7稳定同位素-1

B C N O O S
13 15 18 17 34
13 15 18 17 34
SMOW: 标准平均大洋水； 18OSMOW 1.03086 18OPDB 30.86 PDB：美国南卡罗来纳州白垩系皮迪组的美洲似箭石； CDT：美国亚利桑那州迪亚布洛铁陨石中的陨硫铁；
同位素分馏系数
对于同位素分馏系数，设有同位素平衡分馏反应：
位素；富集D的顺序：Al-OH键型>Mg-OH键型>Fe-OH键
型矿物；

④生物碳酸盐和有机质富集重氧同位素； ⑤粘土矿物富集D；
各种自然产状水的同位素组成
不同产状水的同位素组成如下： (1)大气降水： δD=－350 ‰ ±100‰，δ18O=－50 ‰ ±5‰ 主要由物理分馏作用控制； (2)温泉、地热水：指大气降水经深循环加热的水。 这种产状水的δD与当地纬度有关，但δ18O值变化较大，主要
1/2Si16O2 + H218O ƒ 1/2Si18O2 + H216O
18 18 216 1/3C16O2+ H O ƒ 1/3C O + H 3 2 3 2 O

α=1.0492 α=1.0286

反应使岩石中富集了18O、而在水中富集16O。由于大部分 岩石中氢的含量很低，因此水岩同位素交换反应中氢同位 素成分变化不大，但在含OH-的矿物中，水岩反应结果使 得矿物的δD增高。
The fractionation of isotopes between two phases is also often reported as ∆A-B=δA–δB. The relationship between ∆ and α is:
若 1，则有 ln 1
1 A B A B 3 3 3 10 ( 1) 10 10 ln 3 3 B 10 10
当一个含硫矿物从流体相沉淀出来时在平衡的条件下共生矿物间硫同位素组成出现一定的差异其34大小与硫的价态由密切的关系随着化合物中硫的价态从低到高的变化34sosososcos在部分熔融过程形成的岩浆中母岩和熔融出来的岩浆之间无明显的分馏
矿床地球化学
稳定同位素地球化学及其
在矿床学中的应用
西北大学地质系

5.
超过滤作用分馏效效应，也可以 引起氢同位素分馏，即在残余水中富集轻同位素，
而在粘土矿物中优先吸附重同位素 D。这一原理可
以说明油田盆地建造水的同位素组成。

①水气相富集轻同位素，水液相富集重同位素；


②水-岩反应中岩石富集18O， 水中富集16O；
③高氧化态矿物富集重同位素，低氧化态矿物富集轻同
对质量差别也就比较大。如H和D质量差为100％，12C与
13C 相差 8.3% ， 16O 与 18O 相差 12.5% ，而 204Pb 与 206Pb 的质
量差相差仅1％。

质量数小的同位素分馏更明显，这对地质作用来说具有 重要意义。
同位素分馏的因素

同一元素的稳定同位素不同，它们在物理－化学和热力
4.

生物分馏作用
植物的光合作用使 18O 在植物中富集，释放出来的 O2 富含16O，反应如下：
2H216O +C18O2 ƒ 2(HC18O)n +16 O2

光合作用的实质是水的去氢作用，植物将水分解，与 其中的 H 和 CO2 结合成有机化合物分子。活的生物体、 有机质、生物碳酸盐等都具有较高的δ18O值。
位素交换反应。达到同位素交换平衡时，共存相间同位 素相对丰度比值为一常数，称为分馏系数。
18 16 1/3CaC16O3 +H218O € = 1/3CaC O3 +H2 O
4. 生物化学分馏： 生物活动和有机反应时的同位素分馏 效应更强。如植物通过光合作用使12C更多地富集于生 物合成有机化合物中。因此生物成因的地质体如煤、 石油、天然气等具有最高的 w(12C)/W(13C) 值。生物化 学分馏是同位素分异作用的重要控制反应。
(18 O /16 O)CO32 /(18 O /16 O) H2O
同位素分馏与其他化学反应不同，作用前后物质的化学组 成未发生变化，只是两相之间同位素的相对丰度发生了变 化。分馏强度受动力学因素控制。 实验证明：
1) 反应前后物态和价态的差异愈大，分馏愈强；
2) 缓慢的过程可达到充分的平衡和强的分馏效应，快速反应不 易达到平衡且分馏效应弱； 3) 分馏系数是温度的函数，温度愈低分馏系数愈高；
微小的分馏，在反应产物中，特别是活动相中更富集
轻同位素。
C+ O C O2
16 16
平衡常数为K1;
18
C+ O O C O O
16 18 16
平衡常数为K2; K1/K2=1.17
3. 平衡分馏：在化学反应中反应物和生成物之间由于物态、
相态、价态以及化学键性质的变化，使轻重同位素分别
富集在不同分子中而发生的分异叫做平衡分馏，也称同
H-O同位素的分馏
1. 蒸发－凝聚分馏

水 可 能 有九 种 不 同的 同 位 素分 子 组 合 ， 例 如 ： H216O 、 D217O等；

在水的蒸发过程中，轻水分子 H216O 比重水分子 D218O 易蒸 发而富集于蒸汽相，相反，在凝聚作用中重的水分子优先 凝结、导致在液、汽相间发生氢、氧同位素的物理分馏。 例如：赤道大洋有最强的蒸发作用、海水的蒸发作用使得 汽相富集轻的水分子，云的凝聚过程重的分子优先凝成雨。 水分子经过反复多次的蒸发－凝聚分馏作用使内陆及高纬 度地区雨、雪集中了最轻的水、而在低纬度地区大洋中出 现最重的水， δD和δ18O平行分异。
Calculated value of α18O for CO2–H2O Dashed lines show up to ~200℃： α ≈0.969 + 0.0243/T At higher temperatures：
α ≈ 0.9983 +0.0049/T2
地质体中共存相之间同位素分馏系数α可以通过实测 两相δ值后近似计算得到。
由于与岩石发生同位素交换作用。
(3)封存水（包括深成热卤水、油田水）。它是海水或大气降水
深循环后长期封存的产物，以高盐度、高矿化度为特征；
学性质上就存在一定的差异，特别是H、O、C、S等质量
较小的元素，同位素间的相对质量差较大，在自然界各
种物理、化学作用（如：蒸发、扩散、渗透、吸附、结 晶、交代、沉积及生物作用）过程中有可能发生明显的 同位素分馏，因此，自然物质中同位素组成的变异是物 理化学条件的反映。
同位素分馏的因素
H2 O
1. 物理分馏：同位素之间由质量引起的一系 列物理性质的微小差别，如密度、熔点、 沸点等，使之在蒸发、凝聚、升华、扩 散等自然物理过程中发生轻重同位素的 分异。
( R样/R 标 -1 ） 1000‰
稳定同位素标准
被选作标准的样品应具备同位素组成均匀、数量大、地质产状
有特殊意义及便于采样和同位素成分分析等特点。
Element Notation
Hydrogen Lithium Boron Carbon Nitrogen Oxygen Sulfur δ D δ 6Li δ δ δ δ δ δ


由于氢的同位素质量比差值比氧大，故D的分馏效应比18O
大 7.72 倍。海水蒸发使气相富集轻水分子 (16O 和 1H) ，云的
凝聚重水分子优先凝结成雨，使轻重同位素进一步分馏。 降水过程中温度不断降低，雨水与蒸汽的分馏程度逐渐加 大。大气降水同位素组成表现为四种效应：

纬度效应：随纬度升高(年平均气温降低)，δD和δ18O值下降;
11 6
Ratio
D/H(2H/1H) li/7Li B/10B C/12C N/14N O/16O O/16O S/32S
11
Standard
SMOW NBS L-SVEC NBS 951 PDB atmosphere SMOW,PDB SMOW CDT
Absolute Ratio
1.557× 10-4 0.08306 4.044 1.122× 10-2 3.613× 10-3 2.0052× 10-3 3.76× 10-4 4.43× 10-2
(R样/R标 -1 ） 1000‰
RA ( A 103 ) RSTD /103 RB ( B 103 ) RSTD /103
( A 103 ) RSTD /103 ( A 103 ) 则有： RA / RB 3 3 ( B 10 ) RSTD /10 ( B 103 )
aA1 bB2 ƒ = aA2 bB1
A，B为含有相同元素的两种分子；a, b为分子系数；1为轻 同位素，2为重同位素。则同位素分馏系数α定义为：
RA / RB [w( A2 ) / w( A1)]/[w( B2 ) / w( B1)]
对反应：
2 18 2 16 C16O3 3H218O ƒ = C O3 3H2 O

D2O
14N
经过蒸发凝聚循环，H2O富集在蒸汽相中，
由于地球重力作用会引起轻重同位素分子
15N
D2O更多地残留于水体中；

的扩撒分异，如大气圈高空富集 14N ，而低
层15N集中；
2.
动力分馏：含有两种同位素的两类分子时，由于质量 不同，它们参加化学反应的活性有差异。质量不同的 同位素分子具有不同的分子振动频率和化学键强度。 轻同位素形成的键比重同位素的键更易破裂。因此， 轻同位素分子的反应速率较高，在平衡共存相间产生
同位素丰度的表示方法
1. R值：稳定同位素丰度的变异通常用R值来衡量和比较， 如大气中的w(18O)/w(16O)比值：
R=w(18O)/w(16O)=0.1995/99.763=0.002 2. δ值：若取某一给定样品的R值为标准，则可测得各地 质样品中R值与标准的绝对变差，以δ 表示：
( R样 -R 标）/R 标 1000‰
基本概念及原理 H-O同位素 S同位素 C同位素 Si同位素


Mo同位素
He-Ar同位素
主要用于以下目的：
① 成岩成矿物质源区鉴定；
② 矿物岩石形成温度确定；
③ 成岩成矿地球化学机理推测。
基本概念

稳定同位素的原子核是稳定的，或者其原子核的变化不能 被觉察。目前认为，凡原子能稳定存在的时间大于1017年的 就称为稳定同位素。
下D/H的分馏大体为 18O/16O的8倍， 所以大气降水线的斜率
约为8。

不同地区大气降水线的斜率略有差别。单纯的物理分馏产生
自然界最轻的水，而水与岩石接触能使同位素成分加重。因
此其它成因的水同位素成分均在Craig线以右。
2. 水－岩同位素平衡分馏
当大气降水同岩石接触，水与矿物间发生的 O(H) 同位素 交换反应可达到平衡。其代表性的反应如下：


大陆效应：从海岸向大陆内部δD和δ18O下降；
季节效应：夏季温度较高，大气降水相对较重，富集D和18O；冬季 反之；

高度效应：随高度增加δD和δ18O值下降。

Craig统计了不同纬度大气降水样品的氢，氧同位素成分，
得出以下统计关系式:
δD=8δ18O+10

直线称为Craig线，也叫大气降水线。由SMOW到极地大致沿 纬度由低到高变化。产生这种线性关系的原因是，平衡条件
H-O同位素地球化学

自然界氢有三个同位素：1H、2H(D)、3H(T)； 氧有三个稳定同位素16O、17O、18O； 一般采用采用相对富集度δD、 δ 18O值表示氢、氧同位 素组成：
D(‰)＝ [(D/H)样/(D/H)标 -1] 1000
18O(‰)＝ [(18O/16O)样/(18O/16O)标-1] 1000

稳定同位素可分为轻稳定同位素和重稳定同位素。 在地球表面环境中进行着各种物理，化学及生物作用过程，

往往会改变同一元素的不同同位素在这些过程的产物中，
或不同物相中的分配比率，即发生同位素分馏效应。

稳定同位素丰度发生变化的主要原因是 同位素分馏 ，即 轻、重同位素在物质间的分配发生了变化，一些物质富 集轻同位素，另一些物质富集重同位素。特别是一些较 轻元素，如 H 、 C 、 O 、 S 等，同位素质量数比较小，相
3. 矿物晶格的化学键对氧同位素的选择

当火成岩和变质岩达到氧同
位素平衡时，岩石中矿物的氧
同位素有一个相应的分馏次序，
其 中 Si-O-Si 键 的 矿 物 中 最 富
18O，其次为Si-O-Al键、
Si-O-
Mg键等。

矿物的化学成分、晶体构造、
形成温度、氧化状态等都影响
同位素分馏的方向和分馏强度。