目 录
1 适用范围 .............................................................................................. 2 2 取样方案的设计 .................................................................................. 2
2.1 对拟研究问题的分析及理论准备 ................................................................... 2 2.2 环境同位素方法选择 ....................................................................................... 3 2.3 采样点线的布置与时间安排 ........................................................................... 4
3 常用环境同位素分析水样采集 .......................................................... 5
3.1 野外取样准备 ................................................................................................... 5
3.1.1 野外作业准备 .................................................................................... 6 3.1.2 取样瓶要求 ........................................................................................ 6
3.2 不同水样采集技术要求 ................................................................................... 7
3.2.1 降水(雨和雪)样品的采集 ................................................................. 7 3.2.2 地表水样品的采集 ............................................................................ 7 3.2.3 非饱和带水样品的采集 .................................................................... 8 3.2.4 地下水样品的采集 ............................................................................ 8 3.2.5 地热样品的采集 ................................................................................ 8
4 样品采集数量、保存时间 .................................................................. 9 5 取样方法、程序与步骤 ...................................................................... 10
5.1
14
C水样采集 ................................................................................................... 10
5.2 降水同位素分析采样技术步骤 ..................................................................... 13 5.3 地下水中的18O和2H分析样 ....................................................................... 14
5.4 氚样品采集 ..................................................................................................... 14 5.5 水中溶解无机碳的13C取样 .......................................................................... 14 5.6 硫酸盐样的采取 ............................................................................................. 14 5.7 间接测年示踪剂CFC(氟氯化碳)分析水样的采集 ...................................... 15
6 水样采集注意事项 .............................................................................. 17
表 2-1 可用于地下水测年的环境同位素 ................................................................. 4 表 4-1 样品采集数量、保存时间 ............................................................................. 9 表 5-1 野外碱度测定值与取样体积的关系 ........................................................... 14
图 5-1 锥形沉淀器示意图 ....................................................................................... 11 图 5-2 玻璃瓶采集CFC分析水样方法一示意图 ................................................... 16 图 5-3 玻璃瓶采集CFC分析水样方法二示意图 ................................................. 17
附表1：同位素取样标签样式 附表2：环境同位素分析送样单样式 附表3：野外取样记录表样式
1
1 适用范围
本导则适用于中国地质调查局《全国地下水资源及其环境问题调查评价》项目所属工作内容开展同位素水文地质研究的方案设计和样品采集过程规范化。
环境同位素在水文地质中的应用研究在我国已有20多年的历史，其成果极大地丰富了水文地质研究内容，推动了现代水文地质学的发展。但到目前为止，还没有一个较统一的和基本的应用指导原则(或规范)，直接影响了研究成果质量及成果评价。对希望利用环境同位素技术解决专门水文地质问题的人来说，无论是熟悉了这门技术，还是初次使用，面临的首要问题都是取样方案的合理设计和样品采集问题。针对全国地下水资源及其环境地质问题调查评价项目的总体思路、目标任务和阶段安排，在强调有效、经济和可操作的前提下，遵照确保样品的代表性、可靠性、可比性、系统性和科学性原则，特制定环境同位素水文地质研究“方案设计与样品采集”导则，随着工作的进一步开展，将经进一步完善后，形成应用指南。
术语说明：
IAEA—国际原子能机构。 CFC—氟利昂。
2 取样方案的设计
取样方案的设计是指就某一具体的水文地质问题而制定的环境同位素样品采集计划，主要内容包括：对拟研究问题的分析及理论准备，环境同位素方法选择，采样点、线的布置及采样时间安排。
2.1 对拟研究问题的分析及理论准备
环境同位素技术是通过对物质在原子核层次记录的信息的提取分析来追索物质运动过程的。具体地说，就是利用放射性同位素的计时性和稳定同位素的分馏性开展研究工作。在过去的30年里，环境同位素在测定地下水年龄，测定地下水温度，示踪地下水运动及示踪地下水化学成分的形成过程等方面都显示出了比常规技术更有效、针对性更强和极少受环境干扰的特点。
2
要设计好环境同位素技术应用方案，就需要学习环境同位素基本知识及其相关理论，重点是掌握其要点和应用的限制条件。例如，为了资料处理学习和掌握溶质运移理论是有益的，收集和分析国内外典型的已有环境同位素研究成果可帮助设计构思，对拟解决问题区的各种水的及地层相关环境同位素资料进行收集、分析是提高应用效率和工作质量的重要步骤，且有助于对具体方法的选择。
方案设计需针对具体问题来做。一般来说，研究问题越明确应用效果就越好。对拟解决问题进行分析，应努力寻找常规方法难以解决问题的根本原因或给出待解决问题的几种可能结论，进而提出几种基本推测，概化出几种模式，并反复比较这些模式的差异所在（矛盾焦点）。例如，确定地下水补给面积，可根据地形、地貌条件、地质、水文地质条件提出几种基本看法或推测模式，为设计提供设想。根据这些基本看法或推测模式来部署设计方案，要重视基础地质条件的分析，应时刻牢记我们要解决的是水文地质问题。
针对全国地下水资源及其环境地质问题调查评价项目，环境同位素应着重于对地下水循环更新变化过程的分析，重点应放在地下水年龄测定及相关元素同位素组成变化研究，特别是应加强地下水、地表水相互关系研究。首先在八大区片分别建立不同水同位素调查研究剖面，以此为基础，展开深入研究工作。
2.2 环境同位素方法选择
视所要解决的问题，根据同位素特点和局限性选择有关的环境同位素。例如，要测定地下水的形成年龄可参照表2-1选择。
目前，我国地下水测年使用最多的环境同位素有3H和
14
C两种放射性同位素。
一般说来，用3H可测定1952年以来补给水的年龄。而用14C可测定3万年以来形成的地下水年龄。有些模型年龄或平均滞留时间所确定的范围这里不推荐。在大平原深层水的研究可选择14C和 36Cl相结合方法。
对测定地下水温度来说，研究者可根据温度可能的变化范围和特点，选择适当的同位素温度计，鉴于测温不是项目研究的主要内容，这里不推荐具体方法，研究者请参考有关文献。研究地下水运动，可选择水的氢氧同位素，而研究地下水化学成份的形成（包括地下水污染调查），需要选择水的氢氧同位素和相关溶解盐元素的同位素。例如，对水中硫酸盐的形成进行研究，即可匹配硫酸盐的硫同位素等。研究地表水地下水相互作用可选择氢氧稳定同位素及其相关元素的同位素，需要具体问题具体分析，根据具体情况进行选择。
国内外的研究经验表明，处于同一水体系中的共生同位素往往可提供水体系演化的统一具有内在联系的规律性信息，可明显提高应用研究效果。因此，对于复杂问题，
3
13
在方法选择时，经常联合运用。常用的同位素组合有：D和18O组合、C和14C组合、3
H和14C组合等。已有的研究工作表明，同位素与水化学配套平行取样，往往可以提
供互补信息。
表 2-1 可用于地下水测定年龄的环境同位素
同位素 半衰期(a) 起 源 或过程 3H 12.31 宇宙射线 热核试验 反应堆 33H-He 12.31 宇宙射线 热核试验 反应堆 14C 5730 宇宙射线 热核试验 地壳 365Cl 3.06310 宇宙射线 热核试验 地壳 234/2381832测年域 质 量 (a) 1952年以来 性能理想 通常适用 1952年以来 直接测定 转换周期 方法理想 4 3310普遍适用 47310 23106 限 制 不同来源、模型选择、时间域短、 资料系列 高灵敏质谱计3He的地壳成因 复杂的化学和同位素系统,水动力混合 U 2.53105 稳定的 105 269 2.13105 聚积速度 O Si 39Ar 铀系元素链53105 衰变 自然 105 宇宙射线 ≈1000 热核试验 地壳 宇宙射线 ≈2000 地壳 宇宙射线 稳定的 53105 ≈105 81Kr 4He 亲水的,适用于A0的确定 古老地下水,受不同来源 化学作用影响加速质谱计 小,适用. 适用非常古老A0的确定 地下水 化学作用解释 一般适用 非平衡分馏 339衔接H,Ar和A0值确定 14C,存有问题. 样量达10m3 计数时间长 不受化学作用分离过程复杂样品达10m3 影响可与14C计数时间长 作对比,适用 适用古老水 待研究 待完善 非持恒 2.3 采样点线的布置与时间安排
在理论分析可能的前提下，根据具体问题要求，设计经济上可行且可操作的取样方案。
1）取样点的代表性直接影响成果质量。例如，雨水样的分析结果往往随机变化和季节变化特点较明显，其数值有时相差1~2个数量级。为了分析地下水的补给问题，仅收集一次降水或少量几次降水，代表性就较差。一般应收集全月降水，月末取混合样，也就是降雨量的加权值对地下水研究更有用。为对地区性“雨水线”进行统计研究，取样点要尽可能考虑对关键高程点的控制。在初期或资料较少的情况下，可用浅层地下水化验结果统计分析，亦可采用一些小泉水样的分析结果进行统计。地下水样品的代表性问题更重要。一般来说：沿地下水流向的水样、同一点不同深度的水样及同一点不同时间所采的水样都具有较好的可对比性。结合地下水的动态变化设计水样有利于解决地下水样的代表性问题。
4