地球化学课件6(5)- 同位素地球化学.ppt

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1、第六章同位素地球化学IsotopeGeochemistry同位素地球化学1.基本原理平衡共生的矿物之间同位素分馏系数α是温度T的函数，其通用的关系式为：6.6稳定同位素地质温度计α为分馏系数；T是绝对温度；A、B是常数，由实验确定。由上式可知，共生矿物相之间分馏系数α的自然对数与绝对温度平方的道术呈线性（1/T2）关系。上式对于大多数同位素交换反应可使用的温度区间为100－1200℃.由于样品同位素成分测定结果是以δ形式给出的，又因为δA－δB＝△A-B≈103ln(αA-B)，因此可得下式：1000lnαA-B=将共生矿物实测的δ值代入上式，并根据实验参数A、B可以求解不同矿物相之间

2、的同位素平衡温度T。应用上式计算地质体形成温度必须具备三个前提条件：（1）所观测的两个共生矿物相之间达到了同位素交换平衡，并且平衡后未受到后期地质作用的改造，在实际应用中可通过岩石学和矿物学研究来加以确定；（2）矿物对之间的分馏系数要足够大，以确保待测温度具有较高的精度；（3）参数A、B由实验准确测定，待测温度在实验参数有效应用范围内。稳定同位素测温可分为两类：外部测温法和内部测温法。外部测温法是根据矿物－水体系中同位素分馏系数α矿物-水及计算温度方程参数直接确定矿物与流体相间的平衡温度。内部测温法是指当岩浆岩或变质岩中，两个共生矿物与一个公共的流体相达成平衡，则这两个矿物之间的稳定同

3、位素也达到了平衡，并由α矿物-矿物值及温度方程计算出两个矿物之间的平衡分馏同位素温度。2.同位素平衡的判别同位素平衡是作为同位素地质温度计的首要条件，判别是否平衡的方法一般包括以下几种：（1）岩石学和化学平衡。在岩相学上不平衡的矿物对，或有时代或成分差异的矿物对，往往不能达到同位素平衡。非同时形成的矿物对或者经后期地质作用扰动的矿物对也通常达不到同位素平衡或同位素平衡被破坏。（2）根据共生矿物同位素相对富集顺序作定性的判断。（见教材P210）3.稳定同位素温度计目前已实验积累了一批矿物-水和矿物-矿物的稳定同位素分馏系数的实验数据（见下表，见教材P210-211），应用这些实验数据可方

4、便地进行稳定同位素地质温度计。6.7H、O同位素1.氢氧同位素地球化学氢氧是自然界中最主要的元素之一，在岩石圈、水圈、大气圈和生物圈广泛存在，并参与各种地质作用。在氢同位素中，1H与D同位素质量比差（ΔA/A）达100%，氧同位素16O与18O的质量比差达12.5%，在自然条件下，它们发生最大程度的同位素分馏，因此它们属于稳定同位素地质研究中最重要的同位素。氢有二种稳定同位素，它们是：1H（99.985%）和D（2H）（0.015%）。另外还有一种放射性同位素3H（氚），半衰期为12.5a左右，丰度值为1×10-15%。在氢同位素研究中，通常用δD表示：δD（‰）=[（D/H）样/(D

5、/H)标-1]×1000氧有三种稳定同位素，它们是：16O(9.762%)、17O(0.038%)和18O(0.200%)。在氧同位素研究中，通常用δ18O表示：δ18O（‰）=[（18O/16O）样/(18O/16O)标-1]×10002.氢、氧同位素分馏机理2.1氢同位素分馏机理（1）水的蒸发和冷凝过程中同位素分馏地球环境中水蒸气、水和冰这三相之间的相互转化非常容易造成氢同位素的变化，从而导致发生于大气圈、地球表面和上地壳中的蒸发、降水作用和沸腾、冷凝作用都能引起水中氢同位素组成的变化。此外，水的蒸汽压的差异以及冰点微小的差异也会导致氢同位素组成的变化。赤道大洋有最强的蒸发作用。水

6、分子经过反复多次的蒸发-凝聚分馏作用使内陆及高纬度地区雨、雪集中了最轻的水，而在低纬度地区大洋中心出现最重的水，同时δD和δ18O平行变异。克来格（Craig）统计不同纬度的大量大气降水样品的氢氧同位素成分得出以下统计关系式：δD=8δ18O+10这就是氢氧同位素关系的降水方程，又称之为Craig方程。该直线称为Craig线，也叫大气降水线。（2）平衡交换反应八面体晶格结构对矿物的氢同位素组成有重要影响，氢键长度越短，矿物中越亏损氘。Si-O键和Al-O键的的水解作用可以使得氢的扩散运移速度加快，这也证明水的存在可以促进氢同位素的扩散交换。有流体存在的系统与无流体存在的系统中，同位素交

7、换反应存在较大的差异，水的存在可以将氢的扩散速率提高两个数量级。（3）动力学同位素分馏有机分子热裂解过程中的动力学同位素分馏，在自然界很普遍。热裂解过程的氢同位素分馏与温度、裂解的时间和残留的分数等因素有关。由于含有轻同位素组成的功能团的断裂能较小，断裂速度较快，所以早期的裂解产物相对含轻同位素，其初始δD值可能低至-429‰。发生于光合作用过程中的氢同位素分馏作用使得有机物中结合的初始氢亏损氘（White,1989）。另外盐度的变化可以影响氢