氢、氧同位素地球化学

自然界氢有 H，D 和极微量的氚三种同位素，相对丰度为 99.9844％和0.0156％。氢同位素相对质量差最大，同位素分馏也最明显。氧有 16O，17O，

18O 三种同位素，其相对丰度为 99.762％、0.038％，0.200％。

氢、氧为分布最广的元素，氢、氧同位素研究涉及宇宙、月球、地球各层圈，包括岩石圈、水圈、气圈，特别是各种各样水的氢、氧同位素研究，它对多种成岩成矿作用过程及物质来源具有重要意义。7.3.1 水的氢、氧同位素组成

大气水

大气水、或雨水，是指新近参加大气循环的雨、雪、河、湖、地下水等一类水的总称。大气水的同位素组成变化幅度大，δ D 值从+50 到-500‰，δ

18O 从+10 到-55‰，总的讲大气水比海水贫 D 和 18O。

大气水的同位素组成呈有规律的变化：从赤道到高纬度地区、从海洋到大陆内部、从低海拔到高海拔地区，重同位素的亏损依次递增，构成所谓的纬度效应，大陆效应和高度效应，以及季节效应，降水量效应等。这是由于水在蒸发、凝聚过程中的同位素分馏 293 效应，蒸发时轻同位素优先汽化，凝聚时重同位素优先液化，随着蒸发、凝聚过程的不断进行，造成轻同位素在逐渐增加。

大气水同位素组成的另一特点是δD 和δ18O 之间有明显线性关系，有δD＝8δ18O+10 （7.9）

称为雨水线方程或 Craig 方程，如图 7.1 所示。这个方程的实质是：在 T=25

℃时，

α18O

水−汽

( ¹⁸ O / ¹⁶ O)

= 水

( ¹⁸ O / ¹⁶ O)

= 1.0092

αD水−汽

= (D / H) 水

(D / H) 汽

汽

= 1.074

亦即： δ18O 水-δ18O 汽=9.15 δD 水-δD 汽=71.4

将上两式相除，即可得 Craig 方程。因此方程中的斜率反映了同位素平衡条件下水汽二相氢、氧同位素富集系数之比，而截距则反映了汽相中氢、氧同位素组成的绝对值差。但如果只考虑海水蒸发和大气凝聚的平衡过程，则δ18O 海水≈0，δD 海水≈0，处于平衡水汽中的δ18O 汽=-9.14，δD 汽=-74，应该是δD 水=8δ18O，没有截距，不完全符合 Craig 方程，可见式（7.9）是考虑了分馏的动力学特征。由于温度及过程进行的程度不一，各地区的氢、氧同位素组成有时并不严格服从 Craig 方程，但原则上方程斜率可用特定温度下大气水凝聚过程同位素平衡交换结果解释，截距则包含了动力分馏结果，它是由同位素质量差、温度、环境等诸因素决定的。

温泉地热水、深成热卤水

根据对美国几个主要热泉和我国西藏地区地热田的工作表明，它们主要是大气降水经深部循环的加热产物。其δD 值和纬度效应一致，δ 18O 值则变化较大，偏向更大值，这种氧同素和大气降水值的漂移取决于热水温度，围

岩的δ18O 值和水岩交换作用中水/岩的比值等。热卤水是富含金属成矿物质的高浓度盐水物质，热卤水的氢、氧同位素大致和大气水一致，部分来自深海水。

岩浆水、变质水

岩浆水是在高温岩浆状态下始终与岩浆保持化学和同位素反应与平衡的一种水。硅酸盐熔浆中水的重量可达 5％，人们无法取得岩浆水的样品，只能根据岩浆矿物气、液包裹体的同位素组成来推断。岩浆大多形成于 700— 1000℃的高温，高温下岩浆与水之间的平衡分馏系数很小。所以也可根据火成岩和矿物的同位素组成来估算。大多数火山岩和深成岩具有比较一致的同位素组成，其范围是：

δ18O：+5.5～+8.5‰，δD：-40～-80‰。

变质水是指区域变质作用时存在于岩石孔隙或与岩石伴生的水，其同位素组成是通过矿物包体测温和平衡计算间接得出。在 300—600℃变质温度下，变质水的δ18O=5‰～25‰，δD=-20‰～-65‰，主要受原岩性质和变质温度控制。

来自地幔的与超基性岩平衡的水称为原生水或初生水，由于温度很高，分馏系数α趋近于 1。水的同位索组成接近岩石，其δ18O=6％～8‰，δD=- 50‰±20‰，是根据幔源金云母的 D/H 比值估算的。