同位素地球化学5

5.3稳定同位素地球化学5.3.1稳定同位素基础及分馏机理5.3.2氢、氧同位素地球化学5.3.3硫同位素地球化学5.3.4碳同位素地球化学11/21/20241第5章同位素地球化学PartⅤ5.3.2氢、氧同位素地球化学5.3.2.1自然界氢氧同位素的分馏5.3.2.2各种自然产状水的氢氧同位素组成5.3.2.3岩石中的氢氧同位素组成5.3.2.4氢氧同位素地球化学应用11/21/20242第5章同位素地球化学PartⅤ氢同位素：1H(氕)2H(氘，D)

3H(氚，T)，

3T是宇宙成因放射性同位素。

氢同位素组成表示：δD（‰）=[(D/H)样品/(D/H)SMOW－1]×100011/21/20243第5章同位素地球化学PartⅤ

16O（99.762%）

17O（0.038%）

18O（0.200%）氧同位素组成：δ18O（‰）=[(18O/16O)样品/(18O/16O)标准－1]×1000氧稳定同位素11/21/20244第5章同位素地球化学PartⅤ5.3.2.1自然界氢氧同位素的分馏(看书了解)1、蒸发-凝聚分馏2、水-岩同位素平衡3、矿物晶格的化学键对氧同位素的选择4、生物同位素分馏11/21/20245第5章同位素地球化学PartⅤ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

HD16OD216OH217OHD17OD217OH218OHD18O

D218O

1、蒸发-凝聚分馏11/21/20246第5章同位素地球化学PartⅤ实验测试25℃时液相（l）和气相（v）间氢氧同位素分馏系数为：αl-v=(18O/16O)l/(18O/16O)v=1.0029αl-v=(D/H)l/(D/H)v=1.01711/21/20247第5章同位素地球化学PartⅤ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）。这就是“氢氧同位素的纬度效应”

11/21/20248第5章同位素地球化学PartⅤ蒸发-凝聚分馏δD=8δ18O+1011/21/20249第5章同位素地球化学PartⅤ1/2Si16O2+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。

2、水-岩同位素平衡11/21/202410第5章同位素地球化学PartⅤ3、矿物晶格的化学键对氧同位素的选择最富:Si—O—Si键矿物18O；其次:Si—O—Al，Si—O—Mg，Si—O—Fe;最贫:含（OH）的矿物18O.11/21/202411第5章同位素地球化学PartⅤ4、生物同位素分馏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。

11/21/202412第5章同位素地球化学PartⅤ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沉积岩中比较富18O。

11/21/202413第5章同位素地球化学PartⅤ5.3.2.2各种自然产状水的氢氧

同位素组成1、大气降水☆2、温泉和地热水3、封存水（包括深成热卤水、油田卤水）4、变质水5、原生水及岩浆水☆11/21/202414第5章同位素地球化学PartⅤ大气降水线δD=8δ18O+1011/21/202415第5章同位素地球化学PartⅤ1、大气降水☆大气降水氢氧同位素组成：

δD=－350‰~+100‰；δ18O=－50‰~+5‰δD

和δ18O一般小于0大气降水同位素组成影响因素（看书）：①大陆效应②纬度效应③高度效应④季节效应11/21/202416第5章同位素地球化学PartⅤ2、温泉和地热水大气降水深循环加热的水δD与当地纬度有关δ18O变化大11/21/202417第5章同位素地球化学PartⅤ11/21/202418第5章同位素地球化学PartⅤ3、封存水

大气降水和海水深循环后长期封存（不流动）的产物，以高温和高矿化度为特征。

δD=－120‰~－25‰；

δ18O=－16‰~+25‰11/21/202419第5章同位素地球化学PartⅤ11/21/202420第5章同位素地球化学PartⅤδD=－140‰~－20‰；δ18O=－16‰~+25‰高温变质水与岩石达到同位素交换平衡，因此，变质热液的同位素组成指示变质环境、原岩性质和流体来源。

4、变质水11/21/202421第5章同位素地球化学PartⅤ来自地幔的与铁、镁超基性岩平衡的水称为原生水；

δD=－85‰~－50‰；

δ18O=5‰~+9‰岩浆水指的是高温硅酸盐熔体所含的水及其分异作用形成的水：

δD=－80‰~－50‰；

δ18O=6‰~+10‰5、原生水及岩浆水☆11/21/202422第5章同位素地球化学PartⅤ5.3.2.3岩石中的氢氧同位素组成1、岩浆岩2、沉积岩3、变质岩11/21/202423第5章同位素地球化学PartⅤ1、岩浆岩达到同位素平衡时花岗岩中矿物的δ18O值（‰）为：石英（8.9~10.3）→碱性长石（7.0~9.1）→斜长石（5.5~9.3）→角闪石（5.9~9.3）→黑云母（4.4~5.6）→磁铁矿（1.0~3.0）。达到同位素平衡时相邻矿物间的δ18O（‰）相差约1.5～2。

岩浆岩中矿物的氧同位素组成与鲍温反应序列相反，早期高温形成的矿物低，晚期低温形成的矿物高，同位素分馏有关。11/21/202424第5章同位素地球化学PartⅤ11/21/202425第5章同位素地球化学PartⅤ2、沉积岩①沉积岩中的氢氧同位素组成受两个主要反应控制：1）水-岩同位素平衡，低温水-岩同位素反应分馏强烈；2）生物分馏，生物沉积岩中出现地壳中最高的δ18O和δD值。11/21/202426第5章同位素地球化学PartⅤ2、沉积岩②各种沉积岩的特点：1）碎屑沉积岩—

δ18O岩浆岩（5~10‰）＜δ18O＜δ18O黏土矿物（20~30‰）2）化学风化矿物—

黏土矿物

δ18O：13‰~28‰，

δD：－35‰~－125‰11/21/202427第5章同位素地球化学PartⅤ11/21/202428第5章同位素地球化学PartⅤ3）海相硅质岩和燧石燧石的氧同位素组成随地质体时代变老有变小趋势。4）海相碳酸盐—氧同位素组成一般是最高的，不同时代海相碳酸盐的氧同位素组成趋势与燧石相同。同时代淡水碳酸盐的δ18O低于海水的δ18O（28~30‰）11/21/202429第5章同位素地球化学PartⅤ3、变质岩变质岩的氢、氧同位素组成与变质岩原岩、变质温度、变质流体、变质作用类型及变质岩形成环境等诸多因素有关。区域变质作用过程中，随变质程度增高，岩石的δ18O值逐渐降低。

11/21/202430第5章同位素地球化学PartⅤ5.3.2.4氢氧同位素地球化学应用1.地质温度计①原理/公式:1000lnα=A×106/T2+B1000lnαA-B≈δA-δB=A×106/T2+B②前提③氧同位素测温法：1）外部测温法—矿物-水测温；2）内部测温法—共生矿物法11/21/202431第5章同位素地球化学PartⅤ外部测温法—矿物-水测温外部测温注意点11/21/202432第5章同位素地球化学PartⅤ内部测温法—共生矿物法11/21/202433第5章同位素地球化学PartⅤ举例以石英、方解石共生矿物对为例：1000lnα石英-水=3.38×106T－2－3.401000lnα方解石-水=2.78×106T－2－3.40则石英—方解石氧同位素温度计为：1000lnα石-方=(3.38－2.78)·(106T－2)+[－3.40－（－3.40）如果已知石英和方解石的δ18O值，就可以获得二者平衡沉淀温度。

11/21/202434第5章同位素地球化学PartⅤ可用来计算水介质的氢、氧同位素组成。其条件是，当某矿物的氢、氧同位素组成及其形成温度是可知时，便可根据有关方程，计算出介质水的氢、氧同位素组成：1000lnα矿物—水=δ18O矿—δ18O水

=(α/T2)+b

外部测温法（反用）11/21/202435第5章同位素地球化学PartⅤ2氢氧同位素示踪①确定成矿流体的来源☆②确定岩石成因☆③岩石氧同位素组成与地球动力学意义④古气候示踪11/21/202436第5章同位素地球化学PartⅤ①确定成矿流体的来源矿床学研究中一个重要的问题是成矿溶液的来源及其在成矿过程中的演化特征，而水是成矿流体的基本组分，因此研究成矿溶液中水的来源是揭示矿床成因的关键。形成金属矿床的成矿溶液可来自于热卤水、同生水、大气降水、变质水和岩浆水等，而成矿溶液中水的氢氧同位素组成是研究不同成因水的重要示踪剂。

11/21/202437第5章同位素地球化学PartⅤ11/21/202438第5章同位素地球化学PartⅤSheappard对南北美洲环西太平洋斑岩成矿带氧、氢同位素组成的研究，从北到南采集两种类型的蚀变矿物，测定其氢、氧同位素组成：1)

钾化带蚀变黑云母：

δ18O，δD稳定，不随纬度而变化；2)

青盘岩化带（泥化带）绢云母：δ18O，δD随纬度而变化，具明显“纬度效应”。11/21/202439第5章同位素地球化学PartⅤ这一规律示踪的地球化学信息：斑岩铜钼矿床钾化带蚀变以岩浆水作用为主导，而围岩中青盘岩化蚀变当地围岩中的大气降水起到了重要的作用；斑岩矿床成矿蚀变流体是多源的。11/21/202440第5章同位素地球化学PartⅤ作业11/21/202441第5章同位素地球化学PartⅤ②确定岩石的成因氧同位素研究可有效确定火成岩的物质来源，并据此进行岩石成因类型的划分。例如对花岗岩研究来说，来自于陆壳碎屑物质部分熔融形成的S型花岗岩，其δ18O值一般大于10，而来自陆壳火成物质部分熔融形成的I型花岗岩一般δ18O小于10，由幔源岩浆分异形成的M型花岗岩，其δ18O值较低。11/21/202442第5章同位素地球化学PartⅤ根据花岗岩的δ18O值判断其物质来源：I型δ18O＜10（8~9）S型δ18O

＞1011/21/202443第5章同位素地球化学PartⅤ③岩石氧同位素组成与地球动力学意义11/21/202444第5章同位素地球化学PartⅤ11/21/202445第5章同位素地球化学PartⅤ大别-苏鲁超高压变质带中的榴辉岩（石榴子石+绿辉石）

δ18O=－10.4‰~7.4‰。11/21/202446第5章同位素地球化学PartⅤ这表明超高压变质岩的原岩是近地表火山岩并与大气降水进行过强烈的水-岩作用，从而揭示了榴辉岩的原岩在俯冲到地幔深度后其氧同位素组成并没有受上地幔氧同位素组成（约为5.7‰）的影响而被保存下来，反映超高压变质作用形成的榴辉岩在地幔中存留的时间很短和有限的壳幔相互作用，表明榴辉岩形成后的快速折返。

11/21/202447第5章同位素地球化学PartⅤ④古气候示踪11/21/202448第5章同位素地球化学PartⅤ5.3.3硫同位素地球化学5.3.3.1自然界中硫同位素的分馏作用5.3.3.2自然体系中硫同位素组成5.3.3.3硫同位素地质温度计5.3.3.4硫同位素在成矿作用中的示踪意义11/21/202449第5章同位素地球化学PartⅤ32S——95.02%33S——0.75%34S——4.21%36S——0.02%硫同位素组成表示：δ

34S

（‰）=[(34S/32S)样品/(34S/32S)PDB－1]×1000

硫稳定同位素种类11/21/202450第5章同位素地球化学PartⅤ5.3.3.1自然界中硫同位素的分馏作用自然界硫分馏显著（看书）①化学动力学分馏②生物动力分馏③热力学平衡分馏11/21/202451第5章同位素地球化学PartⅤ①化学动力学分馏—氧化和还原反应中产生的同位素分馏。H234S+32SO42－→H232S+34SO42－

（α=1.075）分馏系数与温度呈反相关11/21/202452第5章同位素地球化学PartⅤ生物成因硫化物的δ34S

（‰）一般小于0，负值越高生物成因可能性越大。②生物动力分馏11/21/202453第5章同位素地球化学PartⅤ③热力学平衡分馏平衡共生条件下，不同价态硫同位素分馏特征为：δ34S值S2－＜S2－＜S0＜SO2＜SO42－11/21/202454第5章同位素地球化学PartⅤ在平衡状态下，硫酸盐δ34S值大于硫化物1）硫酸盐34S值：铅矾＜重晶石＜天青石＜石膏；2）硫化物δ34S值：辉铋矿＜辉锑矿＜辉铜矿＜方铅矿＜斑铜矿＜黄铜矿＜闪锌矿＜黄铁矿＜辉钼矿.

11/21/202455第5章同位素地球化学PartⅤ5.3.3.2自然体系中硫同位素组成1.大气圈、水圈和生物圈硫同位素组成2.各类地球岩石硫同位素组成☆11/21/202456第5章同位素地球化学PartⅤ1.大气圈、水圈和生物圈硫同位素组成①大气硫存在形式：气溶胶中硫酸盐和气态H2S、SO2。②大气硫来源A天然来源火山喷发H2S、SO2(δ34S=－10‰~10‰)；海水蒸发盐δ34S=20‰)；生物成因的H2S和有机硫δ34S=－30‰~10‰)；B人工污染：金属硫化物矿石冶炼；石膏粉尘。11/21/202457第5章同位素地球化学PartⅤ③水圈发生复杂的氧化-还原作用。水中溶解的SO42－被细菌还原成H2S，δ34S值可降低0~50‰；④生物体中的硫主要赋存在蛋白质中，生物体通过还原硫酸盐形成有机硫。无论是淡水植物还是海洋生物，δ

34S值都低于溶解的硫酸盐。11/21/202458第5章同位素地球化学PartⅤ2.各类地球岩石硫同位素组成①岩浆岩：1)基性-超基性岩δ34S值与陨石硫相似，变化范围小，为－1~2‰。2)酸性岩浆岩δ34S值=－10‰~10‰，变化大，但总均值接近0。3)中酸性火山喷出岩δ34S值变化范围比对应的深成岩大，且一般为正值。11/21/202459第5章同位素地球化学PartⅤ11/21/202460第5章同位素地球化学PartⅤ②沉积岩：开放系统中：硫酸盐和硫化氢的δ34S值稳定。封闭系统中：硫酸盐δ34S值渐大，还原形成的硫化氢δ34S值渐大。11/21/202461第5章同位素地球化学PartⅤ11/21/202462第5章同位素地球化学PartⅤδ34S=－20‰~20‰组成与变质岩原岩、变质作用过程中的W/R反应和同位素交换，以及变质脱气等有关。③变质岩11/21/202463第5章同位素地球化学PartⅤ5.3.3.3硫同位素地质温度计1.原理、前提及公式：1000lnαa-b=δa－δb=A×106/T22.共生矿物对硫同位素平衡标志硫化物δ34S值：辉铋矿＜辉锑矿＜辉铜矿＜方铅矿＜斑铜矿＜黄铜矿＜闪锌矿＜黄铁矿＜辉钼矿3.常用的硫同位素地温计11/21/202464第5章同位素地球化学PartⅤ11/21/202465第5章同位素地球化学PartⅤ11/21/202466第5章同位素地球化学PartⅤ11/21/202467第5章同位素地球化学PartⅤ5.3.3.4硫同位素应用1.判断成矿物质来源☆2.硫同位素地层学11/21/202468第5章同位素地球化学PartⅤ11/21/202469第5章同位素地球化学PartⅤ11/21/202470第5章同位素地球化学PartⅤ5.3.4碳同位素地球化学(自学)11/21/202471第5章同位素地球化学PartⅤ

稳定同位素12C（98.892%）

13C（1.108%）

14C是放射性同位素碳同位素组成表示：δ13C（‰）=[(13C/12C)样品/(13C/12C)PDB－1]×1000碳同位素种类11/21/202472第5章同位素地球化学PartⅤ主要是含碳矿物，如方解石、白云石、大理石、菱铁矿、菱镁矿等全岩样品；现在发展到包裹体中的甲烷、二氧化碳，以及石油、天然气和有机物中的含碳组分。

适合碳同位素测定样品11/21/202473第5章同位素地球化学PartⅤ5.3.4.1碳同位素分馏11/21/202474第5章同位素地球化学PartⅤ

使12C富集在植物中植物乃至整个生物界及有机成因的煤、石油和天然气等都富集12C，平均δ13C=－25‰，而与其平衡的大气的δ13C=－7‰。

1光合作用11/21/202475第5章同位素地球化学PartⅤ13CO2+H12CO3－=12CO2+H13CO3－

(α=1.014)13CO2+12CO32－=12CO2+13CO32－

(α=1.012)2碳同位素交换反应11/21/202476第5章同位素地球化学PartⅤ碳是变价元素，不同价态化合物中，13C倾向于富集在高价化合物中δ13C值：CH4＜C＜CO＜CO2＜CO32－3氧化还原反应11/21/202477第5章同位素地球化学PartⅤ5.3.4.2自然体系中的碳同位素组成碳是变价元素，δ13C值变化范围很大。最重的碳出现在碳酸盐中，最轻的碳出现在生物成因的甲烷中。11/21/202478第5章同位素地球化学PartⅤ11/21/202479第5章同位素地球化学PartⅤ①陨石碳存在形式：碳、碳化物、金属相中的固体溶液、碳酸岩和有机化合物；碳组成范围很宽，δ13C=－27‰~70‰，陨石中总碳δ13C=－5‰~17‰1.陨石和月岩11/21/202480第5章同位素地球化学PartⅤ存在形式：CO/CO2/金属碳化物月岩碳同位素特点②月岩11/21/202481第5章同位素地球化学PartⅤ碳形式：①氧化态-碳酸根离子、碳酸盐和CO2包裹体，δ13C=－10‰~5‰

；②还原态-石墨、金刚石、碳质薄墨和烃类有机物等，δ13C=－50‰~－10‰

。金刚石集中在δ13C=－5‰~－7‰

。2.火成岩11/21/202482第5章同位素地球化学PartⅤ寒武纪到第三纪的海相碳酸盐δ13C接近于0。随着地质时代的不同在剖面上可能存在突变点。淡水碳酸盐δ13C值较小，平均为－4.93+2.57‰。沉积岩中的有机碳δ13C值同样很低，为－15‰~－40‰3.沉积岩11/21/202483第5章同位素地球化学PartⅤ11/21/202484第5章同位素地球化学PartⅤ①煤的δ13C值：（－22‰~－28‰）/－25‰，接近陆生植物。②石油

δ13C值：（－35‰~－18‰）/－28‰，4.化石燃料/有机体系11/21/202485第5章同位素地球化学PartⅤ有机成因CH4

的δ13C值较低（－110‰~－50‰），有机同源的甲烷系列物的δ13C值随C数增多而增大。δ13C1＜δ13C2＜δ13C3

＜δ13C4无机甲烷δ13C值为－40‰~－3.2‰。甲烷同源烃类的δ13C值与C数增加趋势与有机相反。③天然气分为无机和有机成因11/21/202486第5章同位素地球化学PartⅤ湖水：δ13C=－8‰~－16‰

河水：δ13C=－10‰

海水：δ13C=0‰植物：δ13C水生植物＞δ13C陆生植物（-34~-24‰）δ13C海水植物＞δ13C淡水植物δ13C沙漠植物≈δ13C海洋植物（-23~-6‰）海洋动物的碳酸盐介壳的δ13C≈0

‰5.水圈、生物圈11/21/202487第5章同位素地球化学PartⅤ5.3.5.3碳同位素地球化学示踪1.地幔去气δ13CCO2＞δ13C碳酸盐＞δ13C金刚石＞δ13CCH42.成矿流体来源3.确定原油形成环境4.地层学5.地-气交换过程中的碳同位素示踪11/21/202488第5章同位素地球化学PartⅤ11/21/202489第5章同位素地球化学PartⅤ11/21/202490第5章同位素地球化学PartⅤ同位素地质年代学是以放射性同位素衰变定律为基础建立的同位素计时方法，用于测定各种地质体和地质事件的年龄。前提：体系的同位素封