同位素讲座.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Klicken Sie,um das Titelformat zu bearbeiten,Klicken Sie,um die Formate des Vorlagentextes zu bearbeiten,Zweite Ebene,Dritte Ebene,Vierte Ebene,Fnfte Ebene,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,同位素讲座,III.H,、,O,同位素基本原理,1,基础知识,自然界氢有两种天然稳定同位素：,1,H,和,D(,2,H),。,它们的丰度分别为：,H,（,1,H,）,:99.985%D(,2,H):0.015%,自然界氧有三种天然稳定同位素：,16,O,17,O,18,O,。,它们的丰度分别为：,16,O:99.762%,17,O:0.038%,18,O:0.200%,。,自然界中氢、氧同位素丰度,SMOW(Standard Mean Ocean Water),标准平均海洋水，作为世界统一标准。其同位素组成，在实验测定精度范围内，与大西洋，太平洋和印度洋开放洋区,500 2000,米深处平均海水样品测定值一致。,18,O(SMOW)=0,D(SMOW)=0,自然界中氧同位素组成分布,大家有疑问的，可以询问和交流,可以互相讨论下，但要小声点,自然界中氢同位素组成分布,平衡同位素分馏时,18,O,富集顺序,化学键对氧同位素分配的控制,硅酸盐矿物结构：,岛状,单链,双链,层状,架状,硅氧键与铝氧键：,Al-O,Si-O,双键：,C=O,比一般单键结合能强，所以碳酸盐相对富,18,O,。,18,O,在变质矿物中的富集顺序,变质矿物,石英,白云石,钾长石、钠长石,方解石,富,Na,斜长石,富,Ca,斜长石,白云母、钠云母,普通辉石、斜方辉石、透辉石,角闪石,橄榄石、石榴子石（锆石）,黑云母,绿泥石,钛铁矿,磁铁矿、赤铁矿,d,18,O(),+15.0,+14.2,+13.0,+12.8,+12.5,+11.5,+11.3,+10.5,+10.0,+9.5,+8.5,+8.0,+5.5,+4.5,注：泥岩经过中低度变质作用。,2,水与水,/,岩交换作用,全球的水循环,2.1,水循环（蒸发与凝聚过程）,天然水是,H,2,16,O,，,HD,16,O,，,D,2,16,O,，,H,2,17,O,，,HD,17,O,，,D,2,17,O,，,H,2,18,O,，,HD,18,O,，和,D,2,18,O,等不同类型同位素,水分子的聚合体。最轻的同位素水分子,H,2,16,O,在天然水,的含量中占绝对多数。,蒸发与凝聚是在大气与地表水，大气与海洋之间的,一种大面积的,H,、,O,同位素的交换过程。该过程对于,海洋，大气，大陆地表水的,H,、,O,同位素组成有重要,影响。,当水蒸发时，由于较轻的水同位素分子的零点能（,E,0,）较高，饱和蒸汽压较低，所以轻同位素分子优先富集于蒸汽相中进入空间，气体中的轻同位素,16,O,和,H,的含量增加。相对而言，留下的水中富集重同位素分子，水中的重同位素,18,O,和氘,(D),的含量增加。,蒸发过程同位素分馏（动力学分馏）,当水蒸发过程进行的很慢时，水,/,汽界面处于同位素平衡状态。在,25,C,时，在同位素平衡分馏条件下水分子蒸发，水,/,汽之间的分馏系数是：,水,-,气,（,D/H,）,=1.074,水,-,气,（,18,O/,16,O,）,=1.0092,这就是说，海洋上空与海水平衡之水蒸汽的,D,和,18,O,值分别比海洋水低接近,74,和,9.2,。由此分馏系数可以计算出，在,25,C,时，当水从海洋表面蒸发时气体的,值为：,D=-69,，,18,O=-9,空气湿度对一个地区水蒸发过程中的同位素平衡有很大影响。例如，当空气中的相对湿度接近,100,时，液相和汽相之间的交换可能建立同位素平衡。但是，当空气湿度相对低时，一般呈非平衡蒸发状态。如果水的蒸发速度进行得很快，水,/,汽之间的同位素分馏就会出现不平衡状态。,实际上太平洋上空水蒸汽平均为,D,-94,和,18,O=-13,，比平衡分馏蒸发的理论计算（,25,C,平衡时水蒸汽体的,D=-69,和,18,O=-9,）低一些，这是由于在自然界的蒸发作用多半在非平衡条件下（相对湿度远小于,100%,）。,在云中的水蒸汽冷凝成雨滴过程中，液相和汽相之间往往达到了同位素平衡，因为相对湿度基本在,100,。当从海洋表面蒸发水蒸汽时，水气中亏损,D,和,18,O,，液相中富集,D,和,18,O,。,凝聚过程同位素分馏,2.2,水及主要水的库源,1,）大气降水,所有大陆地表水，例如江水，河水，湖水，冰川，地下水，以及一些沉积盆地的卤水和地热水，都是来源于大气降水。而大气降水的来源是海洋表面的蒸发。大气降水的同位素组成变化较大，,D,值一般在,+50,-500,，,18,O,值一般在,+10,-55,。,影响大气降水,H,、,O,同位素组成的因素：,1,）纬度效应,纬度增加，则大气降水的,D,和,18,O,值减少。随着从海面蒸发的水汽的不断降雨的过程，剩余的水汽中越来越亏损,D,和,18,O,，其雨水和雪水中的,D,和,18,O,值也越低。,自然界最富集轻同位素的水是南极雪,(,冰,),水：,D,值为,-428.5,，,18,O,值为,-55.5,。,2,）海拔高度效应,高度上升，则大气降水的,D,和,18,O,值减少。一般对于,D,值，每升高,100m,，降低,1.2,4,；对于,18,O,值，每升高,100m,，降低,0.15,0.5,。,3,）大陆效应,越向内陆，大气降水的,D,和,18,O,值越降低。例如，广州，昆明和拉萨的年平均降雨的,D,值分别为,29,，,76,和,131,。,中国大气降水的氢同位素分布图,美国大气降水的氧同位素分布图,4,）季节效应,第一是温度效应。在冬季或干旱季节，大气降水的,D,和,18,O,值相对低；在夏季或雨季，,D,和,18,O,值相对高。第二是降雨量效应。降雨量大，大气降水的,D,和,18,O,值相对高；降雨量小，,D,和,18,O,值相对低。,美国大陆大气降水的氧同位素控制因素,2,）河水,河水有两种补给源：大气降水和地下水。不同地区，不同季节，它们对河流的补给量也不同。大气降水形成径流和小河，这些小河的同位素组成反映大气降水的特征，具有季节性变化特征。大河水系是由小河汇集而成，所以它们的同位素组成要复杂得多。,高山区的径流往往依赖于冰雪的融化，这种成因的小河流的同位素组成显示出季节性变化，但其季节性变化与大气降水的情况相反。在夏季时，大量冰雪融化，融水与夏季降雨相比亏损,D,和,18,O,，甚至低于冬季降雨。,总之，纬度，高度，离岸远近，季节（温度）等因素都对河流体系的同位素组成有影响，这些综合因素的影响常常造成在一条大河水系中，从源头到各支流，一直到河流的下游，水的同位素组成都有变化。,3,）湖水,湖水的同位素组成与水源的补给类型，湖泊所处的地理位置和自然环境条件密切相关。湖水的补给源是大气降水，河水或地下水。在临近海洋的地区，还可以是海水。这些不同的补给源都可以给湖水的同位素组成带来差异。湖水同位素组成存在季节性变化，纬度效应，大陆效应和高度效应。,此外，湖水还受着蒸发作用的影响。由于蒸发作用的影响，湖水相对于补给源水一般都相对富集重同位素，这一现象尤其在干旱地带的内陆湖泊中最为突出。,4,）海水,现代海洋：,D,0,，,18,O,0,（,SMOW,），组成变化小。由于表层海水优先逃逸,H,2,O,16,，所以表层海水相对富集重同位素。,影响海水,H,、,O,同位素组成的因素：（,1,）海水表层的蒸发和扩散。海水表层的,D,和,18,O,值一般大于零。（,2,）两极的深海水流。,D,和,18,O,值一般小于 零,受冰川作用影响。冰川,D,和,18,O,值远小 于零。（,3,）海底火山喷发和洋中脊热液作用影响。（,4,）近岸大陆河水的影响。（,5,）降雨量的大小，对表层海水有影响。,5,）地热水和热卣水,6,）岩浆水,岩浆水指岩浆中的水，或由岩浆派生出的水。在岩浆熔融体的气相和液相中，水是主要组分。在达数千巴压力下，硅酸盐熔浆中，水含量可达,5%,（重量）。岩浆岩大多形成在,600 1100,C,，在高温下矿物与岩浆水的分馏系数很小，因此岩浆与深成岩的氢和氧同位素组成与岩浆水的相近。岩浆水的,D,值一般在,40,85,，,18,O,值一般在,+5.5,9.5,。,2.3,雨水线,为什么大气降水的,H,、,O,同位素分布如此相似？,雨水线：,全球雨水,H,O,同位素组成的一个重要特征是,D,值与,18,O,值间有明显的线性关系（,Craig,1961,），该关系式如下：,D=8,18,O+10,但在实际中，有些地区雨水,D,与,18,O,的关系往往与上述雨水线方程有偏差。例如，我国八个城市雨水,H,、,O,同位素的关系为：,D=7.9,18,O+8.2,W,d,i,H2O,+,R,d,i,rock,=,W,d,f,H2O,+,R,d,f,rock,i,：初始值；,f,：交换后的最终值；,W,：大气降水的氧原子百分数；,R,：岩石的氧原子百分数,(,W/R,),封闭,=,d,f,rock,-,d,i,rock,d,i,H2O,(,d,f,rock,D,),D,d,f,rock,-,d,f,H2O,与交换时温度有关,2.4,水,/,岩交换作用,1),封闭系统,2),开放系统,(,W/R,),开放,=ln(,W/R,),封闭,1,IV.,火成岩研究中,H,、,O,同位素,1,岩浆结晶分异,2,岩浆去,H,2,O,或,H,2,S,气作用,氢同位素效应,实例,岩浆去,H,2,O,或去,CO,2,作用,氧同位素效应,岩浆去,CO,2,作用,碳同位素效应,实例,变质作用脱,CO,2,3,岩浆混合作用,Sr-O,同位素混合体系,地幔岩浆和地壳岩石的氧含量基本相等。,地壳混染：,地幔部分熔融产生的高,Sr,含量且低,87,Sr/,86,Sr,比值的岩浆与地壳岩石混合过程。,源区混合：,具有高,87,Sr/,86,Sr,比值的俯冲地壳物质重熔产生富,Sr,的岩浆混染了周边的地幔岩的过程。,Oxygen and hydrogen isotope studies of plutonic granitic rocks,d,D,d,18,O,Taylor,H.P.,Jr.(1978),Earth and Planetary Science Letters,38:177-210,深成岩与其围,岩,之间反应造成的化学和同位素交换；,深成岩与不同成因流体之间的反应；,围岩（沉积岩）的同化作用或变沉积岩的深熔作用对岩浆的影响,。,科学问题：,来自上地幔的岩浆同位素应是均匀的，,d,18,O,值在+5.5 到 +7.0（,SMOW),且,d,D,值在-50 到-85（,SMOW)。,在,高温岩浆过程中一般不可能产生大的同位素分馏作用。,近,地表的流体（如海水、大气降水）的,d,18,O,和,d,D,值与原始岩浆的同位素组成明显不同。,沉积岩明显富,18,O，（,例如：泥岩的,d,18,O,约为,+12,SMOW)。,基本知识,:,d,18,O,值 小于+6 的花岗岩：低,18,O,花岗岩,d,18,O,值 在,+6,和+10 之间的花岗岩：,正常,18,O,花岗岩,d,18,O,值 大于+10 的花岗岩：高,18,O,花岗岩,主要三种花岗岩类型:,注意:低,18,O,花岗岩的,d,D,值都 小于-85,常常低到-150,而其它类型花岗岩的,d,D,值 在-50到,-85,之间。,氧同位素体系,“,正常花岗岩”的,18,O,富集顺序（由贫至富）：,磁铁矿,黑云母,角闪石,白云母,斜长石,碱性长石,石英,正常的火成岩全岩的,d,18,O,值在,+6,到+9 的范围,且,d,18,O,值由低至高的顺序为,:,辉长岩,英云闪长岩,闪长岩,花岗岩,花岗岩相对富,18,O，,可能是由矿物的结晶分异或受沉积岩的同化混染。,from Taylor(1978),同化混染,（阳起石）,（叶蛇纹石）,（奥长花岗岩）,from Taylor(1978),与大气降水的高温水/岩交换,苏格兰西部,Skye,岩体,SKYE,from Taylor(1978),Mull,岛杂岩体,from Taylor(1978),与大气降水的交换,石英与长石之间的氧同位素分馏,石英,长石,石英,长石,水/岩比值,(,W/R,),封闭,=,d,f,rock,-,d,i,rock,d,i,H2O,(,d,f,rock,D,),D,d,f,rock,-,d,f,H2O,与交换时温度有关,1),封闭系统,2),开放系统,(,W/R,),开放,=ln(,W/R,),封闭,1,from Taylor(1978),from Taylor(1978),from Taylor(1978),增加与大气降水,的交换,增加水/岩比值,闪长岩,二长岩,from Taylor(1978),Idaho,岩基,（蚀变年龄,Ma,）,from Taylor(1978),Idaho,岩基,from Taylor(1978),Idaho,岩基,Central,剖面,from Taylor(1978),Idaho,岩基,Atlanta Lobe,剖面,显示东西向横穿剖面,点划线显示向南穿剖面的数据点,from Taylor(1978),Idaho,岩基,Bitterroot Lobe,剖面,一个,NE-SW,向的剖面,from Taylor(1978),W/R,比值逐渐增加,北美西海岸,大花岗岩省,from Taylor(1978),中国大别,-,苏鲁超高压变质岩研究,贫,18O,的锆石,Zheng et al.(2004),snowball Earth,（雪球地球）,荣成,M,类榴辉岩的氧同位素数据,储雪蕾等（,2005,）,V.,热液矿床中稳定同位素,d,D,d,18,O,Oxygen and hydrogen isotope relationships in hydrothermal mineral deposits,Taylor,H.P.,Jr.(1997)In:Barnes,H.L.,Geochemistry of Hydrothermal Ore Deposits3rd.Edition,John Wiley&Sons,pp.229-302.,Isotopic equilibrium,H,2,18,O+0.5 Si,16,O,2,H,2,16,O+0.5 Si,18,O,2,a,K,temperature-dependent,from Taylor (1997),1000 ln,a,石英对主要造成岩矿物的氧同位素平衡分馏系数,from Taylor (1997),矿物对,H,2,O,的氢同位素平衡分馏系数,成矿流体中可能的水的来源：,大气降水（雨水）,海水,地热水,建造水（古地下水,卤水）,变质水,岩浆水,d,D,d,18,O,MWL,from Taylor (1997),各种地质流体的氢、氧同位素组成,Water/Rock Ratio,W,d,i,H2O,+,R,d,i,rock,=,W,d,f,H2O,+,R,d,f,rock,iinitial valueffinal value after exchangeWatom%oxygen from meteoric waterRatom%oxygen from rock,W/R,=,d,f,rock,-,d,i,rock,d,i,H2O,(,d,f,rock,D,),D,d,f,rock,-,d,f,H2O,temperature-dependent,显示成矿流体是岩浆水或变质水与大气降水的混合,看来向右的方向代表围岩沉积岩渗透率低或,W/R,比值低,from Taylor (1997),淺成热液矿床,火山岩中的,Au-Ag,矿床的,d,D-,d,18,O,图,from Taylor (1997),一些热液矿床的,d,D-,d,18,O,图,d,18,O,全岩,是探查热液系统的手段,，也成为寻找热液矿床的工具,from Taylor (1997),from Taylor (1997),Bulls Eye(,舷窗,)structure“,