03 第三章(氢氧同位素)

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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-8.8 2800 3200 3600 4000
海 海 海 海 （ m）
海 海 海 海 (m)
北大河水δ 北大河水 18O和高程的关系 和高程的关系
黑河水δ 黑河水 18O和高程的关系 和高程的关系
北大河样品的O 随高程变化比较稳定， 北大河样品的 18随高程变化比较稳定，说明源区河水的补给高程比 较稳定，主要来自于高程相近的冰雪融水补给。 较稳定，主要来自于高程相近的冰雪融水补给。
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影响海水同位素组成变化的因素
蒸发量与降雨量之比：δD＝Sδ18O，斜率S取决于区域性的蒸发 量与降雨量之比，如太平洋S＝7.5，北太平洋S＝6.5； 冰雪的堆积与融化：据计算，若全球冰雪融化，海水的δ18O将降 到-1‰，δD降到-10‰； 海底火山活动以及海水与海底岩石、洋壳沉积物之间同位素交换 反应。
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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
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。
研究稳定同位素的组成特征、变化机理、分馏原理 并应用它们作为地球化学示踪剂研究各种地质过程
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Outline
1.氢氧同位素概述 2.天然水的氢氧同位素组成及分布特征 3.氢氧稳定同位素的应用
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1 概
述
氢氧同位素的主要地球化学性质
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。 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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2 天然水的氢氧同位素组成及分布特征
地下水是地球水圈的一部分，它同各种天然 水体之间有着密切联系。在本节我们主要讨论地 下水与其有成因关系的海水、大气降水、陆地地 表水的氢氧同位素组成及其分布特征。
（中国现代大气降水线）
中国现代大气降水的氢氧同位素 组成关系（据郑淑蕙，1983）
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图中我们可以得出什么规律性的东西呢？ 从δD－δ18O图中我们可以得出什么规律性的东西呢？ － 图中我们可以得出什么规律性的东西呢
氘漂移
全球降水线水线
δD
氧漂移 氧漂移 蒸发线
蒸气源水的原始平均同位素组成
δ18O
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氘过量参数（ ） 氘过量参数（d） • 氘过量参数（d） 氘过量参数（ ）
氘过量参数又称为氘盈余。与全球性降水方程相比，任何地区的大 气降水都可以计算出一个氘的过量参数（d）。 （ 氘过量参数被定义为：
作为最大水库的大洋同位素组成相对比较恒定，蒸 发主要发生在赤道附近的大洋中。蒸发过程中，气 相富集H和16O。分馏系数是湿度的函数，湿度越低， α值越大。最早凝聚的雨相对较重，随蒸发过程的 不断进行，随后凝聚成的雨滴愈来愈轻。因此不仅 高纬度地区降水有很负的δD和δ18O值，随高度增加 和深入内陆也有同样现象。
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穿过起伏较大的大陆边缘加拿大西部山脉降水的δ18O变化
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-7.0
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• 纬度效应 大气降水的同位素组成随着纬度的增高而δ值降 低，称为纬度效应。纬度效应主要是温度和蒸气 团运移过程中同位素瑞利分馏的结果。 • 季节性效应 地球上任何一个地区的大气降水的同位素组成都 有存在季节变化，一般夏季的δ值高，冬季低。 这一现象称为“季节性效应”。
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降水方程
δ D=8δ O+10
18
（Craig，1961）
在δD－δ18O图中，它是一条直线，称之为大气降水线（Meteoric Water Line，MWL）。
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2.2 大气降水
影响大气降水同位素组成的因素 • 温度效应
δ
18
0
= 0.695t − 13.6(‰)
δ D = 5.6t-100(‰)
（Dansgaard，1964） Dansgaard 1964
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北美地区不同纬度台站的 δ18O降水季节性变化 降水季节性变化
北半球大陆台站（帕兹台站） 北半球大陆台站（帕兹台站） δT和 δT和δ18O的季节变化
• 高度效应
大气降水的氢氧同位素组成随着高度增加而逐渐降低的现象称为 “高度效应”。高度效应在世界各地变化很大。 当海拔高度较高时，平均气温较低，降水中的氢氧同位素减小。 对18O来说，高度每升高100m，减少量为-0.15‰～-0.5‰，D的变 化为-1‰～-4‰。这种高度效应在地下水研究中是非常有用的， 因为它将可以将高海拔和低海拔补给的地下水分开来。 利用大气降水的高度效应，可以推测计算地下水补给区的高度和 位置。
-6.8
陶 托 陶 陶
-7.2
-8.0
-7.6
边 边 边 边 边
黑 出 黑 中
HX53 HX54 HX52-1
δ Ο
δ Ο
童 童 童 出 八 八 出
18
18
-8.0
-9.0
HX52-2 HX51
37号 号 号
-8.4
二 二 二 托 二 甘 甘 甘 甘
-10.0 2800 3200 3600 4000
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河北平原地下水δD－δ18O关系及d值分布图
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降水线的斜率也是反映分馏程度的一个参数， 我们对其研究很少，不过可以作以下分析：
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2.1 海
水
海水氢氧同位素组成的特征：
深层海水的同位素组成非常接近SMOW，不同海洋区域的δ值 变化很小。 表层海水的氢氧同位素组成变化较大，通常两极地区海水的δ 值较低，赤道地区较高。 海水由于受陆地水的影响，其同位素组成常常偏负。 海水的氢氧同位素组成与盐度之间存在着一定的相关关系。 在地质历史时期，海水的氢氧同位素只有微小的变化。
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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，如植物的光和作用、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 先富集在汽相中，富集的顺序取决于温度。
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第三章 氢氧稳定同位素
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轻元素稳定同位素的基本特点
1.原子量低，一般小于36。 2.同位素相对质量差大。 3.形成共价键，键性与同位素分馏有很大关系。 4.化学价可变，在化合价变化过程中会发生大的同 位素分馏 5.小丰度同位素的相对丰度为千分之几到百分之几， 便于精确测定。
• 大陆效应
降水的同位素组成随远离海岸线而逐步降低
• 降雨量效应
大气降水的平均同位素组成是空气湿度的函数。因此，雨水的平均 同位素组成与当地降雨量存在着某种关系。产生降雨量效应的主要 原因可能与雨滴降落过程中的蒸发效应及与环境水蒸气的交换有关。
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d ＝ δ D -8 δ O
18
（Dansgaard，1984）
d值的大小相当于该地区的降水线斜率为8时的截距。它是云团中 蒸气的同位素性质的一种体现，它不仅能指出蒸发过程是不平衡分 馏，而且它的大小可表示出局部地区云团形成时蒸发速度的快慢。 蒸发速度越快，d值就越大。也就是说，d值可以表示出蒸发过程 的不平衡程度。
δ
18
0
= （0.521 ± 0.014）t-（14.96 ± 0.21）‰
（Y.Yurtsever，1975）
δ
18
0
= 0.35t − 13.0(‰) δ D = 2.8t-94.0(‰)
（郑淑惠 ，1982）
大气降水的同位素组成与温度存在着正相关关系，即温度升高，δ值 增大，温度降低，δ值减小。 但是这种变化在不同地区其变化程度相差很大。
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目前， 值研究还不够， 目前，对d值研究还不够，仅了解到某些局部的规律： 值研究还不够 仅了解到某些局部的规律：
1) 海水在平衡条件下蒸发：大部分岛屿和滨海地区，海面上的饱和层 蒸气与海水处于同位素平衡状态，这时的d值接近于“零”，但是当海洋 高空不平衡蒸气与海面附近的饱和层蒸气相混合产生降水时，d值变小， 有时出现负值。 2) 海水蒸发速度快，不平衡蒸发非常强烈，空气相对湿度低的地区， 氘盈余d就增大。例如东地中海地区，发现了降水中最大的氘过量参数， 其d值高达37‰，某些局部的海洋蒸气源，如波斯湾、红海、黑海等地， 也见有偏高的d值。 3) 全球降水线的d＝10‰，是一个统计的结果。