同位素讲座-2-2010

1、稳定同位素地球化学稳定同位素地球化学储雪蕾（第二讲）（第二讲）III. HIII. H、O O同位素基本原理同位素基本原理1 1 基础知识基础知识 自然界氢有两种天然稳定同位素：自然界氢有两种天然稳定同位素：1H和和D(2H)。它们的丰度分别为：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：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：它们的丰度分别为： 16O: 99.762% 17O: 0.038% 18O: 0.200%。自然界中氢、氧同位素丰度自然界中氢、氧同位素丰度SMOW (Stan

2、dard Mean Ocean Water)标准平均海洋水，作为世界统一标准。其标准平均海洋水，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。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氧同位素组成分布自然界中氢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平衡同位素分馏时1818O O富集顺序富集顺序化学键对氧同位素分配的控制化学键对氧同位素分配的控制硅酸盐矿物结

3、构：硅酸盐矿物结构： 岛状岛状 单链单链 双链双链 层状层状 架状架状硅氧键与铝氧键：硅氧键与铝氧键： Al-O Si-O 双键：双键： C=O比一般单键结合能强，所以碳酸盐比一般单键结合能强，所以碳酸盐相对富相对富18O。1818O O在变质矿物中的富集顺序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 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注：泥岩经

4、过中低度变质作用。2 2 水与水水与水/ /岩交换作用岩交换作用全球的水循环全球的水循环 2.1 2.1 水循环（蒸发与凝聚过程）水循环（蒸发与凝聚过程） 天然水是天然水是H216O，HD16O，D216O，H217O，HD17O，D217O，H218O，HD18O，和，和D218O等不同类型同位素等不同类型同位素水分子的聚合体。最轻的同位素水分子水分子的聚合体。最轻的同位素水分子H216O在天然水在天然水的含量中占绝对多数。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一种大面积的H、O同位素的交换过程。该过程对于同

5、位素的交换过程。该过程对于海洋，大气，大陆地表水的海洋，大气，大陆地表水的H 、 O同位素组成有重要同位素组成有重要影响。影响。 当水蒸发时，由于较轻的水同位素分子的零点当水蒸发时，由于较轻的水同位素分子的零点能（能（E0）较高，饱和蒸汽压较低，所以轻同位素）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，气体中的轻分子优先富集于蒸汽相中进入空间，气体中的轻同位素同位素16O和和H的含量增加。的含量增加。 相对而言，留下的水中富集重同位素分子，水相对而言，留下的水中富集重同位素分子，水中的重同位素中的重同位素18O和氘和氘 (D) 的含量增加。的含量增加。蒸发过程同位素分馏（

6、动力学分馏）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，水当水蒸发过程进行的很慢时，水/汽界面处于同汽界面处于同位素平衡状态。位素平衡状态。 在在25 C时，在同位素平衡分馏条件下水分子蒸时，在同位素平衡分馏条件下水分子蒸发，水发，水/汽之间的分馏系数是：汽之间的分馏系数是： 水水-气气（D/H）= 1.074 水水-气气（18O/16O）= 1.0092这就是说，海洋上空与海水平衡之水蒸汽的这就是说，海洋上空与海水平衡之水蒸汽的D和和18O值分别比海洋水低接近值分别比海洋水低接近74和和9.2。 由此分馏系数可以计算出，在由此分馏系数可以计算出，在25 C时，当水从时，当水从

7、海洋表面蒸发时气体的海洋表面蒸发时气体的值为：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，一般呈非素平衡。但是，当空气湿度相对低时，一般呈非平衡蒸发状态。平衡蒸发状态。 如果水的蒸发速度进行得很快，水如果水的蒸发速度进行得很快，水/汽之间的汽之间的同位素分馏就会出现不平衡状态。同位素分馏就会出现不平衡状态。 实际上太平洋上

8、空实际上太平洋上空水蒸汽平均为水蒸汽平均为D-94和和18O= -13，比平衡分馏蒸发的理论计算，比平衡分馏蒸发的理论计算（25 C平衡时水蒸汽体的平衡时水蒸汽体的D = -69和和18O = -9）低一些，这是由于在自然界的蒸发作用多低一些，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，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，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因为相对湿度基本在100。当从海洋表面。当从海洋表面蒸发水蒸汽时，水气中亏损蒸发水蒸汽时，水

9、气中亏损D和和18O，液，液相中富集相中富集D和和18O。凝聚过程同位素分馏凝聚过程同位素分馏2.2 2.2 水及主要水的库源水及主要水的库源1 1） 大气降水大气降水 所有大陆地表水，例如江水，河水，湖水，冰所有大陆地表水，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，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。表面的蒸发。 大气降水的同位素组成变化较大，大气降水的同位素组成变化较大，D值一般在值一般在 +50 -500，18O值一般在值一般在 +10 -55 。 影响大气降

10、水影响大气降水H H、O O同位素组成的因素：同位素组成的因素：1 1）纬度效应）纬度效应纬度增加，则大气降水的纬度增加，则大气降水的D和和18O值减少。值减少。 随着从海面蒸发的水汽的不断降雨的过程，剩余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的水汽中越来越亏损D和和18O，其雨水和雪水中的，其雨水和雪水中的D和和18O值也越低。值也越低。 自然界最富集轻同位素的水是南极雪自然界最富集轻同位素的水是南极雪(冰冰)水：水： D值为值为 -428.5，18O值为值为 -55.5。2 2）海拔高度效应）海拔高度效应高度上升，则大气降水的高度上升，则大气降水的D和和18O值减少。

11、值减少。一般对于一般对于D值，每升高值，每升高100m，降低，降低1.2 4；对于对于18O 值，每升高值，每升高100m，降低，降低0.15 0.5。 3 3）大陆效应）大陆效应越向内陆，大气降水的越向内陆，大气降水的D和和18O值越值越降低。例如，广州，昆明和拉萨的年平均降低。例如，广州，昆明和拉萨的年平均降雨的降雨的D值分别为值分别为29，76和和131。 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 4）季节效应）季节效应第一是第一是温度效应温度效应。在冬季或干旱季节，大气。在冬季或干旱季节，大气降水的降水的D和和18O值相对低；在夏季或雨季，值相对低；在夏季或雨季，D和

12、和18O值相对高。值相对高。 第二是第二是降雨量效应降雨量效应。降雨量大，大气降水的。降雨量大，大气降水的D和和18O值相对高；降雨量小，值相对高；降雨量小，D和和18O值值相对低。相对低。 美国大陆大气降水的氧同位素控制因素美国大陆大气降水的氧同位素控制因素2 2） 河水河水 河水有两种补给源：大气降水和地下水。不河水有两种补给源：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。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。成反映大气降水的特征，具有季节

13、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。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，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大量冰雪融化，融水与夏季降雨相比亏损D和和18O，甚至低于冬季降雨。甚至低于冬季降雨。 总之，纬度，高度，离岸远近，季节（温度）总之，纬度，高度，离岸远近，季节（温度）等因素都对河流

14、体系的同位素组成有影响，这些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。组成都有变化。3 3） 湖水湖水 湖水的同位素组成与水源的补给类型，湖泊所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的地区，还可以是海水。这

15、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，大陆效应和高度成存在季节性变化，纬度效应，大陆效应和高度效应。效应。 此外，湖水还受着蒸发作用的影响。由于蒸发此外，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。泊中最为突出。4 4） 海水海水 现代海洋：现代海洋：D 0，18O 0 （SMOW），组），组成变化小。成变化小。 由于表层海水优先逃逸

16、由于表层海水优先逃逸H2O16，所以表层海水，所以表层海水相对富集重同位素。相对富集重同位素。 影响海水影响海水H、O同位素组成的因素：同位素组成的因素：（1）海水表层的蒸发和扩散。海水表层的）海水表层的蒸发和扩散。海水表层的D 和和18O值一般大于零。值一般大于零。（2）两极的深海水流。）两极的深海水流。D和和18O值一般小于值一般小于 零零,受冰川作用影响。冰川受冰川作用影响。冰川D和和18O值远小值远小 于零。于零。（3）海底火山喷发和洋中脊热液作用影响。）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。）近岸大陆河水的影响。（5）降雨量的大小，对表层海水有影响。）降雨量的大

17、小，对表层海水有影响。 5 5）地热水和热卣水）地热水和热卣水6 6）岩浆水）岩浆水岩浆水指岩浆中的水，或由岩浆派生出的水。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，水含量分。在达数千巴压力下，硅酸盐熔浆中，水含量可达可达5%（重量）。岩浆岩大多形成在（重量）。岩浆岩大多形成在600 1100 C，在高温下矿物与岩浆水的分馏系数很小，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因此岩浆与深成岩的氢和氧同位素组成与岩浆水的相近。的相近。岩浆水的岩浆水的D

18、值一般在值一般在 40 85，18O值值一般在一般在 +5.5 9.5 。2.3 2.3 雨水线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：雨水线： 全球雨水全球雨水H, O同位素组成的一个重要特征是同位素组成的一个重要特征是D值与值与18O值值间有明显的线性关系（间有明显的线性关系（Craig,1961），该关系式如下：），该关系式如下：D = 818O + 10 但在实际中，有些地但在实际中，有些地区雨水区雨水D与与18O的关系的关系往往与上述雨水线方程往往与上述雨水线方程有偏差。例如，我国八有偏差。例如，我国八个城市雨水个城市雨水H、O同位同位素的关系为：素的关系为： D =

19、 7.918O + 8.2WiH2O + Rirock = WfH2O + Rfrocki：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 =frock - irockiH2O (frock D)D frock - fH2O 与交换时温度有关2.4 2.4 水水/ /岩交换作用岩交换作用1) 1) 封闭系统封闭系统2) 2) 开放系统开放系统(W/R)开放 = ln (W/R)封闭 1IV. IV. 火成岩研究中火成岩研究中H H、O O同位素同位素1 1 岩浆结晶分异岩浆结晶分异2 2 岩浆去岩浆去H H2 2O O或或H H2 2S S气作用气

20、作用氢同位素效应氢同位素效应实例实例岩浆去岩浆去H H2 2O O或去或去COCO2 2作用作用氧同位素效应氧同位素效应岩浆去岩浆去COCO2 2作用作用碳同位素效应碳同位素效应实例实例变质作用脱变质作用脱COCO2 23 3 岩浆混合作用岩浆混合作用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 gra

21、nitic rocksD18OTaylor, H.P., Jr. (1978) Earth and Planetary Science Letters,38: 177-210 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；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对岩浆的影响。科学问题：科学问题： 来自上地幔的岩浆同位素应是均匀的，来自上地幔的岩浆同位素应是均匀的， 18O 值在值在+5.5 到到 +7.0 （SMOW) 且

22、且 D 值在值在-50 到到 -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在高温岩浆过程中一般不可能产生大的同位素分馏作用。用。 近地表的流体（如海水、大气降水）的近地表的流体（如海水、大气降水）的 18O 和和 D 值值与原始岩浆的同位素组成明显不同。与原始岩浆的同位素组成明显不同。 沉积岩明显富沉积岩明显富18O，（，（例如：泥岩的例如：泥岩的 18O 约为约为+12 , SMOW)。基本知识基本知识: 18O值值 小于小于+6 的花岗岩：的花岗岩：低低 18O 花岗岩花岗岩 18O值值 在在+6 和和 +10 之间的花岗岩：之间的花岗岩：正常正常 18O 花岗

23、岩花岗岩 18O值值 大于大于+10 的花岗岩：的花岗岩：高高 18O 花岗岩花岗岩主要三种花岗岩类型主要三种花岗岩类型:注意注意: 低低18O 花岗岩的花岗岩的 D值都值都 小于小于-85 , 常常低到常常低到 -150 , 而其它类型花岗岩的而其它类型花岗岩的 D值值 在在-50到到-85 之间。之间。氧同位素体系氧同位素体系“正常花岗岩正常花岗岩”的的18O富集顺序（由贫至富）：富集顺序（由贫至富）：磁铁矿磁铁矿 黑云母黑云母 角闪石角闪石 白云母白云母 斜长石斜长石 碱性长石碱性长石 石英石英正常的火成岩全岩的正常的火成岩全岩的 18O 值在值在 +6 到到 +9 的范围的范围, 且且

24、 18O 值由低至高的顺序为值由低至高的顺序为 :辉长岩辉长岩 英云闪长岩英云闪长岩 闪长岩闪长岩 花岗岩花岗岩花岗岩相对富花岗岩相对富18O，可能是由矿物的结晶分异或受沉积可能是由矿物的结晶分异或受沉积岩的同化混染。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与大气降水的高温水/岩交换岩交换苏格兰西部苏格兰西部Skye岩体岩体SKYEfrom Taylor (1978)Mull岛杂岩体岛杂岩体from Taylor (1978)与大气降水的交换与大气降水的交换石英与长石之间的氧同位素分馏石

25、英与长石之间的氧同位素分馏石英长石石英石英长石长石水水/ /岩比值岩比值(W/R)封闭 =frock - irockiH2O (frock D)D frock - fH2O 与交换时温度有关1) 1) 封闭系统封闭系统2) 2) 开放系统开放系统(W/R)开放 = ln (W/R)封闭 1from Taylor (1978)from Taylor (1978)from Taylor (1978)增加与大气降水增加与大气降水的交换的交换增加水增加水/岩比值岩比值 闪长岩二长岩from Taylor (1978)Idaho 岩基岩基（蚀变年龄Ma）from Taylor (1978)Idaho 岩

26、基岩基from Taylor (1978)Idaho 岩基岩基Central剖面剖面from Taylor (1978)Idaho 岩基岩基Atlanta Lobe剖面剖面显示东西向横穿剖面点划线显示向南穿剖面的数据点from Taylor (1978)Idaho 岩基岩基Bitterroot Lobe剖面剖面一个NE-SW向的剖面from Taylor (1978)W/R比值逐渐增加北美西海岸北美西海岸大花岗岩省大花岗岩省from Taylor (1978)中国大别中国大别-苏鲁超高压变质岩研究苏鲁超高压变质岩研究贫贫18O的锆石的锆石Zheng et al. (2004)snowball

27、Earth（雪球地球）荣成M类榴辉岩的氧同位素数据储雪蕾等（2005）样品号采样地矿物18O ()矿物对D18O ()Ta) ()Tb) ()Tc) ()JN92杨官屯Qz18.0Gt15.5Qz-Gt2.5878871828Amp11.3 Qz-Amp6.7308Rt12.6Qz-Rt5.4624588691Ap14.1Qz-Ap3.9327JN94杨官屯Qz21.0Gt18.4Qz-Gt2.6855848806Amp17.6 Qz-Amp3.4621Ap17.1Qz-Ap3.9327JN95杨官屯Qz18.4Gt15.1Qz-Gt3.3728711685Rt11.8Qz-Rt6.6539497599Ap14.6Qz-Ap3.8337V. V. 热液矿床中稳定同位素热液矿床中稳定同位素D18OOxygen and hydrogen isotope relationships in hydrothermal min