稳定同位素ppt课件
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花岗岩δ值较高，而且变化范围较大，主要是其成因及源区 较复杂所致：
“I”型花岗岩 δ18O＜10‰ “S”型花岗岩 δ18O＞10‰
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氢氧稳定同位素分馏
自然界中氢、氧同位素的分馏主要是蒸发、凝 结过程的同位素分馏和水与岩石圈、大气圈及 生物圈的不同物质之间的同位素交换引起的。
动力过程，如植物的光合作用、呼吸作用等也 能引起较小的同位素分馏。
蒸发时，较轻的同位素组分（1H和16O）总是优 先富集在气相中，富集的顺序取决于温度。
霞石
钙长石
海绿石
石榴石
黑云母
橄榄石
白云石 方解石
蓝晶石
十字石 普通辉石
榍石
硬石膏 角闪石
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4．生物化学作用
➢植物光合作用的结果使18O在植物体中富集，放出O2富含16O： 2H216O+C18O2 2(HC18OH)n+16O2
➢光合作用的实质是水的去氢作用，植物将水分解，吸收其中 的H与CO2结合成有机化合物分子。实测活的生物体、有机体、 生物碳酸盐都具有高的18O。
在气、液相之间发生H、O同位素的物理分馏。
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氢氧同位素的纬度效应: 由于水分子经过反复多次蒸发~凝聚 过程使得内陆及高纬度两极地区的蒸气相（雨、雪）中集中了 最轻的水（δ18O、δD趋向更大负值）；大洋及赤道地区出现 重水（δ18O、δD趋向更大正值）。
赤道大洋：蒸发→大气中轻同位素富集→空气凝聚过程→ 重分子优先成雨→再进入海水→大气中轻同位素更加富集。 水蒸汽运移：赤道→内陆/低纬度→高纬度 结果：赤道海水富集重同位素；高纬度内陆雨、雪富集轻 同位素。
三、稳定同位素地球化学
➢基本概念 ➢氧、氢同位素地球化学
自然界氧、氢同位素分馏的主要原因 氧同位素的应用
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(一) 基本概念
稳定同位素又分重稳定同位素和轻稳定同位素。 • 轻稳定同位素：
1）原子序数Z＜20，ΔA/A≥10% (ΔA 为两同位素质量差)； 2）发生同位素成分变化的主要原因是同位素分馏作用，其反应是 可逆的。 例：O、H、S、C、N元素的同位素。 • 重稳定同位素： 1）原子序数Z＞20，ΔA/A＜10%； 2）发生同位素成分变化的主要原因是放射性核素不断衰变的结果 所造成的，这种变化是不可逆的。 238U→206Pb、235U→207Pb、232Th→208Pb， 其中87 Sr、143Nd、206Pb、207Pb、208Pb是重稳定同位素。
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(二) 氧、氢同位素地球化学
（一）自然界氧、氢同位素分馏的主要原因
1.蒸发~凝聚分馏：
氢有两种稳定同位素（H、D），氧有三种同位素（16O、
17O、18O）；水可能有九种同位素分子组合：
H216O HD16O D216O H217O HD17O D217O H218O HD18O D218O 水在蒸发过程中轻水分子H216O比重水分子D218O易于富集 在蒸汽相中，而凝聚作用相反，重的水分子优先凝结。因此
由氢和氧组成的水（H2O）不仅参与自然界的各种化学反应和地 质作用，而且也是自然界各种物质运动、循环和能量传递的主要
媒介物。
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氢氧稳定同位素的丰度
➢ 氢同位素
氢有两个稳定同位素：氕（1H）和氘(2H)。氕的天然平均 丰度：99.9844％；氘的天然平均丰度：0.0156％。
1H和2H彼此间有着最大的相对质量差（100％），因而同位 素分馏特别明显。地球上氢同位素分馏范围达700‰，这一 特点对于氢同位素的地球化学行为的研究非常有利。
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➢ 氧同位素
氧有三个主要的稳定同位素：16O、17O、18O。它们的 平均丰度为：16O＝99.762％；17O＝0.038％；18O＝ 0.200％（它们的比例16O:17O:18O＝500:0.2:1）。 通常我们能够把氧同位素和其它同位素结合起来使用， 互相验证。例如在全球变化研究，常常把碳、氢、氧的 三种同位素结合使用，同时分析，同时测定。在研究天 然水的同位素组成时更是不可分离。
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雨水线
1）雨水线不过原点（海水值）； 2）干旱和热带地区雨水线的斜率小于8 3）不同区域雨水线实际上有一定的差别。例如， 我国八个城市雨水H、O同位素的关系为： δD= 7.9δ18O + 8.2
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2.水~岩同位素交换反应 当大气降水同岩石接触，水与矿物（岩石）之间发生氧同 位素交换反应：
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• 3.矿物晶格的化学键对氧同位素的选择 • 实验证明： • Si—O—Si键矿物18O最富; • Si—O—Al，Si—O—Mg，Si—O—Fe 其
次; • 含（OH）的矿物 18O最贫。 • 这与水分子富集16O的规律是一致的。
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造岩矿物富集 18O 顺序
18O 降低
石英
碱性长石
白榴石
➢沉积岩中比较富18O
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（二）氧同位素的应用
1.讨论有关岩石的成因问题
幔 源 镁 、 铁 质 岩 石 18O/16O 与 球 粒 陨 石 基 本 一 致 （2.03~2.04×1wk.baidu.com-3），其δ18O变化范围很窄(5~7‰) 。这是用氧 同位素来判断幔源岩石的重要证据之一。这与矿物化学键对 18O同位素选择富集有关。
1/2Si16O2+H218O 1/2Si18O2+H216O (25℃，α=1.0492)
其结果是岩石中富集了18O，水中富集了16O。由于大部分 岩石中氢的含量很低，因此，在水~岩交换反应中氢同位素 成分变化不大。有实验证明，在含OH的矿物中，水-岩反应 结果使得矿物的δD增高。 原因：键强度
87 Rb 87Sr 147Sm 143Nd
2
(二) 氧、氢同位素地球化学
氢和氧是自然界中的两种主要元素，它们以单质和化合物的形式
遍布全球。水是一种极为重要的氢氧化合物。
氢和氧是生物圈的最基本的物质组成，是各种生物赖以生存的基
础。
氢和氧是地壳的重要组成成分。
氢和氧是大气的重要组成部分。
➢自然界中由于以上氧同位素的分馏作用，使得在不同地质体
中，氧同位素成分有明显变化，一般规律：
有机体和CO2中 18O/16O：2.1×10-3，最高 地表水（H2O） 18O/16O：1.98×10-3，最低 ➢岩 浆 岩 、变 质 岩 以及 高 温 形成 的 碳 酸盐 岩 居 中 18O/16O ： 2.01~2.04×10-3
“I”型花岗岩 δ18O＜10‰ “S”型花岗岩 δ18O＞10‰
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氢氧稳定同位素分馏
自然界中氢、氧同位素的分馏主要是蒸发、凝 结过程的同位素分馏和水与岩石圈、大气圈及 生物圈的不同物质之间的同位素交换引起的。
动力过程，如植物的光合作用、呼吸作用等也 能引起较小的同位素分馏。
蒸发时，较轻的同位素组分（1H和16O）总是优 先富集在气相中，富集的顺序取决于温度。
霞石
钙长石
海绿石
石榴石
黑云母
橄榄石
白云石 方解石
蓝晶石
十字石 普通辉石
榍石
硬石膏 角闪石
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4．生物化学作用
➢植物光合作用的结果使18O在植物体中富集，放出O2富含16O： 2H216O+C18O2 2(HC18OH)n+16O2
➢光合作用的实质是水的去氢作用，植物将水分解，吸收其中 的H与CO2结合成有机化合物分子。实测活的生物体、有机体、 生物碳酸盐都具有高的18O。
在气、液相之间发生H、O同位素的物理分馏。
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氢氧同位素的纬度效应: 由于水分子经过反复多次蒸发~凝聚 过程使得内陆及高纬度两极地区的蒸气相（雨、雪）中集中了 最轻的水（δ18O、δD趋向更大负值）；大洋及赤道地区出现 重水（δ18O、δD趋向更大正值）。
赤道大洋：蒸发→大气中轻同位素富集→空气凝聚过程→ 重分子优先成雨→再进入海水→大气中轻同位素更加富集。 水蒸汽运移：赤道→内陆/低纬度→高纬度 结果：赤道海水富集重同位素；高纬度内陆雨、雪富集轻 同位素。
三、稳定同位素地球化学
➢基本概念 ➢氧、氢同位素地球化学
自然界氧、氢同位素分馏的主要原因 氧同位素的应用
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(一) 基本概念
稳定同位素又分重稳定同位素和轻稳定同位素。 • 轻稳定同位素：
1）原子序数Z＜20，ΔA/A≥10% (ΔA 为两同位素质量差)； 2）发生同位素成分变化的主要原因是同位素分馏作用，其反应是 可逆的。 例：O、H、S、C、N元素的同位素。 • 重稳定同位素： 1）原子序数Z＞20，ΔA/A＜10%； 2）发生同位素成分变化的主要原因是放射性核素不断衰变的结果 所造成的，这种变化是不可逆的。 238U→206Pb、235U→207Pb、232Th→208Pb， 其中87 Sr、143Nd、206Pb、207Pb、208Pb是重稳定同位素。
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(二) 氧、氢同位素地球化学
（一）自然界氧、氢同位素分馏的主要原因
1.蒸发~凝聚分馏：
氢有两种稳定同位素（H、D），氧有三种同位素（16O、
17O、18O）；水可能有九种同位素分子组合：
H216O HD16O D216O H217O HD17O D217O H218O HD18O D218O 水在蒸发过程中轻水分子H216O比重水分子D218O易于富集 在蒸汽相中，而凝聚作用相反，重的水分子优先凝结。因此
由氢和氧组成的水（H2O）不仅参与自然界的各种化学反应和地 质作用，而且也是自然界各种物质运动、循环和能量传递的主要
媒介物。
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氢氧稳定同位素的丰度
➢ 氢同位素
氢有两个稳定同位素：氕（1H）和氘(2H)。氕的天然平均 丰度：99.9844％；氘的天然平均丰度：0.0156％。
1H和2H彼此间有着最大的相对质量差（100％），因而同位 素分馏特别明显。地球上氢同位素分馏范围达700‰，这一 特点对于氢同位素的地球化学行为的研究非常有利。
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➢ 氧同位素
氧有三个主要的稳定同位素：16O、17O、18O。它们的 平均丰度为：16O＝99.762％；17O＝0.038％；18O＝ 0.200％（它们的比例16O:17O:18O＝500:0.2:1）。 通常我们能够把氧同位素和其它同位素结合起来使用， 互相验证。例如在全球变化研究，常常把碳、氢、氧的 三种同位素结合使用，同时分析，同时测定。在研究天 然水的同位素组成时更是不可分离。
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雨水线
1）雨水线不过原点（海水值）； 2）干旱和热带地区雨水线的斜率小于8 3）不同区域雨水线实际上有一定的差别。例如， 我国八个城市雨水H、O同位素的关系为： δD= 7.9δ18O + 8.2
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2.水~岩同位素交换反应 当大气降水同岩石接触，水与矿物（岩石）之间发生氧同 位素交换反应：
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• 3.矿物晶格的化学键对氧同位素的选择 • 实验证明： • Si—O—Si键矿物18O最富; • Si—O—Al，Si—O—Mg，Si—O—Fe 其
次; • 含（OH）的矿物 18O最贫。 • 这与水分子富集16O的规律是一致的。
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造岩矿物富集 18O 顺序
18O 降低
石英
碱性长石
白榴石
➢沉积岩中比较富18O
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（二）氧同位素的应用
1.讨论有关岩石的成因问题
幔 源 镁 、 铁 质 岩 石 18O/16O 与 球 粒 陨 石 基 本 一 致 （2.03~2.04×1wk.baidu.com-3），其δ18O变化范围很窄(5~7‰) 。这是用氧 同位素来判断幔源岩石的重要证据之一。这与矿物化学键对 18O同位素选择富集有关。
1/2Si16O2+H218O 1/2Si18O2+H216O (25℃，α=1.0492)
其结果是岩石中富集了18O，水中富集了16O。由于大部分 岩石中氢的含量很低，因此，在水~岩交换反应中氢同位素 成分变化不大。有实验证明，在含OH的矿物中，水-岩反应 结果使得矿物的δD增高。 原因：键强度
87 Rb 87Sr 147Sm 143Nd
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(二) 氧、氢同位素地球化学
氢和氧是自然界中的两种主要元素，它们以单质和化合物的形式
遍布全球。水是一种极为重要的氢氧化合物。
氢和氧是生物圈的最基本的物质组成，是各种生物赖以生存的基
础。
氢和氧是地壳的重要组成成分。
氢和氧是大气的重要组成部分。
➢自然界中由于以上氧同位素的分馏作用，使得在不同地质体
中，氧同位素成分有明显变化，一般规律：
有机体和CO2中 18O/16O：2.1×10-3，最高 地表水（H2O） 18O/16O：1.98×10-3，最低 ➢岩 浆 岩 、变 质 岩 以及 高 温 形成 的 碳 酸盐 岩 居 中 18O/16O ： 2.01~2.04×10-3