15第6章同位素地球化學(xué)4課件

第6章同位素地球化學(xué)PartⅣ6/16/20231第5章同位素地球化學(xué)Part4第6章同位素地球化學(xué)6.1自然界同位素成分變化的機(jī)理6.2放射性同位素地球化學(xué)6.3穩(wěn)定同位素地球化學(xué)6/16/20232第5章同位素地球化學(xué)Part46.3

穩(wěn)定同位素地球化學(xué)6.3.1穩(wěn)定同位素基礎(chǔ)及分餾機(jī)理6.3.2氫、氧同位素地球化學(xué)6.3.3硫同位素地球化學(xué)6.3.4碳同位素地球化學(xué)6/16/20233第5章同位素地球化學(xué)Part4穩(wěn)定同位素同位素分類：穩(wěn)定同位素(stableisotope)和不穩(wěn)定同位素或放射性同位素(unstableorradioactiveisotope)。穩(wěn)定同位素的原子核是穩(wěn)定的，或者其原子核的變化不能被覺察。目前認(rèn)為，凡是原子能夠穩(wěn)定存在的時間大于1017a的就稱為穩(wěn)定同位素，反之就稱為放射性同位素。6/16/20234第5章同位素地球化學(xué)Part4①原子量大，同一元素的各同位素間的相對質(zhì)量差異?。é/A＝0.7~1.2%）,環(huán)境的物理和化學(xué)條件的變化通常不導(dǎo)致重穩(wěn)定同位素組成的改變；②同位素組成的變化主要是由放射性同位素衰變造成的，這種變化在地球歷史的演變中是單方向進(jìn)行的、不可逆的。重穩(wěn)定同位素在同位素地質(zhì)年代學(xué)部分已有討論重穩(wěn)定同位素的特點6/16/20235第5章同位素地球化學(xué)Part4輕穩(wěn)定同位素的特點①原子量小，同一元素的各同位素間的相對質(zhì)量差異較大（ΔA/A≧5%）；②輕同位素組成變化的主要原因是同位素分餾作用造成的，其反應(yīng)是可逆的。6/16/20236第5章同位素地球化學(xué)Part46.3.1

穩(wěn)定同位素基礎(chǔ)6.3.1.1

穩(wěn)定同位素分餾機(jī)理6.3.1.2

幾個相關(guān)參數(shù)6.3.1.3

同位素地質(zhì)測溫6/16/20237第5章同位素地球化學(xué)Part46.3.1.1穩(wěn)定同位素分餾機(jī)理6/16/20238第5章同位素地球化學(xué)Part41、同位素分餾的概念輕穩(wěn)定同位素（Z>20）的相對質(zhì)量差較大（大多ΔA/A≧10％），在地質(zhì)作用過程由于質(zhì)量差所引起的同位素相對豐度的變異，稱為同位素分餾作用/效應(yīng)。6/16/20239第5章同位素地球化學(xué)Part42、同位素分餾的機(jī)理同位素分餾效應(yīng)的原因：物理分餾、同位素交換反應(yīng)、生物化學(xué)反應(yīng)、動力分餾。①物理分餾②平衡分餾（同位素交換反應(yīng)）③生物化學(xué)分餾④動力分餾6/16/202310第5章同位素地球化學(xué)Part4也稱為質(zhì)量分餾同位素之間由質(zhì)量引起的一系列物理性質(zhì)的微小差別(如密度、比重、熔點、沸點等)，這樣在蒸發(fā)、凝聚、升華、擴(kuò)散等自然物理過程中，使得輕、重同位素分異。

①物理分餾6/16/202311第5章同位素地球化學(xué)Part46/16/202312第5章同位素地球化學(xué)Part4②同位素交換反應(yīng)（平衡分餾）

化學(xué)反應(yīng)中反應(yīng)物和生成物之間由于物態(tài)、相態(tài)及化學(xué)鍵性質(zhì)的變化，使輕重同位素分別富集在不同分子中而發(fā)生分異，稱同位素交換反應(yīng)。一般來說，重穩(wěn)定同位素富集在氧化態(tài)或價態(tài)高的化合物中。

CaC16O3+H218O→CaC18O3+H216Oα=1.0316/16/202313第5章同位素地球化學(xué)Part4大氣圈和水圈間發(fā)生氧同位素交換(0℃:α=1.074,25℃:α=1.006)大量實測資料表明：價態(tài)和相態(tài)差別大的化學(xué)反應(yīng)，同位素交換反應(yīng)更明顯。6/16/202314第5章同位素地球化學(xué)Part4動植物及微生物在生存過程中經(jīng)常與介質(zhì)交換物質(zhì)、并通過生物化學(xué)過程引起同位素分餾。例如：植物通過光合作用，使12C更多地富集在有機(jī)體中，因此生物成因地質(zhì)體如煤、油、氣等具有高的12C。③生物化學(xué)分餾6/16/202315第5章同位素地球化學(xué)Part4其實質(zhì)是質(zhì)量不同的同位素分子具有不同的分子振動頻率和化學(xué)健強(qiáng)度。因輕同位素形成的鍵比重同位素更易破裂，這樣在化學(xué)反應(yīng)中輕同位素分子的反應(yīng)速率高于重同位素分子。

C+16O→C16O2C+16O18O→C16O18OK1/K2=1.17④動力分餾6/16/202316第5章同位素地球化學(xué)Part41、同位素比值（R）單位物質(zhì)中所含某元素的重同位素與輕同位素原子數(shù)的比值，表示為：

R＝φ(x*)/φ(x)

式中x*、x分別代表重、輕同位素，φ(x*)和φ(x)分別代表重、輕同位素的原子數(shù)。6.3.1.2幾個相關(guān)參數(shù)6/16/202317第5章同位素地球化學(xué)Part4如大氣中的氧同位素

R＝φ(18O)/φ(16O)=0.1995/99.763=2.0×10－3當(dāng)我們談?wù)撏凰乇戎禃r，總是指重同位素與輕同位素之比。6/16/202318第5章同位素地球化學(xué)Part42、同位素組成表示(δ)取某一給定樣品的R值為標(biāo)準(zhǔn)，可測得各地質(zhì)樣品中R值與標(biāo)準(zhǔn)的絕對偏差（千分差），以δ表示：δ(‰)＝（R樣/R標(biāo)－1）×1000從樣品的δ值直接看出樣品中重同位素比標(biāo)準(zhǔn)富集或貧化的程度。6/16/202319第5章同位素地球化學(xué)Part4δ18O(‰)=[(18O/16O)樣/(18O/16O)標(biāo)－1]×1000δ34S(‰)=[(34S/32S)樣/(34S/32S)標(biāo)－1]×10006/16/202320第5章同位素地球化學(xué)Part4樣品的δ>0，表明重同位素比標(biāo)準(zhǔn)更富集；若δ<0，表明重同位素相對標(biāo)準(zhǔn)貧化；若δ＝0，表明樣品與標(biāo)準(zhǔn)具有相同的同位素豐度比。以δ18O和δ34S為例6/16/202321第5章同位素地球化學(xué)Part4同位素標(biāo)準(zhǔn)被選作標(biāo)準(zhǔn)的樣品應(yīng)具有的條件：①在世界范圍內(nèi)居于該同位素成分變化的中間位置，可以做為零點；②標(biāo)準(zhǔn)樣品的同位素成分要均一；③標(biāo)準(zhǔn)樣品要有足夠的數(shù)量；④標(biāo)準(zhǔn)樣品易于進(jìn)行化學(xué)處理和同位素測定目前世界上通用的同位素標(biāo)準(zhǔn)樣品列于下表。6/16/202322第5章同位素地球化學(xué)Part4氧有兩個標(biāo)準(zhǔn)：標(biāo)準(zhǔn)大洋水（SMOW）和美洲似箭石（PDB）換算關(guān)系δ18OSMOW=1.0308618OPDB+30.866/16/202323第5章同位素地球化學(xué)Part43、同位素分餾系數(shù)（α）兩物質(zhì)間同位素分餾的程度可以用同位素分餾系數(shù)來衡量。定義：同位素分餾系數(shù)是兩種物質(zhì)中某元素同位素比值之商，即：

αA-B＝RA/RB

＝[φ(A2)/φ(A1)]/[φ(B2)/φ(B1)]式中A、B為含有相同元素的兩種分子6/16/202324第5章同位素地球化學(xué)Part4例如：

αCaCO3-H2O

=(18O/16O)CO3/(18O/16O)H2O6/16/202325第5章同位素地球化學(xué)Part4α偏離1愈大，分餾作用愈強(qiáng)；α接近1，表示分餾作用弱；在同位素交換反應(yīng)時，分餾效應(yīng)是隨溫度而變化的，一般來說溫度越高，α越小，分餾效應(yīng)愈不顯著。討論6/16/202326第5章同位素地球化學(xué)Part4在同位素平衡條件下，不同化合物中的同類同位素組成δ值的差，稱為同位素富集系數(shù)。Δ表示：ΔA-B=δA－δB

4、同位素富集系數(shù)（Δ）6/16/202327第5章同位素地球化學(xué)Part4對于同一元素的一系列化合物而言，同位素富集系數(shù)具有簡單的加和性：ΔA-C＝

ΔA-B＋ΔB-C6/16/202328第5章同位素地球化學(xué)Part4已知

△FeS

－ZnS

=A△ZnS

－CuS

=B計算

△FeS－CuS？6/16/202329第5章同位素地球化學(xué)Part4

1000lnαA-B≈δA－δB＝

ΔA-B如果已知某個礦物的同位素組成、分餾系數(shù)或富集系數(shù)，以及獲得與之平衡相的同位素組成。富集系數(shù)、分餾系數(shù)及同位素組成的關(guān)系★6/16/202330第5章同位素地球化學(xué)Part4ΔA-B＝δA－δB

＝1000lnα

＝A/T2＋B同位素分餾系數(shù)與溫度的關(guān)系★6/16/202331第5章同位素地球化學(xué)Part41.同位素測溫原理兩個礦物、兩相或兩個分子間達(dá)到平衡時，它們之間的同位素交換平衡分餾系數(shù)與平衡溫度之間存在如下關(guān)系式

ΔA-B＝δA－δB＝1000lnα＝A/T2＋B6.3.1.3

同位素地質(zhì)測溫*6/16/202332第5章同位素地球化學(xué)Part42、同位素地質(zhì)測溫前提①礦物對必須共生，即同時在同一地質(zhì)體系中形成；②礦物對彼此要達(dá)到化學(xué)和同位素平衡，且礦物形成后同位素平衡不被破壞；③選做測溫的礦物對要常見，且在較大的溫度和壓力范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，礦物的化學(xué)成分應(yīng)比較簡單，變化??；④礦物對之間的同位素分餾要足夠大，即分餾系數(shù)越大越好；⑤礦物對的同位素分餾方程要可靠。6/16/202333第5章同位素地球化學(xué)Part43、同位素測溫常用方法①外部測溫法（礦物與水）②內(nèi)部測溫法（平衡共生礦物）③單礦物測溫法（礦物不同部位）6/16/202334第5章同位素地球化學(xué)Part46.3.2

氫、氧同位素地球化學(xué)6.3.2.1

自然界氫氧同位素的分餾6.3.2.2

各種自然產(chǎn)狀水的氫氧同位素組成6.3.2.3

巖石中的氧同位素組成6.3.2.4

氧同位素地質(zhì)溫度計6.3.2.5

氫氧同位素地球化學(xué)應(yīng)用6/16/202335第5章同位素地球化學(xué)Part4氫同位素1H(氕)

2H(氘，D)

3H(氚，T)，

3T是宇宙成因放射性同位素。

氫同位素組成表示：δD（‰）=[(D/H)樣品/(D/H)SMOW－1]×10006/16/202336第5章同位素地球化學(xué)Part4

16O（99.762%）

17O（0.038%）

18O（0.200%）氧同位素組成：氧穩(wěn)定同位素6/16/202337第5章同位素地球化學(xué)Part46.3.2.1

自然界氫氧同位素的分餾★1、蒸發(fā)-凝聚分餾2、水-巖同位素平衡3、礦物晶格的化學(xué)鍵對氧同位素的選擇4、生物同位素分餾6/16/202338第5章同位素地球化學(xué)Part4氫有兩種穩(wěn)定同位素（H、D），氧有三種同位素（16O、17O、18O）。

水可能有九種同位素分子組合：

H216OHD16OD216O

H217OHD17OD217O

H218OHD18O

D218O

1、蒸發(fā)-凝聚分餾6/16/202339第5章同位素地球化學(xué)Part4實驗測試25℃時液相（l）和氣相（v）間氫氧同位素分餾系數(shù)為：αl-v=(18O/16O)l/(18O/16O)v=1.0029αl-v=(D/H)l/(D/H)v=1.017重同位素富集于液相，輕同位素富集于氣態(tài)6/16/202340第5章同位素地球化學(xué)Part4由于水分子經(jīng)過反復(fù)多次蒸發(fā)~凝聚過程，使得內(nèi)陸及高緯度兩極地區(qū)的蒸氣相（雨、雪）中集中了最輕的水（

δ18O、δD趨向更大負(fù)值）；大洋及赤道地區(qū)出現(xiàn)重水（δ18O、δD趨向更大正值）。這就是“氫氧同位素的緯度效應(yīng)”

6/16/202341第5章同位素地球化學(xué)Part46/16/202342第5章同位素地球化學(xué)Part4蒸發(fā)-凝聚分餾δD=8δ18O+106/16/202343第5章同位素地球化學(xué)Part41/2Si16O2+H218O→1/2Si18O2+H216O

(25℃，α=1.0492)

其結(jié)果是巖石中富集了18O，水中富集了16O由于大部分巖石中氫的含量很低，因此，在水~巖交換反應(yīng)中氫同位素成分變化不大。

2、水-巖同位素平衡6/16/202344第5章同位素地球化學(xué)Part46/16/202345第5章同位素地球化學(xué)Part43、礦物晶格的化學(xué)鍵對氧同位素的選擇最富:Si—O—Si鍵礦物18O；其次:Si—O—Al，Si—O—Mg，Si—O—Fe;最貧:含（OH）的礦物18O.6/16/202346第5章同位素地球化學(xué)Part44、生物同位素分餾植物光合作用的結(jié)果使18O在植物體中富集，放出O2富含16O：2H216O+C18O2→2(HC18OH)n+16O2

光合作用的實質(zhì)是水的去氫作用，植物將水分解，吸收其中的H與CO2結(jié)合成有機(jī)化合物分子。實測活的生物體、有機(jī)體、生物碳酸鹽都具有高的18O。

6/16/202347第5章同位素地球化學(xué)Part4自然界中由于以上氧同位素的分餾作用，使得在不同地質(zhì)體中，氧同位素成分有明顯變化，一般規(guī)律→:有機(jī)體和CO2:

18O/16O:2.1×10－3,最高地表水（H2O）:18O/16O:1.98×10－3,最低巖漿巖、變質(zhì)巖以及高溫形成的碳酸鹽巖居中18O/16O：2.01~2.04×10－3沉積巖中比較富18O6/16/202348第5章同位素地球化學(xué)Part46.3.2.2

各種自然產(chǎn)狀水的氫氧

同位素組成1、大氣降水☆2、溫泉和地?zé)崴?、封存水（包括深成熱鹵水、油田鹵水）4、變質(zhì)水5、原生水及巖漿水6/16/202349第5章同位素地球化學(xué)Part46/16/202350第5章同位素地球化學(xué)Part41.大氣降水大氣降水氫氧同位素組成：δD=－350‰~+100‰δ18O=－50‰~+5‰δD

和δ18O一般小于06/16/202351第5章同位素地球化學(xué)Part4大氣降水同位素組成影響因素/特點①大陸效應(yīng)②緯度效應(yīng)③高度效應(yīng)④季節(jié)效應(yīng)6/16/202352第5章同位素地球化學(xué)Part46/16/202353第5章同位素地球化學(xué)Part42、溫泉和地?zé)崴髿饨邓钛h(huán)加熱的水δD與當(dāng)?shù)鼐暥扔嘘P(guān)δ18O變化大6/16/202354第5章同位素地球化學(xué)Part46/16/202355第5章同位素地球化學(xué)Part43、封存水

大氣降水和海水深循環(huán)后長期封存（不流動）的產(chǎn)物，以高溫和高礦化度為特征。

δD=－120‰~－

25‰；

δ18O=－16‰~+25‰6/16/202356第5章同位素地球化學(xué)Part46/16/202357第5章同位素地球化學(xué)Part46/16/202358第5章同位素地球化學(xué)Part4δD=－140‰~－20‰；δ18O=－16‰~+25‰高溫變質(zhì)水與巖石達(dá)到同位素交換平衡，因此，變質(zhì)熱液的同位素組成指示變質(zhì)環(huán)境、原巖性質(zhì)和流體來源。

4、變質(zhì)水6/16/202359第5章同位素地球化學(xué)Part4來自地幔的與鐵、鎂超基性巖平衡的水稱為原生水；

δD=－85‰~－50‰；

δ18O=5‰~+9‰巖漿水指的是高溫硅酸鹽熔體所含的水及其分異作用形成的水：

δD=－80‰~－50‰；

δ18O=6‰~+10‰5、原生水及巖漿水6/16/202360第5章同位素地球化學(xué)Part46.3.2.3

巖石中的氫氧同位素組成1、巖漿巖2、沉積巖3、變質(zhì)巖6/16/202361第5章同位素地球化學(xué)Part41、巖漿巖達(dá)到同位素平衡時花崗巖中礦物的δ18O值（‰）為：石英（8.9~10.3）→堿性長石（7.0~9.1）→斜長石（5.5~9.3）→角閃石（5.9~9.3）→黑云母（4.4~5.6）→磁鐵礦（1.0~3.0）。達(dá)到同位素平衡時相鄰礦物間的δ18O（‰）相差約1.5～2。巖漿巖中礦物的氧同位素組成與鮑溫反應(yīng)序列相反，早期高溫形成的礦物低，晚期低溫形成的礦物高，同位素分餾有關(guān)。6/16/202362第5章同位素地球化學(xué)Part46/16/202363第5章同位素地球化學(xué)Part4①巖漿的源區(qū)性質(zhì)；②巖漿結(jié)晶分異效應(yīng)；③巖漿結(jié)晶作用的溫度；④巖漿與水溶液及圍巖的同化混染作用；⑤在巖漿固相線溫度下礦物重新平衡所產(chǎn)生的退化效應(yīng)。影響巖漿巖氧同位素的因素6/16/202364第5章同位素地球化學(xué)Part42、沉積巖①沉積巖中的氫氧同位素組成受兩個主要反應(yīng)控制：1）水-巖同位素平衡，低溫水-巖同位素反應(yīng)分餾強(qiáng)烈；2）生物分餾，生物沉積巖中出現(xiàn)地殼中最高的δ18O和δD值。6/16/202365第5章同位素地球化學(xué)Part42、沉積巖②各種沉積巖氧同位素特點1）碎屑沉積巖

δ18O巖漿巖（5~10‰）＜δ18O＜δ18O黏土礦物（20~30‰）2）化學(xué)風(fēng)化礦物—

黏土礦物

δ18O：13‰~28‰，

δD：－35‰~－125‰6/16/202366第5章同位素地球化學(xué)Part46/16/202367第5章同位素地球化學(xué)Part4燧石的氧同位素組成隨地質(zhì)體時代變老有變小趨勢？3）海相硅質(zhì)巖和燧石6/16/202368第5章同位素地球化學(xué)Part44）海相碳酸鹽氧同位素組成一般是最高的，不同時代海相碳酸鹽的氧同位素組成趨勢與燧石相同。同時代淡水碳酸鹽的δ18O低于海水的δ18O（28~30‰）6/16/202369第5章同位素地球化學(xué)Part43、變質(zhì)巖變質(zhì)巖的氫、氧同位素組成與變質(zhì)巖原巖、變質(zhì)溫度、變質(zhì)流體、變質(zhì)作用類型及變質(zhì)巖形成環(huán)境等諸多因素有關(guān)。區(qū)域變質(zhì)作用過程中，隨變質(zhì)程度增高，巖石的δ18O值逐漸降低。6/16/202370第5章同位素地球化學(xué)Part46.3.2.4

氫氧同位素地球化學(xué)應(yīng)用1.地質(zhì)溫度計★①原理/公式1000lnα=A×106/T2+B1000lnαa-b≈δa-δb=A×106/T2+B②前提③氧同位素測溫法1）外部測溫法—礦物-水測溫2）內(nèi)部測溫法—共生礦物法6/16/202371第5章同位素地球化學(xué)Part41)外部測溫法—礦物-水測溫6/16/202372第5章同位素地球化學(xué)Part4外部測溫注意點共生礦物與一個公共流體相達(dá)成平衡，兩個礦物的氧同位素組成存平衡差，由此值可根據(jù)內(nèi)部計溫法獲得兩相平衡溫度，或礦物形成溫度；a、b常數(shù)適用一定溫度區(qū)間的；平衡“凍結(jié)”后，避免后期作用干擾

。6/16/202373第5章同位素地球化學(xué)Part4可用來計算水介質(zhì)的氫、氧同位素組成。其條件是：當(dāng)某礦物的氫、氧同位素組成及其形成溫度是可知時，便可根據(jù)有關(guān)方程，計算出介質(zhì)水的氫、氧同位素組成：1000lnα礦物—水=δ18O礦—δ18O水

=(α/T2)+b外部測溫法（反用）6/16/202374第5章同位素地球化學(xué)Part42)內(nèi)部測溫法—共生礦物法6/16/202375第5章同位素地球化學(xué)Part46/16/202376第5章同位素地球化學(xué)Part4以石英、方解石共生礦物對為例1000lnα石英-水=3.38×106T－2－3.401000lnα方解石-水=2.78×106T－2－3.40則石英—方解石氧同位素溫度計為：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，就可以獲得二者平衡沉淀溫度。6/16/202377第5章同位素地球化學(xué)Part4顯微鏡下如何識別/判別礦物形成順序/平衡共生6/16/202378第5章同位素地球化學(xué)Part42、氫氧同位素示蹤①確定成礦流體的來源②確定巖石成因③巖石氧同位素組成與地球動力學(xué)意義④古氣候6/16/202379第5章同位素地球化學(xué)Part4①確定成礦流體的來源礦床學(xué)研究中一個重要的問題是成礦溶液的來源及其在成礦過程中的演化特征，而水是成礦流體的基本組分，因此研究成礦溶液中水的來源是揭示礦床成因的關(guān)鍵。形成金屬礦床的成礦溶液可來自于熱鹵水、同生水、大氣降水、變質(zhì)水和巖漿水等，而成礦溶液中水的氫氧同位素組成是研究不同成因水的重要示蹤劑。6/16/202380第5章同位素地球化學(xué)Part46/16/202381第5章同位素地球化學(xué)Part4Sheappard對南北美洲環(huán)西太平洋斑巖成礦帶氧、氫同位素組成的研究，從北到南采集兩種類型的蝕變礦物，測定其氫、氧同位素組成：1)

鉀化帶蝕變黑云母：δ18O，δD穩(wěn)定，不隨緯度而變化；2)

青盤巖化帶（泥化帶）絹云母：δ18O，δD隨緯度而變化，具明顯“緯度效應(yīng)”。6/16/202382第5章同位素地球化學(xué)Part4這一規(guī)律示蹤的地球化學(xué)信息：斑巖銅鉬礦床鉀化帶蝕變以巖漿水作用為主導(dǎo)，而圍巖中青盤巖化蝕變當(dāng)?shù)貒鷰r中的大氣降水起到了重要的作用；斑巖礦床成礦蝕變流體是多源的。6/16/202383第5章同位素地球化學(xué)Part46/16/202384第5章同位素地球化學(xué)Part4區(qū)域成礦流體氧同位素組成變化趨勢6/16/202385第5章同位素地球化學(xué)Part42、確定巖石的成因氧同位素研究可有效確定火成巖的物質(zhì)來源，并據(jù)此進(jìn)行巖石成因類型的劃分。例如對花崗巖