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第06章 稳定同位素地球化学01

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地质 储层 沉积 地化 层序地层
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第六章 稳定同位素地球化学第五章 稳定同位素地球化学第一节 基本概念及分馏机理第二节 同位素地质温度计第三节 氢 、 氧同位素地球化学第四节 碳同位素地球化学第五节 硫同位素地球化学第一节 基本概念及分馏机理一. 基本概念二. 同位素分溜机理一. 基本概念1. 稳定同位素及其丰度什么是稳定同位素 ?1. 具有相同的质子数但不同的中子数的元素2. 没有放射性P=6N=6P=6N=78O+8 指某一同位素在所有各种稳定同位素总量中的相对份额 , 常已以同位素与 1H( 取 1H=1012) 或 28取 28106) 的比值表示 。相对丰度:某种元素的各种同位素所占的原子百分比 。影响同位素丰度的因素:a) 与核合成有关的过程b) 与放射性衰变有关的过程c) 同位素分馏13C 2C 12C = of • 13C = of • 13C = of 0.3 730 .5 15a (、 同位素效应及其分溜同位素效应-由于不同同位素的造成分子的质量差 ,这种质量差会引起该分子在物理和化学性质上的差异 。同位素分溜-是指在一系统中 , 某元素的同位素以不同的比值分配到两种物质或物相中的现象 。 e a c ta o du c 8 w a t e r - v a p ou 6 w a t e 6 v a p ou O/ O)( O/ O)=δ值 d - ‰d 1818 16 18 1618 16 O s a m p l es a m p l e r e f e r e n c er e f e r e n c e=m ) ( / )( / )d 1818 1618 16 1 1000O Os a m p l es a m p l er e f e r e n c e=  ( / )( / )‰ 1000和同位素分溜值 Δ = 0 0 = 0 0第一节 基本概念及分馏机理一. 基本概念二. 稳定同位素分溜机理二、稳定同位素分溜机理1. 同位素分馏效应: 由于同位素质量不同 , 引起单质或化合物在物理 、 化学性质上发生变化的现象即同位素效应 同位素分馏效应的分类: 物理效应 热力学效应 动力学效应2. 同位素热力学平衡分溜a) 同位素热力学平衡分溜是指体系经过同位素热力学平衡交换反应而达到平衡状态时 , 同位素在两种分子或化合物间的分馏 。b) 同位素交换反应分类: 同位素分子变种之间的歧化反应:同种化学分子的不同同位素分子间的交换22简单的同位素交换:同位素在不同分子间的交换复杂的同位素交换:在不同的分子间进行反应,每种分子又因歧化反应,又有不同的同位素分子。如氨( 水( c) 同位素交换反应的特点 同位素交换反应是可逆的 反应前后的分子数和化学组成都不发生改变 , 只有同位素浓度在组分间发生改变; 同位素交换反应的热效应小 , 比化学反应的热效应小2 因此 , 同位素交换反应基本是恒温下进行的; 平衡常数 ( K)是温度的常数 , 但由于热效应趋于 0, 平衡常数变化很小 , 当 K≈ 1。O)(H)O(H)O( 2 2 22161621 / 2218162218182216=d. 平衡常数和分溜系数的计算 根据同位素交换反应的同位素分子浓度计算 热力学方程计算 ΔG° /H)O(H)O( 2 2 22161621 / 2218162218182216=e. 影响同位素平衡分馏的主要因素: 温度如理想气体间同位素分溜系数随温度变化近似下列公式:1/T 化学键性质一般 , 离子电位高和原子质量小的离子所形成的键具有高的振动频率 , 重同位素优先富集在较强的化学键中 。结构不同的影响:重同位素富集在比较紧密堆积的或者有序度高的结构中;同一矿物中的不同键合位臵中 , 化学键的强度相差愈大 ,同位素分馏也愈显著;二、稳定同位素分溜机理1. 同位素分馏效应:2. 同位素热力学平衡分溜3. 同位素动力学分溜3. 同位素动力学分溜a) 同位素动力学分溜 …… 是指偏离同位素平衡分溜的一类同位素分馏现象;不同类型的物理 、 化学 、 生物过程的动力学性质都能引起同位素的动力分馏;b) 同位素动力学分馏发生情况: 1)矿物形成时 , 与体系没有达到同位素平衡; 2)矿物形成时 , 与体系达到平衡 , 但在矿物形成之后由于外界条件发生变化c) 化学反应中的动力分馏在一个单向化学反应中 , 由于不同同位素分子反应速度的差异 , 会引起反应物于产物之间的同位素分馏d) 同位素交换反应中的动力分馏在同位素交换反应中 , 如果正向和逆向反应速度不等时 ,也会发生动力分馏二、稳定同位素分溜机理1. 同位素分馏效应:2. 同位素热力学平衡分溜3. 同位素动力学分溜4. 与质量无关的分溜4. 与质量无关的分溜 氧同位素 与质量无关的分馏产生的原因三氧图 非质量分馏产生的原因 核过程光化学反应放电或激电作用第二节 同位素地质温度计一. 基本原理二. 分溜方程的建立三. 同位素平衡判别四. 测温方法和测温方程一、基本原理基本原理:两个矿物 、 两相或两个分子 ( ) 达到平衡时 , 它们之间的同位素交换平衡系数与平衡温度之间存在一定的函数关系 。分馏系数与温度的关系1000 ln a ≈ - = A(106+ 馏系数; K) ;对于给定的同位素交换反应为常数 。1000 a(106/+ b(103/T) + 方程:1000 a(106/+ b(103/T) + 绝对 温度 , a, b, 和 c 为 常数 矿物对共生• 矿物对化学和同位素达到平衡• 矿物对的选取,常见的、在较大的温度和压力下稳定、成分简单• 矿物对分溜大,分溜系数越大越好• 分溜方程和曲线要准确矿物对的同位素温度计参数矿物 (对) A 水 3 . 3 8 - 3 白云母 - 水 2 . 3 8 - 3 磁铁矿 - 水 - 1 - 3 方解石 - 水 2 . 7 8 - 3 硬石膏 - 水 3 . 8 7 8 - 3 石英 - 白云母 2 . 20 - 0 辉石 - 橄榄石 1 . 24 0辉石 - 石榴石 0 . 20 0二、分溜方程的建立理论计算实验标定经验估测三、同位素平衡的判别1. 共生矿物的同位素富集顺序判别法2. 等温线图解法3. Δ- δ图解法4. Δ- Δ图解法三、同位素平衡的判别1. 共生矿物的同位素富集顺序判别法2. 等温线图解法3. Δ- δ图解法4. Δ- Δ图解法三、同位素平衡的判别1. 共生矿物的同位素富集顺序判别法2. 等温线图解法3. Δ- δ图解法4. Δ- Δ图解法三、同位素平衡的判别1. 共生矿物的同位素富集顺序判别法2. 等温线图解法3. Δ- δ图解法4. Δ- Δ图解法四、同位素测温方法和常用的测温方程氧同位素测温方法:1. 外部测温法2. 内部测温法3. 单矿物测温法四、同位素测温方法和常用的测温方程氧同位素测温方法:1. 外部测温法2. 内部测温法3. 单矿物测温法四、同位素测温方法和常用的测温方程氧同位素测温方法:1. 外部测温法2. 内部测温法3. 单矿物测温法四、同位素测温方法和常用的测温方程四、同位素测温方法和常用的测温方程四、同位素测温方法和常用的测温方程第五章 稳定同位素地球化学第一节 基本概念及分类机理第二节 同位素地质温度计第三节 氢 、 氧同位素地球化学第四节 碳同位素地球化学第五节 硫同位素地球化学第三节 氢、氧同位素地球化学一. H、 不同地质储库的 H、 H、 A/A)D/H = 100%(A/A)6 = ,D,6O, 17O, 18O,~17O (18O (()/(1618161818=s t a n d a r ds a m p l 1) 蒸发 8O) = (18O/16O) l / (18O/16O)V= D) = (D/H)l /(D/H)V = 与 d 18d D = 8 d 18O + 10同位素地球化学基础(2)水 1/2 (18O/16O)18O/16O) 1/3 石中富重同位素原因:键强度同位素地球化学基础( 3) 矿物晶格的化学键对氧同位素的选择离子与氧之间的键强度顺序为: 云石 硬石膏碱性长石 方解石白榴石霞石 蓝晶石钙长石海绿石 十字石石榴石 普通辉石 角闪石黑云母榄石 榍石同位素地球化学基础( 4) 生物分馏作用植物通过光合作用 , 使 18 释放出16 2(n + 1) 大气降水变化范围大纬度效应内陆效应高程效应 高程 高 , d 18高 d 182) 岩浆岩( 3) 沉积岩:最高的 4) 变质岩:1) 矿物和矿床的成因根据矿物及其中的流体包裹体研究同位素地球化学基础( 2) 花岗岩成因o = 型花岗岩: o = 3) 古环境 ( 纬度 ) 的确定第三节 氢、氧同位素地球化学一. H、 不同地质储库的 H、 H、 、 各类水体的 H、 大气降水 海水 初生水 孔隙水2. 地外物质的 H、 、 各类水体的 H、 地外物质的 H、 各类地球岩石的 H、 、氧同位素地球化学一. H、 不同地质储库的 H、 H、 H、 地幔 H、 陨石的 岩浆岩 热液蚀变与水-岩相互作用4. 超高压变质岩的 H、 成矿热液的 H、 古气候变迁的氧同位素记录7. 氧同位素地层学1、 地幔 H、 大部分地幔岩石的 δ18 与月岩 、 陨石相似( + 5~+ 6 ‰ ) ;b) δ18有318原因: 1)俯冲再循环地壳物质对地幔的混染作用; 2)地幔交代流体与被交代岩石之间的不平衡反应;b) 意义: 1)判明地幔源区的物质来源和 2)地幔流体作用;c) δ181)俯冲再循环的低温蚀变洋壳物质或具有高δ18O 的陆壳;和 2) 下地壳具高 δ18d) δ181)俯冲再循环的高温蚀变洋壳物质或具有低 δ18O 的陆壳; 2)由地幔柱带来的经历了核-幔氧同位素分馏的核-幔边界物质c) 地幔的 δa) 去气作用和剩余熔体的 δH、 地幔 H、 陨石的 岩浆岩 热液蚀变与水-岩相互作用4. 超高压变质岩的 H、 成矿热液的 H、 古气候变迁的氧同位素记录7. 氧同位素地层学氧同位素异常50 30 10 0 10et 2000et 20017159 ‰ )‰)三、 H、 地幔 H、 陨石的 岩浆岩 热液蚀变与水-岩相互作用4. 超高压变质岩的 H、 成矿热液的 H、 古气候变迁的氧同位素记录7. 氧同位素地层学3、岩浆岩 热液蚀变与水-岩相互作用a) 低温地下水的 δ18b) 高温岩浆水的 δ18c) 在产生热液蚀变是低温地下水和高温岩浆水发生H、 三、 H、 地幔 H、 陨石的 岩浆岩 热液蚀变与水-岩相互作用4. 超高压变质岩的 H、 成矿热液的 H、 古气候变迁的氧同位素记录7. 氧同位素地层学4、 超高压变质岩的 H、 188‰ ~- 10‰ , 是全球馏辉岩中最低的 , 由于部分矿物的氧同位素分馏保持了平衡 , 说明是其母岩的氧同位素特征 。此特征说明馏辉岩的原岩曾与贫 δ18三、 H、 地幔 H、 陨石的 岩浆岩 热液蚀变与水-岩相互作用4. 超高压变质岩的 H、 成矿热液的 H、 古气候变迁的氧同位素记录7. 氧同位素地层学5、成矿热液的 H、 D - δ18 0- 7 0- 6 0- 5 0- 4 0- 3 0- 1 0 . 0 - 9 . 0 - 8 . 0 - 7 . 0 - 6 . 0 - 5 . 0 - 4 . 0¥ä18O( ¢¶ )¥äD(¢¶)2 0 0 1 - 1 1 - 2 82 0 0 2 - 1 - 2 32 0 0 2 - 3 - 2 22 0 0 2 - 5 - 3 02 0 0 2 - 8 - 32 0 0 2 - 9 - 2 5三、 H、 地幔 H、 陨石的 岩浆岩 热液蚀变与水-岩相互作用4. 超高压变质岩的 H、 成矿热液的 H、 古气候变迁的氧同位素记录7. 氧同位素地层学1 0 1 2010203040(% o ) (% o )G. sa cc 104of ad 999)y r 1000 2000 3000 4000500100015002000250030003500第五章 稳定同位素地球化学第一节 基本概念及分类机理第二节 同位素地质温度计第三节 氢 、 氧同位素地球化学第四节 碳同位素地球化学第五节 硫同位素地球化学第四节 碳同位素地球化学第四节 碳同位素地球化学一. 碳同位素组成与分馏二. 不同地质储库的碳同位素组成三. 碳同位素的地质应用自然界中的碳同位素12C = 3C = 、碳同位素组成与分馏1. 碳同位素组成2. 生物作用过程的动力学分馏效应光合作用--导致动力学分馏3. 碳同位素交换反应13. 碳同位素的分馏反应:氧化 2 6> 2C (o)同位素交换反应13 ) +12 ) 12 ) +13 )a = 2(液 )/2(气 )=o : 232S + 34 a=(34S/32S) 34S/32S) δ3480%。硫为变价元素 , 从氧化环境至还原环境 , + 6至- 2价;不同硫化物因价态 、 化学键的差异 , 产生明显的硫同位素分馏;硫同位素平衡分溜价态的影响 , δ34 o ===========> 有机质分解 、 有机还原和无机还原;自然环境硫同位素特征岩浆岩具有很窄的 其 %o) 约为零;蒸发硫酸盐和海水具有正的 积岩具有宽广的 与其复杂的来源有关 。2、不同地质储库的硫同位素组成大气圈 、 水圈和生物圈的硫同位素组成地外物质的硫同位素组成各类地球岩石的硫同位素组成2、不同地质储库的硫同位素组成大气圈 、 水圈和生物圈的硫同位素组成地外物质的硫同位素组成各类地球岩石的硫同位素组成3. 1) 矿床物质来源 ( 沉积岩 , 岩浆岩 ? )( 2) 硫同位素地质温度计
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