第十讲地质常用主要稳定同位素简介18OFull atmospheric General Circulation Model (GCM) with water isotope fractionation included.内容提要●基本特征●氢同位素●碳同位素●氧同位素●硫同位素10.1. 传统稳定同位素基本特征☐只有在自然过程中其同位素分馏变化为可测量范围的元素，才能应用于地质研究用途，这些元素的质量范围多<40；☐多为能形成固、气、液多相态物质的元素，其稳定同位素组成可发生较大程度变化。
总体上，重同位素趋于在结合紧密的固相物质中富集；重同位素趋于在氧化价态最高的物相中富集；☐生物系统中的同位素变化常用动力效应来解释。
在生物作用过程中(如光合作用、细菌反应及其它微生物过程)，相对于反应初始组成，轻同位素趋于在反应生成物中富集。
10.2. 氢(hydrogen)☐直到1930年代，人们才发现H不是由1 个同位素，而是由两个同位素组成：1H：99.9844%2H(D)：0.0156%☐在SMOW中D/H=155.8 10-6☐氢还有一个同位素氚(3H)，但为放射性核素，半衰期仅为~12.5y。
10.2.1 氢同位素基本特征☐与多数重元素的同位素组成不同，太阳系物质具有高度不均一的氢(氧)同位素组成，尤其是内地行星与彗星之间；☐1H与D同位素间质量相对差最大，在地球样品中表现出最大的稳定同位素变化(分馏)范围；☐从大气圈、水圈直至地球深部，氢总是以HO、OH-，2H2、CH4等形式存在，即在各种地质过程中起着重要作用；☐氢同位素以 D表示，其同位素测量精度通常为0.5‰至2‰(相对其它稳定同位素偏低)。
JFC:Jupiter family cometsOCC:outer solar system Oortcloud comets内地行星与碳质球粒陨石具有相似的氢同位素组成，但与彗星之间存在差异(Taylor,2015,PSRD: Water in Asteroid 4 Vesta)(Robert ,2011,Nature Geoscience)行星和陨石的氢同位素组成(Alexander et al., 2012, EPSL)NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDAWater in apatite in meteorites from Vesta varies in its hydrogen isotopic composition. Range is similar to the range in Earth.来自小行星带不同陨石样品中磷灰石的氢同位素组成(Sarafian et al.,2014)Hydrogen isotope variations in mantle-derived materials(Bell and Ihinger, 2000)金云母K-碱镁闪石韭闪石&羟钛角闪石10.2.2 主要分馏机制◆发生氢同位素分馏的主要原因是水蒸气压的不同，其次为其冰点差异。
由于HDO 较H 2O 蒸气压低，引起D 在液相中相对蒸气相发生富集(典型的瑞利分馏现象)。
◆自然界中引起水中氢发生同位素分馏的物理作用与引起水中氧发生分馏的物理作用相同，故在大多数情况下，18O 的分馏与D 的分馏平行(参见氧同位素部分)。
A. 蒸气压-冰点分馏B. 平衡交换反应常见矿物与水的平衡体系实验表明，氢同位素的分馏曲线较为复杂(因此，将有限温度范围的实验结果进行外推通常会产生不正确的曲线)；目前对<400︒C的矿物分馏曲线了解有限。
现有实验表明，矿物分馏曲线多在400-220︒C区间发生突变，其原因可能与氢在矿物中存在多种配位位置有关；氢同位素封闭温度较低，准确了解样品是否保持了高温条件下的同位素组成，是将分析结果正确应用于地质研究的重要前提。
软水铝石黝帘石绿帘石-斜黝帘石透闪石蛇纹石阳起石高岭石黑云母角闪石A角闪石B 白云母金云母1000l n αT ︒C106T -2 ︒K实验确定的矿物-水氢同位素分馏曲线C. 动力分馏此外，渗滤作用(如粘土矿物、页岩对水流的过滤作用)、盐溶液中的水化作用及生物作用过程均可对氢同位素分馏产生影响。
氢同位素的分馏行为与氧同位素相似，部分内容将在氧同位素部分介绍10.3. 碳(Carbon)☐碳在宇宙(太阳系)中具高丰度，但在地球上常表现为微量元素(~n⨯100ppm)。
碳同时存在于生物圈和无机物中，且存在从金刚石至碳酸盐的不同氧化价态，具较大程度的同位素分馏范围；☐碳由两个稳定同位素组成：12C=98.89%13C=1.11%(14C为宇宙成因核素)☐自然界中δ13C的变化范围>100‰(+20‰至-90‰)。
10.3.1 分馏机制：动力分馏-光合作用◆生物光合作用对碳同位素产生的分馏由二个步骤完成：a)获取CO2并在细胞内扩散，为可逆过程，可引起约-4‰的同位素分馏；b)酶性羟作用(enzymatic carboxylation reaction)，为不可逆作用过程，可导致-17‰至-40‰的分馏。
◆由光合作用引起的动力分馏是影响碳同位素分馏的主要途径。
分馏机制：化学交换反应效应原理：大气中CO2在水体中溶解，形成的HCO3-与CaCO3间形成平衡反应，导致13C在生物碳酸盐中富集：Ca2++ 2HCO3-=CaCO3+ H2O +CO2在不同温度条件下的碳同位素分馏行为在所有平衡相中，CaCO3-石墨矿物对适用于高温条件下地质温度计应用。
CaCO3-CO2-石墨-CH4体系碳同位素分馏与温度的关系10.3.2 主要物质储库中的组成特征Sedimentary organics, Petroleum, Coral 海相-非海相有机物Marine-nonmarine Organism 沉积有机物、石油、珊瑚Freshwater Carbonate淡水碳酸盐海相碳酸盐Marine CarbonateAir CO 2大气CO 2Carbonatite, Diamond火成碳酸岩, 金刚石地球部分物质储库C 同位素组成范围光合作用和平衡反应导致沉积碳酸盐中富集13C ，而在生物成因物质中发生13C 的相对贫化，即轻同位素富集。
北大西洋不同深度海水C 同位素组成及海水C溶解量演化曲线：随海水深度增加，生物作用强度降低，温度下降，导致C同位素组成 值变小。
Depth profile of total dissolved inorganic carbon and δ13C inthe North Atlantic. (Whiter, 1998)地幔矿物(红色)及幔源岩浆岩(灰色)碳同位素组成Carbon isotope ratios in mantle(red) and mantle-derivedmaterials (gray).After Mattey (1987).BABB=back-arc basin basalts Diopside: 透辉石Carbonatite: 岩浆成因碳酸岩金刚石的同位素组成变化范围最大，高负值部分主要来自榴辉岩，反映出部分生物碳转变成了金刚石。
图中透辉石C同位素组成相对较低，其成因不明。
光合作用过程中，最初形成的基本化合物最小单位由三个碳原子组成，称C3植物(小麦、水稻、土豆等)。
后来发现了基本单位为四个碳的植物，称C4植物(玉米、高粱、甘蔗等)，以区别于C3植物。
古植物类型识别大气、地表水中碳来源识别10.4. 氧(Oxygen)10.4.1 基本特征☐氧是地球丰度最高的元素，且以固、液、气相存在的物质均有较大温度稳定范围。
这些因素决定了氧同位素研究的重要意义。
☐氧由三个同位素组成：16O = 99.763 %17O = 0.0375 %18O = 0.1995 %☐氧同位素组成用18O /16O比值表示，因其质量差异最大。
☐自然界中18O /16O比值变化范围可达10%。
10.4.2 物质储库组成特征太阳系物质氧同位素组成具有高度不均一性(Rumble et al.,2007)月球物质来源于地球？CAI:Ca–Al-rich inclusionPlot showing the 18O / 16O and 17O / 16O ratios in chondrules and CAIs in meteorites. These particles define a line with much steeper slope than the Earth line consistent with loss or addition of 16O. Note that the variations in oxygen isotopic ratios are much larger than those shown by rocks from the Earth, Mars, and VestaHow do we know where meteorites come from?各陨石类型具不同氧同位素特征，据此可鉴别陨石来源SNC (shergottite-nakhlite-chassignite) meteorites , thought to beigneous rocks from Mars.SNC ：辉玻-、透辉橄-和纯橄无球粒陨石岩石圈主要岩浆岩氧同位素组成特征陆相及夏威夷橄榄岩包体中橄榄石和单斜辉石氧同位素组成。
Oxygen isotope ratios in olivines and clinopyroxenes from mantle peridotite xenoliths. Data from Matteyet al. (1994).岩石圈主要沉积岩氧同位素组成10.4.3 同位素分馏：平衡交换反应☐硅酸盐矿物18O的富集行为取决于与氧原子形成共价键原子的键强及质量大小，高的质/荷比(低质量数、高离子电位)的矿物有利于18O的富集；☐石英中Si-O键能在硅酸盐矿物中最强，而Al-O键相对弱，因Si、Al质量相近，故在石英中18O相对长石类矿物明显富集；☐平衡交换反应中常见硅酸盐矿物富集18O的相对顺序见下表：平衡交换反应中常见硅酸盐矿物富集18O的相对顺序表(Hoefs, 1987)不同二价阳离子碳酸盐与水在250 C条件下的氧同位素分馏碳酸盐中二价阳离子的质量也影响其18O的富集程度，虽然质量效应对氧同位素分馏作用的影响弱于价键的影响。
作为壳-幔岩石的主要成分，对硅酸盐矿物的氧同位素分馏行为进行了大量实验研究，其主要研究方法列于下表(Hoefs, 1987)由实验确定的硅酸盐矿物对地质温度计参数A(Mattews et al., 1983a, b)QZ-石英，Ab-钠长石，Cc-方解石，Jd-硬玉，Zo-黝帘石，An-钙长石，Di-透辉石，Wo-钙硅石，Mt-磁铁矿高温范围(600-1300 C) 共生矿物氧同位素温度计常数温度计方程：1000Inα = A×106/T2Cc Ab An Di Fo MtQz 0.38 0.94 1.99 2.75 3.67 6.29Cc 0.56 1.61 2.37 3.29 5.91Ab 1.05 1.81 2.73 5.35An 0.76 1.68 4.30Di 0.92 3.54Fo 2.62Qz:quartz石英,Cc:calcite方解石,Ab:albite钠长石,An: anorthite钙长石,Di:diopside透辉石,Fo:forsterite镁橄榄石, Mt:magnetite磁铁矿.(Chiba, et al., 1989)10.4.4 同位素分馏：动力分馏☐大气氧相对稳定，δ18O=+23‰。