第十讲 稳定同位素地球化学

第十讲

地质常用主要稳定同位素简介

18O

Full atmospheric General Circulation Model (GCM) with water isotope fractionation included.

内容提要

●基本特征●氢同位素●碳同位素●氧同位素●硫同位素

10.1. 传统稳定同位素基本特征

☐只有在自然过程中其同位素分馏变化为可测量范围的元素，才能应用于地质研究用途，这些元素的质量范围多<40；

☐多为能形成固、气、液多相态物质的元素，其稳定同位素组成可发生较大程度变化。总体上，重同位素趋于在结合紧密的固相物质中富集；重同位素趋于在氧化价态最高的物相中富集；

☐生物系统中的同位素变化常用动力效应来解释。在生物作用过程中(如光合作用、细菌反应及其它微生物过程)，相对于反应初始组成，轻同位素趋于在反应生成物中富集。

10.2. 氢(hydrogen)

☐直到1930年代，人们才发现H不是由1 个同位素，而是由两个同位素组成：

1H：99.9844%

2H(D)：0.0156%

☐在SMOW中D/H=155.8 10-6

☐氢还有一个同位素氚(3H)，但为放射性核素，半衰期仅为~12.5y。

10.2.1 氢同位素基本特征

☐与多数重元素的同位素组成不同，太阳系物质具有高度不均一的氢(氧)同位素组成，尤其是内地行星与彗星之间；

☐1H与D同位素间质量相对差最大，在地球样品中表现出最大的稳定同位素变化(分馏)范围；

☐从大气圈、水圈直至地球深部，氢总是以H

O、OH-，

2

H2、CH4等形式存在，即在各种地质过程中起着重要作用；

☐氢同位素以 D表示，其同位素测量精度通常为0.5‰至2‰(相对其它稳定同位素偏低)。

JFC:Jupiter family comets

OCC:outer solar system Oort

cloud comets

内地行星与碳质球粒陨石具有相似的氢同位素组成，但与彗星之间存在差异(Taylor,2015,PSRD: Water in Asteroid 4 Vesta)

(Robert ,2011,Nature Geoscience)

行星和陨石的氢同位素组成(Alexander et al., 2012, EPSL)

NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA

Water in apatite in meteorites from Vesta varies in its hydrogen isotopic composition. Range is similar to the range in Earth.

来自小行星带不同陨石样品中磷灰石的氢同位素组成

(Sarafian et al.,2014)

Hydrogen isotope variations in mantle-derived materials

(Bell and Ihinger, 2000)

金云母

K-碱镁闪石韭闪石&羟钛角闪石

10.2.2 主要分馏机制

◆发生氢同位素分馏的主要原因是水蒸气压的不同，其次为其冰点差异。由于HDO 较H 2O 蒸气压低，引起D 在液相中相对蒸气相发生富集(典型的瑞利分馏现象)。

◆

自然界中引起水中氢发生同位素分馏的物理作用与引起水中氧发生分馏的物理作用相同，故在大多数情况下，18O 的分馏与D 的分馏平行(参见氧同位素部分)。 A. 蒸气压-冰点分馏

B. 平衡交换反应

常见矿物与水的平衡体系实验表明，氢同位素的分馏曲线较为复杂(因此，将有限温度范围的实验结果进行外推通常会产生不正确的曲线)；

目前对<400︒C的矿物分馏曲线了解有限。现有实验表明，矿物分馏曲线多在400-220︒C区间发生突变，其原因可能与氢在矿物中存在多种配位位置有关；

氢同位素封闭温度较低，准确了解样品是否保持了高温条件下的同位素组成，是将分析结果正确应用于地质研究的重要前提。

软水铝石黝帘石绿帘石-斜黝帘石

透闪石蛇纹石

阳起石高岭石

黑云母

角闪石A

角闪石B 白云母

金云母1000l n αT ︒C

106T -2 ︒K

实验确定的矿物-水氢同位素分馏曲线

C. 动力分馏

此外，渗滤作用(如粘土矿物、页岩对水流的过滤作

用)、盐溶液中的水化作用及生物作用过程均可对氢

同位素分馏产生影响。

氢同位素的分馏行为与氧同位素相似，部分内容将在氧同位素部分介绍

10.3. 碳(Carbon)

☐碳在宇宙(太阳系)中具高丰度，但在地球上常表现为微量元素(~n⨯100ppm)。碳同时存在于生物圈和无机物中，且存在从金刚石至碳酸盐的不同氧化价态，具较大程度的同位素分馏范围；

☐碳由两个稳定同位素组成：

12C=98.89%

13C=1.11%

(14C为宇宙成因核素)

☐自然界中δ13C的变化范围>100‰(+20‰至-90‰)。

10.3.1 分馏机制：动力分馏-光合作用

◆生物光合作用对碳同位素产生的分馏由二个步骤完成：

a)获取CO2并在细胞内扩散，为可逆过程，可引起约

-4‰的同位素分馏；

b)酶性羟作用(enzymatic carboxylation reaction)，

为不可逆作用过程，可导致-17‰至-40‰的分馏。

◆由光合作用引起的动力分馏是影响碳同位素分馏的主要途径。