同位素地球化學5

5.3穩(wěn)定同位素地球化學5.3.1穩(wěn)定同位素基礎及分餾機理5.3.2氫、氧同位素地球化學5.3.3硫同位素地球化學5.3.4碳同位素地球化學11/21/20241第5章同位素地球化學PartⅤ5.3.2氫、氧同位素地球化學5.3.2.1自然界氫氧同位素的分餾5.3.2.2各種自然產狀水的氫氧同位素組成5.3.2.3巖石中的氫氧同位素組成5.3.2.4氫氧同位素地球化學應用11/21/20242第5章同位素地球化學PartⅤ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]×100011/21/20243第5章同位素地球化學PartⅤ

16O（99.762%）

17O（0.038%）

18O（0.200%）氧同位素組成：δ18O（‰）=[(18O/16O)樣品/(18O/16O)標準－1]×1000氧穩(wěn)定同位素11/21/20244第5章同位素地球化學PartⅤ5.3.2.1自然界氫氧同位素的分餾(看書了解)1、蒸發(fā)-凝聚分餾2、水-巖同位素平衡3、礦物晶格的化學鍵對氧同位素的選擇4、生物同位素分餾11/21/20245第5章同位素地球化學PartⅤ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：

H216O

HD16OD216OH217OHD17OD217OH218OHD18O

D218O

1、蒸發(fā)-凝聚分餾11/21/20246第5章同位素地球化學PartⅤ實驗測試25℃時液相（l）和氣相（v）間氫氧同位素分餾系數為：αl-v=(18O/16O)l/(18O/16O)v=1.0029αl-v=(D/H)l/(D/H)v=1.01711/21/20247第5章同位素地球化學PartⅤ由于水分子經過反復多次蒸發(fā)~凝聚過程，使得內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趨向更大負值）；大洋及赤道地區(qū)出現重水（δ18O、δD趨向更大正值）。這就是“氫氧同位素的緯度效應”

11/21/20248第5章同位素地球化學PartⅤ蒸發(fā)-凝聚分餾δD=8δ18O+1011/21/20249第5章同位素地球化學PartⅤ1/2Si16O2+H218O→1/2Si18O2+H216O

(25℃，α=1.0492)

其結果是巖石中富集了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~巖交換反應中氫同位素成分變化不大。

2、水-巖同位素平衡11/21/202410第5章同位素地球化學PartⅤ3、礦物晶格的化學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.11/21/202411第5章同位素地球化學PartⅤ4、生物同位素分餾植物光合作用的結果使18O在植物體中富集，放出O2富含16O：2H216O+C18O2→2(HC18OH)n+16O2

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

11/21/202412第5章同位素地球化學PartⅤ自然界中由于以上氧同位素的分餾作用，使得在不同地質體中，氧同位素成分有明顯變化，一般規(guī)律:有機體和CO2中

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18O。

11/21/202413第5章同位素地球化學PartⅤ5.3.2.2各種自然產狀水的氫氧

同位素組成1、大氣降水☆2、溫泉和地熱水3、封存水（包括深成熱鹵水、油田鹵水）4、變質水5、原生水及巖漿水☆11/21/202414第5章同位素地球化學PartⅤ大氣降水線δD=8δ18O+1011/21/202415第5章同位素地球化學PartⅤ1、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0大氣降水同位素組成影響因素（看書）：①大陸效應②緯度效應③高度效應④季節(jié)效應11/21/202416第5章同位素地球化學PartⅤ2、溫泉和地熱水大氣降水深循環(huán)加熱的水δD與當地緯度有關δ18O變化大11/21/202417第5章同位素地球化學PartⅤ11/21/202418第5章同位素地球化學PartⅤ3、封存水

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

δD=－120‰~－25‰；

δ18O=－16‰~+25‰11/21/202419第5章同位素地球化學PartⅤ11/21/202420第5章同位素地球化學PartⅤδD=－140‰~－20‰；δ18O=－16‰~+25‰高溫變質水與巖石達到同位素交換平衡，因此，變質熱液的同位素組成指示變質環(huán)境、原巖性質和流體來源。

4、變質水11/21/202421第5章同位素地球化學PartⅤ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☆11/21/202422第5章同位素地球化學PartⅤ5.3.2.3巖石中的氫氧同位素組成1、巖漿巖2、沉積巖3、變質巖11/21/202423第5章同位素地球化學PartⅤ1、巖漿巖達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。11/21/202424第5章同位素地球化學PartⅤ11/21/202425第5章同位素地球化學PartⅤ2、沉積巖①沉積巖中的氫氧同位素組成受兩個主要反應控制：1）水-巖同位素平衡，低溫水-巖同位素反應分餾強烈；2）生物分餾，生物沉積巖中出現地殼中最高的δ18O和δD值。11/21/202426第5章同位素地球化學PartⅤ2、沉積巖②各種沉積巖的特點：1）碎屑沉積巖—

δ18O巖漿巖（5~10‰）＜δ18O＜δ18O黏土礦物（20~30‰）2）化學風化礦物—

黏土礦物

δ18O：13‰~28‰，

δD：－35‰~－125‰11/21/202427第5章同位素地球化學PartⅤ11/21/202428第5章同位素地球化學PartⅤ3）海相硅質巖和燧石燧石的氧同位素組成隨地質體時代變老有變小趨勢。4）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‰）11/21/202429第5章同位素地球化學PartⅤ3、變質巖變質巖的氫、氧同位素組成與變質巖原巖、變質溫度、變質流體、變質作用類型及變質巖形成環(huán)境等諸多因素有關。區(qū)域變質作用過程中，隨變質程度增高，巖石的δ18O值逐漸降低。

11/21/202430第5章同位素地球化學PartⅤ5.3.2.4氫氧同位素地球化學應用1.地質溫度計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）內部測溫法—共生礦物法11/21/202431第5章同位素地球化學PartⅤ外部測溫法—礦物-水測溫外部測溫注意點11/21/202432第5章同位素地球化學PartⅤ內部測溫法—共生礦物法11/21/202433第5章同位素地球化學PartⅤ舉例以石英、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。

11/21/202434第5章同位素地球化學PartⅤ可用來計算水介質的氫、氧同位素組成。其條件是，當某礦物的氫、氧同位素組成及其形成溫度是可知時，便可根據有關方程，計算出介質水的氫、氧同位素組成：1000lnα礦物—水=δ18O礦—δ18O水

=(α/T2)+b

外部測溫法（反用）11/21/202435第5章同位素地球化學PartⅤ2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意義④古氣候示蹤11/21/202436第5章同位素地球化學PartⅤ①確定成礦流體的來源礦床學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。

11/21/202437第5章同位素地球化學PartⅤ11/21/202438第5章同位素地球化學PartⅤSheappard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”。11/21/202439第5章同位素地球化學PartⅤ這一規(guī)律示蹤的地球化學信息：斑巖銅鉬礦床鉀化帶蝕變以巖漿水作用為主導，而圍巖中青盤巖化蝕變當地圍巖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。11/21/202440第5章同位素地球化學PartⅤ作業(yè)11/21/202441第5章同位素地球化學PartⅤ②確定巖石的成因氧同位素研究可有效確定火成巖的物質來源，并據此進行巖石成因類型的劃分。例如對花崗巖研究來說，來自于陸殼碎屑物質部分熔融形成的S型花崗巖，其δ18O值一般大于10，而來自陸殼火成物質部分熔融形成的I型花崗巖一般δ18O小于10，由幔源巖漿分異形成的M型花崗巖，其δ18O值較低。11/21/202442第5章同位素地球化學PartⅤ根據花崗巖的δ18O值判斷其物質來源：I型δ18O＜10（8~9）S型δ18O

＞1011/21/202443第5章同位素地球化學PartⅤ③巖石氧同位素組成與地球動力學意義11/21/202444第5章同位素地球化學PartⅤ11/21/202445第5章同位素地球化學PartⅤ大別-蘇魯超高壓變質帶中的榴輝巖（石榴子石+綠輝石）

δ18O=－10.4‰~7.4‰。11/21/202446第5章同位素地球化學PartⅤ這表明超高壓變質巖的原巖是近地表火山巖并與大氣降水進行過強烈的水-巖作用，從而揭示了榴輝巖的原巖在俯沖到地幔深度后其氧同位素組成并沒有受上地幔氧同位素組成（約為5.7‰）的影響而被保存下來，反映超高壓變質作用形成的榴輝巖在地幔中存留的時間很短和有限的殼幔相互作用，表明榴輝巖形成后的快速折返。

11/21/202447第5章同位素地球化學PartⅤ④古氣候示蹤11/21/202448第5章同位素地球化學PartⅤ5.3.3硫同位素地球化學5.3.3.1自然界中硫同位素的分餾作用5.3.3.2自然體系中硫同位素組成5.3.3.3硫同位素地質溫度計5.3.3.4硫同位素在成礦作用中的示蹤意義11/21/202449第5章同位素地球化學PartⅤ32S——95.02%33S——0.75%34S——4.21%36S——0.02%硫同位素組成表示：δ

34S

（‰）=[(34S/32S)樣品/(34S/32S)PDB－1]×1000

硫穩(wěn)定同位素種類11/21/202450第5章同位素地球化學PartⅤ5.3.3.1自然界中硫同位素的分餾作用自然界硫分餾顯著（看書）①化學動力學分餾②生物動力分餾③熱力學平衡分餾11/21/202451第5章同位素地球化學PartⅤ①化學動力學分餾—氧化和還原反應中產生的同位素分餾。H234S+32SO42－→H232S+34SO42－

（α=1.075）分餾系數與溫度呈反相關11/21/202452第5章同位素地球化學PartⅤ生物成因硫化物的δ34S

（‰）一般小于0，負值越高生物成因可能性越大。②生物動力分餾11/21/202453第5章同位素地球化學PartⅤ③熱力學平衡分餾平衡共生條件下，不同價態(tài)硫同位素分餾特征為：δ34S值S2－＜S2－＜S0＜SO2＜SO42－11/21/202454第5章同位素地球化學PartⅤ在平衡狀態(tài)下，硫酸鹽δ34S值大于硫化物1）硫酸鹽34S值：鉛礬＜重晶石＜天青石＜石膏；2）硫化物δ34S值：輝鉍礦＜輝銻礦＜輝銅礦＜方鉛礦＜斑銅礦＜黃銅礦＜閃鋅礦＜黃鐵礦＜輝鉬礦.

11/21/202455第5章同位素地球化學PartⅤ5.3.3.2自然體系中硫同位素組成1.大氣圈、水圈和生物圈硫同位素組成2.各類地球巖石硫同位素組成☆11/21/202456第5章同位素地球化學PartⅤ1.大氣圈、水圈和生物圈硫同位素組成①大氣硫存在形式：氣溶膠中硫酸鹽和氣態(tài)H2S、SO2。②大氣硫來源A天然來源火山噴發(fā)H2S、SO2(δ34S=－10‰~10‰)；海水蒸發(fā)鹽δ34S=20‰)；生物成因的H2S和有機硫δ34S=－30‰~10‰)；B人工污染：金屬硫化物礦石冶煉；石膏粉塵。11/21/202457第5章同位素地球化學PartⅤ③水圈發(fā)生復雜的氧化-還原作用。水中溶解的SO42－被細菌還原成H2S，δ34S值可降低0~50‰；④生物體中的硫主要賦存在蛋白質中，生物體通過還原硫酸鹽形成有機硫。無論是淡水植物還是海洋生物，δ

34S值都低于溶解的硫酸鹽。11/21/202458第5章同位素地球化學PartⅤ2.各類地球巖石硫同位素組成①巖漿巖：1)基性-超基性巖δ34S值與隕石硫相似，變化范圍小，為－1~2‰。2)酸性巖漿巖δ34S值=－10‰~10‰，變化大，但總均值接近0。3)中酸性火山噴出巖δ34S值變化范圍比對應的深成巖大，且一般為正值。11/21/202459第5章同位素地球化學PartⅤ11/21/202460第5章同位素地球化學PartⅤ②沉積巖：開放系統(tǒng)中：硫酸鹽和硫化氫的δ34S值穩(wěn)定。封閉系統(tǒng)中：硫酸鹽δ34S值漸大，還原形成的硫化氫δ34S值漸大。11/21/202461第5章同位素地球化學PartⅤ11/21/202462第5章同位素地球化學PartⅤδ34S=－20‰~20‰組成與變質巖原巖、變質作用過程中的W/R反應和同位素交換，以及變質脫氣等有關。③變質巖11/21/202463第5章同位素地球化學PartⅤ5.3.3.3硫同位素地質溫度計1.原理、前提及公式：1000lnαa-b=δa－δb=A×106/T22.共生礦物對硫同位素平衡標志硫化物δ34S值：輝鉍礦＜輝銻礦＜輝銅礦＜方鉛礦＜斑銅礦＜黃銅礦＜閃鋅礦＜黃鐵礦＜輝鉬礦3.常用的硫同位素地溫計11/21/202464第5章同位素地球化學PartⅤ11/21/202465第5章同位素地球化學PartⅤ11/21/202466第5章同位素地球化學PartⅤ11/21/202467第5章同位素地球化學PartⅤ5.3.3.4硫同位素應用1.判斷成礦物質來源☆2.硫同位素地層學11/21/202468第5章同位素地球化學PartⅤ11/21/202469第5章同位素地球化學PartⅤ11/21/202470第5章同位素地球化學PartⅤ5.3.4碳同位素地球化學(自學)11/21/202471第5章同位素地球化學PartⅤ

穩(wěn)定同位素12C（98.892%）

13C（1.108%）

14C是放射性同位素碳同位素組成表示：δ13C（‰）=[(13C/12C)樣品/(13C/12C)PDB－1]×1000碳同位素種類11/21/202472第5章同位素地球化學PartⅤ主要是含碳礦物，如方解石、白云石、大理石、菱鐵礦、菱鎂礦等全巖樣品；現在發(fā)展到包裹體中的甲烷、二氧化碳，以及石油、天然氣和有機物中的含碳組分。

適合碳同位素測定樣品11/21/202473第5章同位素地球化學PartⅤ5.3.4.1碳同位素分餾11/21/202474第5章同位素地球化學PartⅤ

使12C富集在植物中植物乃至整個生物界及有機成因的煤、石油和天然氣等都富集12C，平均δ13C=－25‰，而與其平衡的大氣的δ13C=－7‰。

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

(α=1.014)13CO2+12CO32－=12CO2+13CO32－

(α=1.012)2碳同位素交換反應11/21/202476第5章同位素地球化學PartⅤ碳是變價元素，不同價態(tài)化合物中，13C傾向于富集在高價化合物中δ13C值：CH4＜C＜CO＜CO2＜CO32－3氧化還原反應11/21/202477第5章同位素地球化學PartⅤ5.3.4.2自然體系中的碳同位素組成碳是變價元素，δ13C值變化范圍很大。最重的碳出現在碳酸鹽中，最輕的碳出現在生物成因的甲烷中。11/21/202478第5章同位素地球化學PartⅤ11/21/202479第5章同位素地球化學PartⅤ①隕石碳存在形式：碳、碳化物、金屬相中的固體溶液、碳酸巖和有機化合物；碳組成范圍很寬，δ13C=－27‰~70‰，隕石中總碳δ13C=－5‰~17‰1.隕石和月巖11/21/202480第5章同位素地球化學PartⅤ存在形式：CO/CO2/金屬碳化物月巖碳同位素特點②月巖11/21/202481第5章同位素地球化學PartⅤ碳形式：①氧化態(tài)-碳酸根離子、碳酸鹽和CO2包裹體，δ13C=－10‰~5‰

；②還原態(tài)-石墨、金剛石、碳質薄墨和烴類有機物等，δ13C=－50‰~－10‰

。金剛石集中在δ13C=－5‰~－7‰

。2.火成巖11/21/202482第5章同位素地球化學PartⅤ寒武紀到第三紀的海相碳酸鹽δ13C接近于0。隨著地質時代的不同在剖面上可能存在突變點。淡水碳酸鹽δ13C值較小，平均為－4.93+2.57‰。沉積巖中的有機碳δ13C值同樣很低，為－15‰~－40‰3.沉積巖11/21/202483第5章同位素地球化學PartⅤ11/21/202484第5章同位素地球化學PartⅤ①煤的δ13C值：（－22‰~－28‰）/－25‰，接近陸生植物。②石油

δ13C值：（－35‰~－18‰）/－28‰，4.化石燃料/有機體系11/21/202485第5章同位素地球化學PartⅤ有機成因CH4

的δ13C值較低（－110‰~－50‰），有機同源的甲烷系列物的δ13C值隨C數增多而增大。δ13C1＜δ13C2＜δ13C3

＜δ13C4無機甲烷δ13C值為－40‰~－3.2‰。甲烷同源烴類的δ13C值與C數增加趨勢與有機相反。③天然氣分為無機和有機成因11/21/202486第5章同位素地球化學PartⅤ湖水：δ13C=－8‰~－16‰

河水：δ13C=－10‰

海水：δ13C=0‰植物：δ13C水生植物＞δ13C陸生植物（-34~-24‰）δ13C海水植物＞δ13C淡水植物δ13C沙漠植物≈δ13C海洋植物（-23~-6‰）海洋動物的碳酸鹽介殼的δ13C≈0

‰5.水圈、生物圈11/21/202487第5章同位素地球化學PartⅤ5.3.5.3碳同位素地球化學示蹤1.地幔去氣δ13CCO2＞δ13C碳酸鹽＞δ13C金剛石＞δ13CCH42.成礦流體來源3.確定原油形成環(huán)境4.地層學5.地-氣交換過程中的碳同位素示蹤11/21/202488第5章同位素地球化學PartⅤ11/21/202489第5章同位素地球化學PartⅤ11/21/202490第5章同位素地球化學PartⅤ同位素地質年代學是以放射性同位素衰變定律為基礎建立的同位素計時方法，用于測定各種地質體和地質事件的年齡。前提：體系的同位素封