溴(Br)属元素周期表中VIIA族元素，主要存在于海水、地下浓缩卤水和古海洋的沉积物岩盐矿以及盐湖水中。与氯相似，二者均为地下水中相对保守的元素，Cl/Br比值在不同水体中具有特殊指示意义，并已广泛应用于探讨油田水、地下卤水、地下咸水的成因及其运移规律中。如利用Cl/Br比值可研究油田水、卤水和地层水的起源，将岩盐的溶解与剩余蒸发卤水区别开来。但随着研究的深入，Cl/Br比值的指示意义受到了质疑。Means和Hubbard在研究Palo盆地深部卤水中的短链脂肪酸阴离子时发现，卤水中的部分Br-、大部分I-与有机质源自于富含脂肪的有机沉积物中。这一发现使Br-作为一种保守的指示剂变得复杂，特别是利用Cl/Br值推断地下水的来源和演化时。　　 溴与氯相比具有3个独特的性质，即:　　 (1)在海水蒸发过程中，溴被浓缩在卤水中，与K、Mg盐共沉淀，形成钾盐、光卤石和水氯镁石;　　 (2)溴比氯更容易被氧化;如在智利的Atacama沙漠中，富含高氯酸盐和重铬酸盐的氧化环境使所有Br-被氧化成Br2，并被蒸发，从而导致了该地缺乏溴;　　 (3)有机溴化物比有机氯化物更容易被有机体新陈代谢。　　 溴的上述这些特殊性质都能引起显著的溴同位素分馏，因此也预示着溴同位素可以提供有关地下水的溶质来源及其水文地球化学过程的更为有效的指示信息。但由于测试技术所限，目前溴同位素技术的应用尚未普及。而近年来，随着同位素比值质谱(IRMS)和多接收电感耦合等离子体质谱(MC-ICP-MS)等质谱技术的快速发展，使溴同位素作为地下水研究的一种常规示踪技术成为可能。　　 本文充分借鉴国内外已有成果，针对地下水中溴含量偏低、Br和Cl难以分离的特性，依托我校生物地质与环境地质国家重点实验室的同位素比值质谱仪MAT253，开展了地下水中溴的分离与纯化、溴同位素组成的质谱测试条件研究，建立了基于溴化银-溴甲烷的溴的分离与纯化方法和基于GasBenchⅡ联用同位素比值质谱仪测定溴同位素的质谱技术。在此基础上，系统采集盐湖水、油田水、地热水和高矿化度地下咸水样，研究了我国不同水体中溴同位素组成特征;并以河北平原为研究区，开展地下热水中37Cl、81Br组成特征、空间分布规律及其指示意义研究。　　 本研究取得的主要研究进展包括:　　 (1)建立了地下水中溴的分离与纯化流程，溴的用样量为2-5mg，溴的回收率约为100％.溴的分离和纯化分三个步骤:Br和Cl的分离、溴化银的制备以及溴甲烷的制备。基于溴与氯的氧化还原性质的差异性，实现Br和Cl的分离，即:使用重铬酸钾1.5g，在硫酸体积为80ml反应温度为60℃的条件下，反应60min，将Br-与Cl-分离。然后用0.5g锌粉将其完全转化为Br-;随后，加入足量的AgNO3将分离到的Br-以AgBr的形式沉淀下来;最后，将AgBr(0.5mg)与CH3I(20μL)在80℃条件下反应56h，将其转化成CH3Br，以进行溴稳定同位素质谱测定。　　 (2)利用GasBenchⅡ联用同位素比值质谱仪（GasBenchⅡ-IRMS），发展了测定地下水中溴同位素的质谱分析技术。通过对标样NIST SRM977与海水中溴同位素组成的相对值（δ81Br SMOB=-0.65±0.03‰）的溴同位素组成的对比测定，确定本研究所建立测试方法的准确度;通过对两种标准物质的重复测试(NIST SRM977和自备室内试剂)确定内部精度优于0.03‰，外部精度优于0.06‰，达到国际同类研究水平。　　 (3)利用所建立的测试方法测定了盐湖水、油田水、地热水和地下咸水等不同水体的δ81Br SMOB。结果显示:盐湖水为+0.29‰～+1.80‰，油田水为+0.18‰，地热水为+0.28‰～+1.22‰，地下咸水为+0.66‰.　　 (4)以河北平原为研究区，探讨了深层地热水的37Cl、81Br组成特征、空间分布规律及其指示意义研究。研究区地下热水溴同位素的变化区间在+0.28‰～+1.22‰之间，其中冀中坳陷变化区间在+0.59‰～1.22‰之间，黄骅坳陷变化区间在+0.40‰～+0.55‰之间，发现:不同的地质构造单元的地下水具有不同的溴同位素组成特征，冀中拗陷地下热水矿化度低δ81Br值大，黄骅拗陷地下热水矿化度高而δ81Br值小，且变化较小。与氯同位素组成相比，地下热水溴同位素分馏较大。上述分布特征可以指示地下热水来源及演化过程，综合水文地质背景和其他同位素信息，黄骅坳陷具有埋藏水特征，起源于古河湖相沉积水，受后期影响较小，冀中坳陷地下热水后期接受大量大气降水补给，发生稀释混合作用。而氯与溴同位素不同的分馏效应值得进一步探究。　　 本研究的意义在于:　　 (1)进一步开拓我国稳定溴同位素的测试技术和应用水平，丰富我国稳定同位素的研究内容;　　 (2)积累我国地下水溴同位素分析数据，掌握溴同位素的地球化学特征，以更全面、深入地认识我国地层水、地下卤水、地下咸水和油田水的起源、成因及其形成的水文地球化学与物理过程等;　　 (3)为我国油气田的勘查与开发、海水/咸水入侵、卤水资源的开发与利用、水污染与防治、温室气体储存、废物处置等领域的研究提供一种新工具。　　 本文的创新之处:　　 (1)率先建立了基于GasBenchⅡ的连续流同位素比值质谱法(GasBenchⅡ-IRMS)测定地下水中稳定溴同位素组成的测试方法，测定精度达到国际同类研究水平;　　 (2)利用所建立的测试方法，系统测定了我国代表性盐湖水、油田水、地热水和地下咸水等不同水体溴同位素组成特征，获得了我国第一批水体溴同位素组成数据。并以河北平原为研究区，开展地下水中37Cl、81Br组成特征、空间分布规律及其指示意义研究。