Element Notation
Hydrogen Lithium Boron Carbon Nitrogen Oxygen Sulfur δ D δ 6Li δ δ δ δ δ δ
11 6
Ratio
D/H(2H/1H) li/7Li B/10B C/12C N/14N O/16O O/16O S/32S
18 18 216 1/3C16O2+ H O ƒ 1/3C O + H 3 2 3 2 O
α=1.0492
α=1.0286
反应使岩石中富集了18O、而在水中富集16O。由于大 部分岩石中氢的含量很低，因此水岩同位素交换反应 中氢同位素成分变化不大，但在含OH-的矿物中，水 岩反应结果使得矿物的δD增高。
1000ln A 10 / T B
6 2
α是分馏系数；T是绝对温度；A、B是常数，由实验 确定。从上式可知，温度越高，分馏越小；温度越低， 分馏越大。 在实际进行同位素地质温度测定时，只要测定两个共 生矿物的同位素组成，便可根据公式进行同位素平衡 温度计算。
稳定同位素地球化学
例子：含石英、白云母和磁铁矿的花岗片麻岩
H-O同位素地球化学
(3) 矿物晶格化学键 对氧同位素的选择 当火成岩和变质岩 达到氧同位素平衡时， 岩石中矿物氧同位素 有一个相应的分馏次 序，其中Si-O-Si键的 矿物中最富18O，其 次为Si-O-Al键、SiO-Mg键等。
H-O同位素地球化学
云和沉积物五个库间进行。
H-O同位素地球化学
1.H-O同位素的分馏 (1)蒸发-凝聚分馏： 水在蒸发过程中轻水分子H216O比重水分子D218O易于富 集在蒸汽相中，而凝聚作用相反，重的水分子优先凝结。 因此在气、液相之间发生H、O同位素的物理分馏。 由于水分子经过反复多次蒸发-凝聚过程使得内陆及高纬
稳定同位素地球化学
1.同位素平衡分馏
在一定温度下，不同物质或物相间的同位素交换反应达 到平衡，它们之间的分馏称为同位素平衡分馏。
例如：在热液中同时沉淀方铅矿及闪锌矿，可以写出下 列同位素交换反应式： Pb34S+Zn32S Pb32S+Zn34S 当反应达到平衡时，各矿物对中同位素组成的比值将为 一常数，其平衡常数 K 为：
32 2
[ SO 4 ]34 H SK2 34K1
①
32
H2O
[ SO 4 ] H 2 S
2
D2O
K1＞K2 海水中[SO4]2- 还原为H2S时，32S 在H2S中富集。
稳定同位素地球化学
3.非质量相关分馏 地球上物质，如大气、海洋、生物、地壳和地幔的矿 物相普遍遵守同位素分馏的质量相关关系。 质量相关定则：对于小的同位素分馏（＜20‰）的三 同位素体系的同位素比值是各种同位素质量倒数之差 的函数。 如分子氧来讲有三种稳定同位素：16O16O、16O17O和 16O18O，遵守质量相关定则的地球上物质普遍有 δ17O/δ18O ≈ (1/32 -1/33)/(1/32 -1/34)= 0.516 即δ17O = 0.516δ18O
稳定同位素地球化学
稳定同位素地球化学
在陨石、大气光化 学反应产物中，通 过三个或三个以上 同位素的体系研究
(如16O、17O和18O
体系；32S、33S、
34S和36S体系)，确
定了非质量依赖同 位素分馏。
33S 33S 34S
稳定同位素地球化学
同位素地质温度计 平衡共生的矿物相之间同位素分馏系数α是温度T的 函数，其通用关系式为：
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）。
H-O同位素地球化学
(2) 水－岩相互作用同位素分馏：当大气降水同岩石接触， 水与矿物间发生O(H)同位素交换反应可达到平衡。 其代表性的反应如下：
1/2Si16O2 + H218O ƒ 1/2Si18O2 + H216O
[ S ] PbS [ S ]ZnS [ S/ S] Zns K 34 34 32 32 [ S ] PbS [ S ]ZnS [ S/ S] Pbs
32 34 34 32
稳定同位素地球化学
一旦同位素平衡状态建立，体系温度不变，不同矿物
或物相之间同位素组成差异(即ΓΑ−Β=δΑ−δΒ)也将不变。
R= 重同位素丰度/轻同位素丰度
如：18O/16O，D/H，34S/32S，13C/12C
稳定同位素地球化学
2.δ值 将各样品的同位素比值测量值与已知的标准样品的 相应值进行比较，用其相对的千分率δ表示：
( R样 -R 标）/R 标 1000‰
( R样/R 标 -1 ） 1000‰
稳定同位素地球化学
稳定同位素地球化学
稳定同位素地球化学研究自然体系中稳定同位素的组
成及其变化规律，属同位素地球化学的分支学科。
在自然作用过程中，同位素间的性质差异可导致同位
素分馏现象的发生，使得质量较轻的同位素在部分共存
物质相中富集，而质量较重的同位素在另外的物质相中
富集。轻重同位素间发生分馏可用来探讨地质作用过程
18O(‰)＝ [(18O/16O)样/(18O/16O)标 -1] 1000
H-O同位素地球化学
H-O同位素地球化学
•自然界中氢、氧同位素的分馏主要是平衡交换过程引 起的。动力过程，如植物的光合作用，呼吸作用等也能 引起同位素分馏。
•由于海洋是最大的水库，海水对全球水的同位素组成
起着缓冲作用。地球表面水的循环在海水、冰、淡水、
作用前后物质的化学组成未发生变化，只是两相之间同 位素相对丰度发生了变化，分馏强度受动力学因素控制
稳定同位素地球化学
地质体中共存相之间同位素分馏系数α可以通过实测 两相δ值后近似计算得到。 RA ( A 103 ) RSTD /103 ( R样/R标 -1 ） 1000‰ RB ( B 103 ) RSTD /103
RA / RB [w( A2 ) / w( A1)]/[w( B2 ) / w( B1)]
A，B为含有相同元素两种分子；1为轻同位素，2为重同位素。
2 2 C16O3 3H218O ƒ C18O3 3H216O
(18 O /16 O)CO32 /(18 O /16 O) H2O
的物质来源和环境条件等问题。
稳定同位素地球化学
质量数小的同位素相对质量差别比较大，分馏更明显，
如H和D质量差为100％，12C与13C相差8.3%，16O与18O
相差6.2%，是传统稳定同位素研究的主要对象。随着
高电离效率和高精度质谱分析技术的发展，质量数较大、
以金属元素为主的部分同位素研究获得发展，如204Pb
与206Pb的质量差相差仅1％，称为非传统稳定同位素。
稳定同位素地球化学
同位素丰度
同位素丰度指组成元素的各同位素的原子个数百分比
例，代表了同位素的组成。如氧有三种稳定同位素，它
们在自然界的平均丰度为：
稳定同位素地球化学
同位素丰度
稳定同位素地球化学
同位素组成的表示方法
研究各种地质体中同位素丰度变化是稳定同位素地球化 学的基础。对于有两种以上稳定同位素，如32S=95.02%， 33S=0.75%，34S=4.21%，36S=0.02%，采用其中两种 丰度较大的同位素的原子数比值表达（如34S/32S）。 1. R值 稳定同位素丰度的变异通常用R值来衡量和比较，
11
Standard
SMOW NBS L-SVEC NBS 951 PDB atmosphere SMOW,PDB SMOW CDT
Absolute Ratio
1.557× 10-4 0.08306 4.044 1.122× 10-2 3.613× 10-3 2.0052× 10-3 3.76× 10-4 4.43× 10-2
准确测定，待测温度在实验参数有效应用范围内）。
H-O同位素地球化学
氢是水和生物体重要组分，也存在于许多矿物中，如粘土 矿物、沸石、云母、角闪石、绿泥石、蛇纹石、石膏等。 氢有两种稳定同位素:
1H(99.985原子%)、2H(或D)(0.015%)
此外还有一种宇宙射线成因的放射性同位素3H(或T)。 氢同位素组成表示为δD
稳定同位素地球化学
满足下列条件时，才能用作同位素地质温度计： 1. 矿物对必须是共生的并达到化学和同位素平衡，而 且在矿物形成后，同位素平衡不被破坏。 2. 用作同位素测温的矿物对选取要合适，矿物对之间 的同位素分馏要足够大。矿物对在自然界常见，且 在较大的温度和压力范围内保持稳定，矿物的化学 成分应比较简单，变化较小。 3. 矿物对的同位素分馏方程可靠（参数A和B要有实验
( A 103 ) RSTD /103 ( A 103 ) 则有： RA / RB 3 3 ( B 10 ) RSTD /10 ( B 103 )
The fractionation of isotopes between two phases is also often reported as ∆A-B = δA – δB. The relationship between ∆ and α is:
这是平衡同位素分馏的特点。 同位素平衡分馏与路径、过程、同位素交换速率、压 力等都无关，而仅与温度有关。 同位素平衡分馏又称热力学分馏，是同位素地质温度
计的理论依据。
稳定同位素地球化学
同位素热力学分馏具有以下特点： 1、同位素热力学分馏过程中一般不发生任何化学反应， 而只是在不同的化合物、不同的物相或是各分子之间， 同位素比值发生再分配；
2、交换只是在同一体系中进行，本质上是原子和分子
之键能的强弱决定了同位素交换的难易程度，交换前 后同位素的原子或分子总数不变； 3、交换过程是一种可逆过程，随着条件的改变，平衡 随着改变，旧的平衡被打破，新的平衡随之建立。平