本书从环境同位素基本理论、同位素测试分析技术、环境介质中同位素组成、分馏机理与研究应用5个方面，对15种常见环境同位素，包括11种无机同位素和4种有机组分单体同位素（氯代烃单体碳、氢、氯同位素，苯系物单体碳、氢同位素，醚类汽油添加剂单体碳、氢同位素，硝基芳烃类有机单体碳、氢、氮同位素）进行系统和全面的介绍，并附以研究案例、数据和图表等进行说明。本书部分插图配有彩图二维码。
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第1章 同位素理论基础与分析原理 1
1.1 同位素的基本概念 1
1.2 同位素分馏作用 2
1.2.1 同位素交换 2
1.2.2 动力学同位素效应 3
1.2.3 质量相关和非质量相关分馏 4
1.2.4 特定位置或位点的同位素分馏 5
1.2.5 扩散作用 5
1.2.6 影响同位素分馏的其他因素 6
1.3 瑞利分馏模型 7
1.3.1 瑞利分馏过程的微分方程 7
1.3.2 连续分馏系数的瑞利方程 8
1.3.3 高浓度微量同位素的瑞利方程 10
1.3.4 可变分馏系数的瑞利方程 10
1.4 质谱分析基础 11
1.4.1 质谱仪 11
1.4.2 质谱仪的性能参数 12
1.5 同位素测试分析技术 14
1.5.1 同位素比值质谱仪 14
1.5.2 热电离质谱仪 17
1.5.3 多接收杯电感耦合等离子体质谱仪 18
1.6 标准物质 20
参考文献 22
第2章 稳定氢、氧同位素 24
2.1 稳定氢、氧同位素的组成与表达方式 24
2.2 稳定氢、氧同位素分析测试技术 25
2.2.1 双通道同位素比值质谱法 25
2.2.2 基于连续流水平衡的同位素比值质谱法 26
2.2.3 热转换元素分析同位素比值质谱法 26
2.2.4 激光水稳定同位素分析技术 27
2.3 稳定氢、氧同位素的分馏机理 27
2.3.1 物理过程中的同位素分馏 27
2.3.2 同位素交换反应 29
2.4 自然界中稳定氢、氧同位素的组成特征 30
2.4.1 海水中氢、氧同位素的组成 30
2.4.2 大气降水中氢、氧同位素的组成 30
2.4.3 河水和湖泊水中氢、氧同位素的组成 33
2.4.4 地下水中氢、氧同位素的组成 34
2.5 稳定氢、氧同位素技术方法应用 36
2.5.1 确定含水层的补给区或补给高程 36
2.5.2 确定混合水的混合比例 37
2.5.3 识别地下水循环模式 37
2.5.4 量化地表水-地下水相互作用 39
2.5.5 指示劣质地下水成因 40
参考文献 41
第3章 稳定碳同位素 43
3.1 稳定碳同位素的组成与表达方式 43
3.2 稳定碳同位素分析测试技术 44
3.2.1 含碳气体的碳同位素测试方法 44
3.2.2 溶解性无机碳的碳同位素测试方法 45
3.2.3 碳酸盐岩的碳同位素测试方法 46
3.2.4 溶解性有机碳的碳同位素测试方法 47
3.3 稳定碳同位素的分馏机理 47
3.3.1 碳同位素的热力学平衡分馏 48
3.3.2 碳同位素的动力学非平衡分馏 49
3.4 自然界中稳定碳同位素的组成特征 50
3.4.1 大气圈中碳同位素的组成 50
3.4.2 生物圈中碳同位素的组成 52
3.4.3 岩石圈中碳同位素的组成 53
3.4.4 水圈中碳同位素的组成 53
3.5 稳定碳同位素技术方法应用 56
3.5.1 DOC稳定碳同位素指示地下水补给速率与生物地球化学过程 56
3.5.2 河流中DOC稳定碳同位素示踪径流过程与途径 58
3.5.3 稳定碳同位素指标喀斯特流域化学风化作用 59
参考文献 62
第4章 稳定氮同位素 64
4.1 稳定氮同位素的组成与表达方式 64
4.2 稳定氮同位素分析测试技术 65
4.2.1 水体中硝酸盐的氮、氧同位素测试方法 65
4.2.2 水体中铵态氮的氮同位素测试方法 66
4.2.3 土壤样品的氮同位素测试方法 67
4.3 稳定氮同位素的分馏机理 68
4.3.1 生物固氮作用 69
4.3.2 同化作用 69
4.3.3 矿化作用 70
4.3.4 硝化作用 70
4.3.5 反硝化作用 71
4.3.6 氨挥发作用 73
4.3.7 吸附和解吸反应 73
4.3.8 氮同位素分馏小结 73
4.4 自然界中稳定氮同位素的组成特征 74
4.4.1 岩石圈中氮同位素的组成 74
4.4.2 大气圈中氮同位素的组成 75
4.4.3 水圈中氮同位素的组成 76
4.4.4 生物圈中氮同位素的组成 79
4.5 稳定氮同位素技术方法应用 81
4.5.1 地下水中不同来源硝酸盐同位素特征值的端元模型 81
4.5.2 地下水中硝酸盐污染源的定性与定量评价 82
4.5.3 地下水中硝酸盐反硝化作用的判别 85
参考文献 87
第5章 稳定硫同位素 90
5.1 稳定硫同位素的组成与表达方式 90
5.2 稳定硫同位素分析测试技术 91
5.2.1 硫同位素样品制备方法 91
5.2.2 硫同位素比值的质谱测试方法 93
5.3 稳定硫同位素的分馏机理 95
5.3.1 硫同位素的热力学平衡分馏 95
5.3.2 硫同位素的动力学非平衡分馏 96
5.3.3 硫同位素的非质量相关分馏 98
5.4 自然界中稳定硫同位素的组成特征 99
5.4.1 大气圈中硫同位素的组成 99
5.4.2 水圈中硫同位素的组成 100
5.4.3 生物圈中硫同位素的组成 102
5.4.4 岩石圈中硫同位素的组成 102
5.5 稳定硫同位素技术方法应用 102
5.5.1 解析大气中硫的来源 102
5.5.2 示踪地下水中硫酸盐来源及其生物地球化学过程 104
5.5.3 硫同位素在矿区地下水污染研究中的应用 106
参考文献 110
第6章 稳定氯、溴同位素 113
6.1 稳定氯、溴同位素分析测试技术 113
6.1.1 氯、溴同位素分析测试技术的发展历程 113
6.1.2 氯、溴同位素样品前处理 115
6.1.3 氯、溴同位素在线分析测试技术 117
6.2 稳定氯、溴同位素的组成与分馏机理 118
6.2.1 自然界中氯、溴同位素的组成 118
6.2.2 扩散过程的同位素分馏 120
6.2.3 离子渗透过程的同位素分馏 121
6.2.4 岩盐沉淀与溶解过程的同位素分馏 122
6.3 稳定氯、溴同位素技术方法应用 123
6.3.1 示踪地下水的起源及演化过程 123
6.3.2 示踪地下水种盐分来源与迁移过程 129
参考文献 134
第7章 稳定钙同位素 137
7.1 稳定钙同位素分析测试技术 137
7.1.1 钙同位素标准 137
7.1.2 钙同位素样品前处理 138
7.1.3 钙同位素测试分析 139
7.2 碳酸岩沉淀过程中钙同位素的分馏机理 142
7.3 不同风化端元影响下河水钙同位素组成特征 143
7.4 不同环境介质中稳定钙同位素组成特征 144
7.4.1 雨水和灰尘中钙同位素的组成 144
7.4.2 河流中钙同位素的组成 145
7.4.3 硅酸岩矿物中钙同位素的组成 146
7.4.4 碳酸岩矿物中钙同位素的组成 147
7.5 稳定钙同位素技术方法应用 147
7.5.1 多水文地球化学过程中钙同位素组成特征 147
7.5.2 法国东北部孚日山脉丛林区植物-土壤体系钙循环研究 149
参考文献 154
第8章 稳定铬同位素 159
8.1 稳定铬同位素分析测试技术 159
8.1.1 铬同位素分析测试技术的发展历程 159
8.1.2 铬同位素样品前处理 160
8.1.3 铬同位素测试分析 162
8.2 稳定铬同位素的组成与分馏机理 163
8.2.1 自然界中铬同位素的组成 163
8.2.2 还原过程的铬同位素分馏 167
8.2.3 氧化过程的铬同位素分馏 169
8.2.4 铬同位素平衡和Cr3+-Cr6+同位素交换 170
8.2.5 其他非生物过程的铬同位素分馏 171
8.3 稳定铬同位素技术方法应用 171
参考文献 173
第9章 稳定铁同位素 175
9.1 稳定铁同位素分析测试技术 175
9.1.1 铁同位素分析测试技术的发展历程 175
9.1.2 铁同位素样品前处理 176
9.1.3 铁同位素在线测试分析 177
9.2 稳定铁同位素的组成与分馏机理 178
9.2.1 自然界中铁同位素的组成 178
9.2.2 铁同位素的动力学非平衡分馏 180
9.2.3 铁同位素的热力学平衡分馏 182
9.2.4 河流和土壤中铁同位素的组成与分馏 183
9.2.5 微生物驱动下的铁同位素分馏 184
9.3 稳定铁同位素技术方法应用 186
9.3.1 指示大同盆地高砷地下水成因 186
9.3.2 指示弗留利平原地下水中铁的来源和归趋 189
参考文献 191
第10章 稳定镉同位素 194
10.1 稳定镉同位素分析测试技术 194
10.1.1 镉同位素分析测试技术的发展历程 194
10.1.2 镉同位素样品前处理 195
10.1.3 镉同位素在线测试分析 197
10.2 稳定镉同位素的组成与分馏机理 198
10.2.1 自然界中镉同位素的组成 198
10.2.2 镉同位素的分馏机理 200
10.3 稳定镉同位素技术方法应用 202
10.3.1 示踪珠江沉积物中镉来源 202
10.3.2 西伯利亚陆架河口混合区镉的循环 203
参考文献 209
第11章 稳定钼同位素 211
11.1 稳定钼同位素分析测试技术 211
11.1.1 钼同位素分析测试技术的发展历程 211
11.1.2 钼同位素样品预处理 212
11.1.3 钼同位素在线测试分析 213
11.2 稳定钼同位素的组成与分馏机理 214
11.2.1 自然界中稳定钼同位素的组成 214
11.2.2 稳定钼同位素的分馏机理 215
11.3 稳定钼同位素技术方法应用 218
11.3.1 示踪地球化学过程 218
11.3.2 示踪氧化还原过程 219
参考文献 221
第12章 稳定锶同位素 225
12.1 稳定锶同位素分析测试技术 225
12.1.1 锶同位素液体样品采集及前处理 225
12.1.2 锶同位素固体样品采集及前处理 226
12.1.3 锶同位素测试分析 227
12.2 稳定锶同位素的组成特征 228
12.2.1 岩石中锶同位素的组成 228
12.2.2 土壤中锶同位素的组成 229
12.2.3 海洋中锶同位素的组成 229
12.2.4 水体中锶同位素的组成 229
12.3 稳定锶同位素技术方法应用 230
12.3.1 示踪岩溶地下水流动系统 230
12.3.2 示踪孔隙地下水流动系统 232
12.3.3 示踪河流中溶质风化源 235
参考文献 238
第13章 氯代烃单体碳、氢、氯同位素 240
13.1 氯代烃单体碳、氢、氯同位素分析测试技术 240
13.1.1 氯代烃单体碳、氢、氯同位素分析测试技术的发展历程 240
13.1.2 氯代烃单体碳、氢、氯同位素样品采集及前处理 242
13.1.3 氯代烃单体碳、氢、氯同位素常见分析测试技术 244
13.2 氯代烃单体碳、氢、氯同位素分馏机理 248
13.2.1 物理过程的氯代烃单体碳、氢、氯同位素分馏 248
13.2.2 化学降解过程的氯代烃单体碳、氢、氯同位素分馏 249
13.2.3 生物降解过程的氯代烃单体碳、氢、氯同位素分馏 250
13.3 氯代烃单体碳、氢、氯同位素技术方法应用 254
13.3.1 示踪氯代烃污染来源 254
13.3.2 解析氯代烃降解机制 257
13.3.3 基于单体同位素量化氯乙烯原位降解速率 260
参考文献 264
第14章 苯系物单体碳、氢同位素 267
14.1 苯系物单体碳、氢同位素分析测试技术 267
14.1.1 苯系物单体碳、氢同位素分析测试技术的发展历程 267
14.1.2 苯系物单体碳、氢同位素样品前处理 268
14.1.3 苯系物单体碳、氢同位素常见分析测试技术 268
14.2苯系物单体碳、氢同位素分馏机理 269
14.2.1 物理过程的苯系物单体碳、氢同位素分馏 269
14.2.2 化学降解过程的苯系物单体碳、氢同位素分馏 269
14.2.3 生物降解过程的苯系物单体碳、氢同位素分馏 270
14.3 苯系物单体碳、氢同位素技术方法应用 272
14.3.1 表征污染含水层中苯系物的生物降解过程 272
14.3.2 识别污染含水层中苯系物的微生物降解过程 277
参考文献 280
第15章 醚类汽油添加剂单体碳、氢同位素 282
15.1 醚类汽油添加剂单体碳、氢同位素分析测试技术 282
15.1.1 醚类汽油添加剂单体碳、氢同位素分析测试技术的发展历程 282
15.1.2 醚类汽油添加剂单体碳、氢同位素样品前处理 283
15.1.3 醚类汽油添加剂单体碳、氢同位素常见分析测试技术 283
15.2 醚类汽油添加剂单体碳、氢同位素分馏机理 283
15.2.1 物理过程的碳、氢同位素分馏 283
15.2.2 非生物性降解过程的碳、氢同位素分馏 284
15.2.3 生物降解过程的碳、氢同位素分馏 285
15.3 醚类汽油添加剂单体碳同位素技术方法应用 286
15.3.1 示踪MTBE的原位微生物降解 286
15.3.2 评估地下水中MTBE的生物降解 291
参考文献 294
第16章 硝基芳烃类有机单体碳、氢、氮同位素 296
16.1 硝基芳烃类有机单体碳、氢、氮同位素分析测试技术 296
16.1.1 硝基芳烃类有机单体碳、氢、氮同位素分析测试技术的发展历程 296
16.1.2 硝基芳烃类有机单体碳、氢、氮同位素样品前处理 297
16.1.3 硝基芳烃类有机单体碳、氢、氮同位素常见分析测试技术 298
16.2 硝基芳烃类单体碳、氢、氮同位素的分馏机理 298
16.2.1 非生物降解过程的碳、氢、氮同位素分馏 298
16.2.2 生物降解过程的碳、氢、氮同位素分馏 300
16.3 硝基芳烃类有机单体碳、氢、氮同位素技术方法应用 302
16.3.1 单体碳同位素评估地下水多硝基芳烃污染物的可降解性 302
16.3.2 二维有机单体碳、氮同位素识别硝基苯好氧生物降解途径 304
参考文献 307
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