达+14.4r。

从表1-2中可知，在自然界中进行着一系列物理化学过程，使水中的同位素产生了局部分离。一般认为，蒸发作用是促成天然水中同位素分离的主要作用。因为蒸发是天然水循环的基本因素，而重水的蒸汽压比普通水的蒸汽压略低一些，所以在蒸发区中（如海水中）重水成分稍高。由水蒸气凝结生成的雨水和雪水中重水的成分较低。南极的雪水是地球上最轻的，其大部分样品的总同位素成分低于-13r至-23r，故南极冰是由海洋上空的大气水形成。

在蒸发时存在着氘（D）和O¹⁸浓度的同步变化，即H和O的重同位素同时增加，在天然水中dD和dO¹⁸间存在线性关系δD=8δO¹⁸+10，说明蒸发对天然水中的H、O同位素的分离起到了主导作用。

雨水和雪水中重同位素的含量随纬度和高程发生有规律的变化，纬度和海拔越高，dD和dO¹⁸含量越低。两极雨雪中O¹⁸的含量约比赤道地区雨水中O¹⁸的含量低55%。温带河水中D和O¹⁸的含量较为稳定（其中O¹⁸含量为0.1970±0.0002原子%）。

大洋水中氧同位素成分最稳定，O¹⁸的含量为0.1991%，比河水中的O¹⁸高。大洋水表层的O¹⁸含量比深部高，这也可以用蒸发引起的分离作用来解释，由于热带蒸发强，而寒冷气候条件下大部分水汽又冷凝，因此大洋水中O的同位素也有随纬度分布的规律性。

在有大气参加的化学反应中，经常发生O¹⁶和O¹⁸的部分分离。自然界广泛存在下列两种置换反应：

上述反应一般向右进行。所以在天然水中，尤其是在河水中，O¹⁸含量最低。海水中由于蒸发作用，O¹⁸含量稍高一些。

空气中氧的同位素成分O¹⁸较多。对于这个问题，一些学者认为，是由于有机物质氧化时，绝大多数是与大气中的O¹⁶结合，从而使O¹⁸在空气中相对富集。

天然水中H、O同位素的研究通常被用来研究天然水的成因。通常把水中H的稳定同位素氘（D）作为研究地下水补给来源的示踪剂，因为氘在地下水的径流过程中不发生显著变化，而仅与补给区的地理纬度、海拔、高程和蒸发分馏条件有关。如我国学者在北京地区的研究中发现，北京城区部分地下热水中的氘的浓度dD值为-6.33r～-9.78r，与城区雨水中（-6.33r～-7.48r）、河水中（-6.90r～-7.48r）及浅层地下水中（-6.90r～-7.48r）的氘的浓度非常相似。因此可知，北京城区地下热水是由大气降水渗入补给的。

水的同位素研究及其密度差比较

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