同位素讲座-2-2010

2）海拔高度效应
高度上升，则大气降水的δD和δ18O值减少。 一般对于δD值，每升高100m，降低1.2 ～ 4‰； 对于δ18O 值，每升高100m，降低0.15 ～ 0.5‰。
3）大陆效应 越向内陆，大气降水的δD和δ18O值越 降低。例如，广州，昆明和拉萨的年平均 降雨的δD值分别为－29‰，－76‰和－ 131‰。
－化学键对氧同位素分配的控制 • 硅酸盐矿物结构：
岛状 < 单链 < 双链 < 层状 < 架状
• 硅氧键与铝氧键：
Al-O < Si-O
• 双键：
C=O比一般单键结合能强，所以碳酸盐 相对富18O。
18O在变质矿物中的富集顺序
变质矿物 • • • • • • • • • • • • • • 石英 白云石 钾长石、钠长石 方解石 富Na斜长石 富Ca斜长石 白云母、钠云母 普通辉石、斜方辉石、透辉石 角闪石 橄榄石、石榴子石（锆石） 黑云母 绿泥石 钛铁矿 磁铁矿、赤铁矿 注：泥岩经过中低度变质作用。 18O (‰) +15.0 +14.2 +13.0 +12.8 +12.5 +11.5 +11.3 +10.5 +10.0 +9.5 +8.5 +8.0 +5.5 +4.5
2） 河水
河水有两种补给源：大气降水和地下水。不 同地区，不同季节，它们对河流的补给量也不同。 大气降水形成径流和小河，这些小河的同位素组 成反映大气降水的特征，具有季节性变化特征。 大河水系是由小河汇集而成，所以它们的同位素 组成要复杂得多。
高山区的径流往往依赖于冰雪的融化，这种成 因的小河流的同位素组成显示出季节性变化，但 其季节性变化与大气降水的情况相反。在夏季时， 大量冰雪融化，融水与夏季降雨相比亏损D和18O， 甚至低于冬季降雨。
稳定同位素地球化学
（第二讲）
储雪蕾
Institute of Geology and Geophysics Chinese Academy of Sciences (联系电话：82998417；E-mail：xlchu@)
III. H、Oቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ位素基本原理
1
基础知识
自然界中氢、氧同位素丰度
2.4 水/岩交换作用
1) 封闭系统
WiH2O + Rirock = WfH2O + Rfrock
i：初始值； W：大气降水的氧原子百分数； f：交换后的最终值； R：岩石的氧原子百分数
frock - irock
(W/R)封闭 =
D ＝ frock - fH2O
iH2O – (frock – D)
2.3 雨水线
为什么 大气降水 的 H、 O同 位素分布 如此相似？
雨水线：
全球雨水H, O同位素组成的一个重要特征是δD值与δ18O值 间有明显的线性关系（Craig,1961），该关系式如下：
δD = 8δ18O + 10
但在实际中，有些地 区雨水δD与δ18O的关系 往往与上述雨水线方程 有偏差。例如，我国八 个城市雨水H、O同位 素的关系为： δD = 7.9δ18O + 8.2
2
水与水/岩交换作用
全球的水循环
2.1
水循环（蒸发与凝聚过程）
天然水是H216O，HD16O，D216O，H217O，HD17O， D217O，H218O，HD18O，和D218O等不同类型同位素 水分子的聚合体。最轻的同位素水分子H216O在天然水 的含量中占绝对多数。
蒸发与凝聚是在大气与地表水，大气与海洋之间的 一种大面积的H、O同位素的交换过程。该过程对于 海洋，大气，大陆地表水的H 、 O同位素组成有重要 影响。
此外，湖水还受着蒸发作用的影响。由于蒸发 作用的影响，湖水相对于补给源水一般都相对富 集重同位素，这一现象尤其在干旱地带的内陆湖 泊中最为突出。
4） 海水
现代海洋：δD 0，δ18O 0 （SMOW），组 成变化小。 由于表层海水优先逃逸H2O16，所以表层海水 相对富集重同位素。
影响海水H、O同位素组成的因素： （1）海水表层的蒸发和扩散。海水表层的δD 和δ18O值一般大于零。 （2）两极的深海水流。δD和δ18O值一般小于 零,受冰川作用影响。冰川δD和δ18O值远小 于零。 （3）海底火山喷发和洋中脊热液作用影响。 （4）近岸大陆河水的影响。 （5）降雨量的大小，对表层海水有影响。
Taylor, H.P., Jr. (1978) Earth and Planetary Science Letters, 38: 177-210
D
科学问题：
• 深成岩与其围岩之间反应造成的化学和同位素交换； • 深成岩与不同成因流体之间的反应；
• 围岩（沉积岩）的同化作用或变沉积岩的深熔作用 对岩浆的影响。
中国大气降水的氢同位素分布图
美国大气降水的氧同位素分布图
4）季节效应
第一是温度效应。在冬季或干旱季节，大气 降水的δD和δ18O值相对低；在夏季或雨季， δD和δ18O值相对高。 第二是降雨量效应。降雨量大，大气降水的 δD和δ18O值相对高；降雨量小，δD和δ18O值 相对低。
美国大陆大气降水的氧同位素控制因素
自然界氢有两种天然稳定同位素：1H和D(2H)。 它们的丰度分别为： H（ 1H ）: 99.985% D (2H) : 0.015% 自然界氧有三种天然稳定同位素：16O, 17O, 18O。 它们的丰度分别为： 16O: 99.762% 17O: 0.038% 18O: 0.200%。
SMOW (Standard Mean Ocean Water)
水/岩比值
1) 封闭系统
frock - irock
(W/R)封闭 =
2) 开放系统
iH2O – (frock – D)
(W/R)开放 = ln [(W/R)封闭 ＋ 1］
凝聚过程同位素分馏
在云中的水蒸汽冷凝成雨滴过程中， 液相和汽相之间往往达到了同位素平衡， 因为相对湿度基本在100％。当从海洋表面 蒸发水蒸汽时，水气中亏损δD和δ18O，液 相中富集δD和δ18O。
2.2
水及主要水的库源
1） 大气降水
所有大陆地表水，例如江水，河水，湖水，冰 川，地下水，以及一些沉积盆地的卤水和地热水， 都是来源于大气降水。而大气降水的来源是海洋 表面的蒸发。 大气降水的同位素组成变化较大，δD值一般在 +50 ～ -500‰，δ18O值一般在 +10 ～ -55 ‰。
5）地热水和热卣水
6）岩浆水
岩浆水指岩浆中的水，或由岩浆派生出的水。 在岩浆熔融体的气相和液相中，水是主要组 分。在达数千巴压力下，硅酸盐熔浆中，水含量 可达5%（重量）。岩浆岩大多形成在600 ~ 1100C，在高温下矿物与岩浆水的分馏系数很小， 因此岩浆与深成岩的氢和氧同位素组成与岩浆水 的相近。 岩浆水的δD值一般在 –40 ～ –85‰，δ18O值 一般在 +5.5 ～ ＋9.5 ‰。
总之，纬度，高度，离岸远近，季节（温度） 等因素都对河流体系的同位素组成有影响，这些 综合因素的影响常常造成在一条大河水系中，从 源头到各支流，一直到河流的下游，水的同位素 组成都有变化。
3） 湖水
湖水的同位素组成与水源的补给类型，湖泊所 处的地理位置和自然环境条件密切相关。湖水的 补给源是大气降水，河水或地下水。在临近海洋 的地区，还可以是海水。这些不同的补给源都可 以给湖水的同位素组成带来差异。湖水同位素组 成存在季节性变化，纬度效应，大陆效应和高度 效应。
地幔岩浆和地壳岩石 的氧含量基本相等。
地壳混染：
地幔部分熔融产生的 高Sr含量且低87Sr/86Sr 比值的岩浆与地壳岩 石混合过程。 源区混合： 具有高87Sr/86Sr比值的 俯冲地壳物质重熔产 生富Sr的岩浆混染了 周边的地幔岩的过程。
18O
Oxygen and hydrogen isotope studies of plutonic granitic rocks
标准平均海洋水，作为世界统一标准。其 同位素组成，在实验测定精度范围内，与 大西洋，太平洋和印度洋开放洋区500 ~ 2000米深处平均海水样品测定值一致。
18O(SMOW) = 0‰ D (SMOW) = 0‰
自然界中氧同位素组成分布
自然界中氢同位素组成分布
平衡同位素分馏时18O富集顺序
同化混染
（叶蛇纹石） （阳起石）
（奥长花岗岩）
from Taylor (1978)
苏格兰西部Skye岩体
SKYE
与大气降水的高温水/岩交换
from Taylor( 1978)
Mull岛杂岩体
from Taylor (1978)
与大气降水的交换
石英与长石之间的氧同位素分馏
石英 长石
石英
长石
from Taylor (1978)
影响大气降水H、O同位素组成的因素：
1）纬度效应
纬度增加，则大气降水的δD和δ18O值减少。 随着从海面蒸发的水汽的不断降雨的过程，剩余 的水汽中越来越亏损D和18O，其雨水和雪水中的 δD和δ18O值也越低。 自然界最富集轻同位素的水是南极雪(冰)水： δD值为 ~ -428.5‰，δ18O值为 ～ -55.5‰。
主要三种花岗岩类型:
18O值 小于+6 ‰ 的花岗岩： 低 18O 花岗岩 18O值 在+6 和 +10 ‰之间的花岗岩：
正常 18O 花岗岩 18O值 大于+10 ‰的花岗岩： 高 18O 花岗岩
注意: 低18O 花岗岩的 D值都 小于-85 ‰, 常常低到 -150 ‰, 而其它类型花岗岩的 D值 在-50到-85 ‰ 之间。
空气湿度对一个地区水蒸发过程中的同位素平 衡有很大影响。例如，当空气中的相对湿度接近 100％时，液相和汽相之间的交换可能建立同位 素平衡。但是，当空气湿度相对低时，一般呈非 平衡蒸发状态。 如果水的蒸发速度进行得很快，水/汽之间的 同位素分馏就会出现不平衡状态。
实际上太平洋上空水蒸汽平均为δD＝-94‰和 δ18O= -13‰，比平衡分馏蒸发的理论计算 （25C平衡时水蒸汽体的δD = -69‰和δ18O = 9‰）低一些，这是由于在自然界的蒸发作用多 半在非平衡条件下（相对湿度远小于100%）。
氧同位素体系
―正常花岗岩”的18O富集顺序（由贫至富）： 磁铁矿 黑云母 角闪石 白云母 斜长石 碱性长石 石英 正常的火成岩全岩的 18O 值在 +6 到 +9 ‰的范围, 且 18O 值由低至高的顺序为 : 辉长岩 英云闪长岩 闪长岩 花岗岩 花岗岩相对富18O，可能是由矿物的结晶分异或受沉积 岩的同化混染。
与交换时温度有关
2)
开放系统
(W/R)开放 = ln [(W/R)封闭 ＋ 1］
IV. 火成岩研究中H、O同位素
1 岩浆结晶分异
2 岩浆去H2O或H2S气作用
氢同位素效应
实例
岩浆去H2O或去CO2作用
氧同位素效应
岩浆去CO2作用
碳同位素效应
实例
变质作用脱CO2
3 岩浆混合作用
Sr-O同位素混合体系
基本知识:
• 来自上地幔的岩浆同位素应是均匀的，18O 值在 +5.5 到 +7.0 ‰（SMOW) 且 D 值在-50 到 -85 ‰ （SMOW) 。 • 在高温岩浆过程中一般不可能产生大的同位素分馏作 用。 • 近地表的流体（如海水、大气降水）的 18O 和 D 值 与原始岩浆的同位素组成明显不同。 • 沉积岩明显富18O，（例如：泥岩的18O 约为+12 ‰, SMOW)。
蒸发过程同位素分馏（动力学分馏）
当水蒸发时，由于较轻的水同位素分子的零点 能（E0）较高，饱和蒸汽压较低，所以轻同位素 分子优先富集于蒸汽相中进入空间，气体中的轻 同位素16O和H的含量增加。
相对而言，留下的水中富集重同位素分子，水 中的重同位素18O和氘 (D) 的含量增加。
当水蒸发过程进行的很慢时，水/汽界面处于同 位素平衡状态。 在25C时，在同位素平衡分馏条件下水分子蒸 发，水/汽之间的分馏系数是： 水-气（D/H）= 1.074 水-气（18O/16O）= 1.0092 这就是说，海洋上空与海水平衡之水蒸汽的δD和 δ18O值分别比海洋水低接近74‰和9.2‰。 由此分馏系数可以计算出，在25C时，当水从 海洋表面蒸发时气体的δ值为： δD = -69‰， δ18O = -9‰