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1、稳定同位素地球化学,储雪蕾 Institute of Geology and Geophysics Chinese Academy of Sciences (联系电话：82998417；E-mail：xlchu),（第二讲）,III. H、O同位素基本原理,1 基础知识,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%。,自然界中氢、氧同位素丰度,SMOW
2、(Standard Mean Ocean Water) 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 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N
3、a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,d18O () +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,注：泥岩经过中低度变质作用。,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
4、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。,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。,蒸发过程同位素分馏（动力学分馏）,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
5、/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D和18O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值为： D = -69， 18O = -9,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D-94和18O= -13，比平衡分馏蒸发的理论计算（25C平衡
6、时水蒸汽体的D = -69和18O = -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%）。,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D和18O，液相中富集D和18O。,凝聚过程同位素分馏,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，D值一般在 +50 -500，18O值一般在 +10 -55 。,影响大气
7、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D和18O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D和18O值也越低。 自然界最富集轻同位素的水是南极雪(冰)水： D值为 -428.5，18O值为 -55.5。,2）海拔高度效应 高度上升，则大气降水的D和18O值减少。一般对于D值，每升高100m，降低1.2 4；对于18O 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D和18O值越降低。例如，广州，昆明和拉萨的年平均降雨的D值分别为29，76和131。,中国大气降水的氢同位素分布图,
8、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D和18O值相对低；在夏季或雨季，D和18O值相对高。 第二是降雨量效应。降雨量大，大气降水的D和18O值相对高；降雨量小，D和18O值相对低。,美国大陆大气降水的氧同位素控制因素,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
9、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。,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。,此外，湖水还受着蒸发作用的影响。由于蒸发作用的
10、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：D 0，18O 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D 和18O值一般大于零。 （2）两极的深海水流。D和18O值一般小于 零,受冰川作用影响。冰川D和18O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。,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
11、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D值一般在 40 85，18O值一般在 +5.5 9.5 。,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D值与18O值间有明显的线性关系（Craig,1961），该关系式如下：,D = 818O + 10,但在实际中，有些地区雨水D与18O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
12、水H、O同位素的关系为： D = 7.918O + 8.2,WdiH2O + Rdirock = WdfH2O + Rdfrock,i：初始值； f：交换后的最终值； W：大气降水的氧原子百分数； R：岩石的氧原子百分数,(W/R)封闭 =,dfrock - dirock,diH2O (dfrock D),D dfrock - dfH2O 与交换时温度有关,2.4 水/岩交换作用,1) 封闭系统,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
13、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,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。,Oxygen and hydrogen isotope studies of plutonic granitic rocks,Taylor, H.P., Jr. (1978) Earth and Planetary Science Letters, 38: 1
14、77-210,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。,科学问题：,来自上地幔的岩浆同位素应是均匀的，d18O 值在 +5.5 到 +7.0 （SMOW) 且 dD 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 d18O 和 dD 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d18O 约为+12 , SMOW)。,基本知识:,d18O值 小于+6 的花岗岩： 低 18O 花岗岩 d18O
15、值 在+6 和 +10 之间的花岗岩： 正常 18O 花岗岩 d18O值 大于+10 的花岗岩： 高 18O 花岗岩,主要三种花岗岩类型:,注意: 低18O 花岗岩的 dD值都 小于-85 , 常常低到 -150 , 而其它类型花岗岩的 dD值 在-50到-85 之间。,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 d18O 值在 +6 到 +9 的范围, 且 d18O 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。,from Taylor (1978),同化混染,（阳起石）,（叶蛇纹石）,（奥长花岗岩）,from Taylor( 1978),与大气降水的高温水/岩交换,苏格兰西部Skye岩体,SKYE,from Taylor (1978),Mull岛杂岩体,from Taylor (1978),与大气降水的交换,石英
