1.湖泊水平衡的分布
正如Gat等(1968)指出的,一个湖泊的水平衡方程常常有多项未知参数,因此将附加条件作为计算这些未知参数值或者确认这些估计值是十分必要的。但像蒸发作用的影响和洪水内流、外流的速率或次表层的渗漏等,用常规水文学方法去估计这些参数特别困难。最近十多年来,开展了应用同位素的方法来研究湖泊中的这些课题。
水大量参与对大气圈盐分的转移,对于建立平衡方程是一个很有用的附加示踪器。特别是湖泊中的Cl-、Mg和Li的含量,能适当地保存下来。然而,当盐分渗出量未知时,方法就将失败。而通过测量湖中同位素组成的变化则可得到另一种有用的平衡方程。但是应注意,应用同位素对湖水平衡进行分析时,湖水混合均匀是先决条件,也就是说要基本上达到同位素均一化。
一般来说,应用同位素方法研究湖泊保存状态要优于其他方法。例如,在内流影响的ΣiFin,i项的评价中,由于测量是在暴雨径流和次层渗漏的情况下进行的,因此,这时水的盐度显然是变化的,因而也是未知的。但是δin,i值通常可以从这一区域内的水文-气象结构中估计出来,情况最好时,区域性降水可用于代表所有内流淡水的同位素组成,所以Σi(δinFin)i可以简化为一个单项的δinFin。
问题是关于蒸发影响的δE,提到这一点似需要引入大量的新的未知数(如、h、δa等)。实际上正如在上面所讨论的,δE可以用理论方法评估出,不要求实测数据,甚至粗略地通过“典型蒸发系统”(如终碛湖、干涸的水池,或者蒸发锅等)实际测量同位素富集程度来确定。在实际使用中,还有一个简单的蒸发连续采样的问题,因为交换强度(和蒸气)是随风的强度和在水/空气界面上的空气动力学结构的变化而变化的,它影响到实测湖面上的大气参数(如湿度)的平均观察值。为了解决这些问题,Fzur(1971)建议采样流程可用一个空气泵和通过一个风速计来测速。Welhan和Fritz(1977)则使用了蒸发锅作为适当衡量这种交换影响程度的工具。
Zimmermann和Lewis(1979)通过水平衡和同位素平衡方程,以不同的参数值计算了蒸发作用的影响并估计出这一方法的精度。但他们有一个悲观的看法,在测定Neusiedl湖蒸发作用的影响时,其总的误差为±50%,在Kinneret湖误差也有±30%~15%。不过这些估计可能过于保守,所以现在他们也感到同位素平衡的方法是相当可信赖的。Fontes等(1979)在对Titicaca湖的研究中,依据这一方法,得到了一个渗漏速率为7%的结果。
有人认为,在湖泊水平衡的研究中,应用氚的数据比用18O的数据更值得倡导,因为氚受有关综合同位素富集系数的动力分馏因素的影响较小。但也有人认为,18O的动力项比氚更明确得多,最好使用18O的数据。这种争论将如何统一,显然需要通过不断的实践和资料积累,才能逐步得出明确的结论。
2.盐湖的研究
盐湖有两种成因类型:一种是蒸发成因的,另一种是地下水将含盐地层中的盐分带入到湖泊中形成的。前者水体相对富重同位素,水体的同位素组成与盐分含量呈正相关变化;而后者水体的同位素组成变化与盐分含量无关。
含盐水体有潟湖、海岸水池及与海有关的盐沼。Lloyd(1966)指出,海水蒸发的结果使得同位素富集达到一个有限值。其他学者在对盐湖研究后进一步指出,当湖泊蒸发和富集更多盐分时,湖水的δl将达到一个极大值后再减小。这是因为相对湿度影响的结果,δE值随盐分浓度的增加而连续增长,而后伴随着水的活度系数和相应的饱和蒸气压作平行减少,其结果δl不是单调地趋向一个有限值,而是在一定富集阶段后呈折转趋势,这时湖水将越来越少富集重同位素。这样的盐湖系统其特征是水并不太富重同位素。Djibouti的Asal湖就是一个例子(Fontes等,1979)。
除极干燥气候外,蒸发作用将最终终止在环境温度接近于卤水饱和蒸气压的点上。由于同位素交换的结果将使潮湿大气和卤水之间逐渐趋于同位素平衡。
在许多海岸潟湖中,蒸发增加卤水的浓缩有利于建立两层流动状态,然后这种状态的卤水再回流到海洋中,Bardawil潟湖就是这样的例子(Gat,1979)。但这种流动方式又限制了盐度和重同位素两者关系的建立。Aharon等(1977)在研究Eilat附近的Solar池时认为,甚至在盐池被一个砂坝分开时,一种类似成层浓缩的内流外流方式也可以建立起来。
在许多盐湖中普遍存在一种永久性的成层结构,甚至当单一的和混合的浅沼湖之间浓缩度差异足够大,且底部水被加热到沸腾温度时,成层现象仍然可能残存着。前面提到的Eilat的Solar池就是这样的情况。这种永久性成层湖泊的深水团,其稳定同位素含量可以辨别水的成因。比如Aharon等(1977)就认为,Solar池是海水成因的,而Vanda湖的深部水却是冰川溶融水成因的(Matsubaya等,1979)。在Jordan河谷的DeadSea(即死海)中,浅沼湖水的同位素组成(δ18O=+‰±‰,δD约‰)与在Jordan河流体系中的一个终碛湖通过蒸发作用形成的水是一致的。这种同位素组成与混合湖沼的平均组成没有明显差别(Gat&Dansgaard,1972)。
班达湖是南极一个较大的盐湖,周长约,最深达68m。1972年在该湖深处采集的水样进行了化学组分和同位素组成分析。结果表明,该湖的含盐度高于海水。湖水的δ18O值为-30‰~-31‰左右,与该区降水的同位素组成δD=-245‰、δ18O=-31‰一致。此外,湖泊中水溶硫酸盐的δ34S为+‰~+‰,这样高的δ34S值被认为是由于湖底的还原环境引起动力同位素分馏的结果。据推测,原始的δ34S值应该为+20‰,这与海水硫酸盐的δ34S值基本相同。从上述可知,湖水来源于该地的降雪。绵拨邦彦(1985)还指出,这是由于在很早以前海水侵入到该区,后来由于地形变动而封闭,海水干涸后,后由冰雪不断溶融汇集,从而逐步形成现在的盐湖。这类盐湖的盐分与湖水同位素组成各成体系,反映它们在成因上没有直接的关系。但是,终年被冰雪覆盖的湖泊,由于升华作用引起物质丢失,这些湖水在冷冻过程中导致盐度的升高。
3.研究古气候
湖泊物质的同位素组成常常包含了环境变化的信息。换句话说,环境变化的信息将提供古气候的资料,因此,环境物质的同位素可用于研究古气候。但在进行古气候研究时,必须严格掌握以下条件,诸如:湖泊中原始物质的来源是否单一,因为多源的在不同时期以不同比例进入湖泊的混合物质常常可能模糊部分古气候的信息;湖泊物质中原始同位素组成的保存状态受后期扰动程度要小;不同时期的湖泊物质的保存必须具有连续性,不能存在间断;定年的准确度要高。这样,才有可能在古气候的研究中取得成功。
应用湖泊物质的同位素组成研究古气候的成功事例较多,鉴于本章篇幅的限制,不能一一列举。请读者参阅本书“环境同位素研究”的章节。