1. 岩石中的氢、氧同位素

    1. 火成岩

火成岩中氢主要存在于角闪石、黑云母等含水矿物。其δD 值可从-30‰ 到-180‰，与岩石类型及成因没有简单的明确关系。火成岩中氧同位素组成总的变化范围约为δ18O 从 5‰～13‰。其变化趋势是从基性到酸性，δ18O 值依次增大。

火成岩的δ18O 值变化与其组成矿物的δ18O 密切相关，其造岩矿物的δ 18O 同样反映了与岩浆结晶分异顺序相一致的变化规律。即从孤立岛状四面体的橄榄石到链状辉石、层状云母和架状长石、石英，δ 18O 依次升高。这种变化规律首先是与各矿物的结晶温度有关，温度越高，同位素分馏越弱，δ 18O 越低，其次和矿物的晶体化学性质有关。因为硅酸盐中阳离子与氧结合力及阳离子的质量大小控制着分子的振动频率，键愈短，则键力愈大、振动频率就高，阳离子质量愈小，振动频率也愈高。而从同位素分馏理论来看，振动频率高的氧原子的硅酸盐富 18O，这就说明为什么石英中δ18O 最高。

未遭受后期地质作用叠加的岩石中各种矿物的δ18O 值亦成有规律变化，如花岗岩中达到氧同位素平衡时的δ18O 值，依次有石英（8—11）、碱性长石（7—9）、斜长石（6—9）、白云母、角闪石（6—7）、黑云母（4

—7）、磁铁矿（1—3）等。各矿物间相差 1‰—2‰，如果不符合以上顺序或偏离太大，则说明平衡可能遭到了破坏。

幔源镁铁质岩石具有很窄的δ18O 值，一般为 5‰—7‰，与球粒陨石一致。愈向酸性，岩石中δ18O 愈大且分散，这种变化可由诸多因素造成，如岩浆的结晶温度、岩浆水的δ18O、岩浆分离结晶作用、岩浆与围岩及水溶液的作用、以及在固相线下矿物重新平衡所产生的退化效应等。

  1. 沉积岩

沉积岩中的氢、氧同位素组成主要受二种因素控制：一是水岩同位素交换反应，低温下分馏强，如碳酸盐岩、粘土岩具高的δ18O 和δD 值。二是生物沉积岩中的生物分馏，往往造成岩石中很高的δ18O 和δD 值。总体上讲沉积岩以富 18O 和 D 为特征。

碎屑岩的同位素成分有时未与环境达到平衡，以石英为主的碎屑岩的δ

18O≈8‰—15‰。自生石英和碎屑石英组成不同。在沉积条件下，砂粒级石

英的同位素交换很弱，在搬运、沉积和成岩过程中不会改变原来的同位素组成，因此碎屑石英的δ18O 值可用来鉴别是火成成因还是变质成因。长石也有类似的情况。

粘土岩或粘土矿物主要是硅酸盐矿物化学风化产物，部分是沉积和成岩作用形成，其同位素组成取决于其粘土一水体系的平衡分馏，粘土矿物形成过程中介质水的组成和环境温度。研究表明，粘土矿物的氢、氧同位素关系可用下式表达：

δD=A·δ18O+B

其中 A 取决于氢、氧同位素分馏程度比，与环境温度有关，B 取决于体系中水的同位素组成对

蒙脱石：δD=7.3δ18O-260 对高岭石：δD=7.5δ18O-220

该方程大致平行 Craig 线，但在相同δ18O 情况下其δD 值明显偏低。3.变质岩

由于变质岩原岩物质的多样性和变质作用温度范围的宽广性，其同位素组成变化范围也很大。各种含羟基矿物的δD 可从-30‰～-110‰。在许多情况下和火成岩含水矿物和沉积粘土矿物的δD 值重叠。变质岩的δ18O 也介于火成岩和沉积岩之间，为 6‰～25‰。变质岩及其矿物的氧同位素组成可提供有关原岩性质、变质温度、矿物反应机理、流体相（水蒸汽、CO2）的来源和数量、同位素交换的程度等方面的重要信息。

4.氧同位素地质温度计

同位素地质温度计测定的是地质体中同位素平衡的建立和“冻结”时的温度。由于同位素交换反应是等体积分子置换，并不引起晶体结构本身的变化，因而同位素地质测温不受压力变化的影响，无需考虑压力校正。

同位素交换反应的平衡分馏系数α是温度的函数，α和温度 T 之间关系的确定，既可从理论上计算，也可实验测定，但两者往往有较大不同，故常用实验法确定。一般有：

1000lnα=A/T2+B （7.10）

其中 A，B 为常数，与矿物种类有关，T 是绝对温度，此式即为同位素地质温度计基本公式。公式的适用范围大致是 100℃—1200℃。当温度接近或低于100℃时，下列关系更接近实验结果。

1000lnα=A'/T+B'

即简化分馏系数和温度的倒数呈线性关系。

实验测定时很难得到矿物与矿物之间的同位素交换反应数据，一般都是测定矿物与水之间分馏关系，然后根据同位素富集系数相加原理换算成矿物与矿物之间分馏方程。表 2.1 和图 7.2 列出了某些矿物对的同位素计温方程和分馏系数与温度关系图。表 2.1 中 A，B 含义如公式（7.10）所示。

由图 7.2 和表 2.1 可知石英—磁铁矿矿物对具有最灵敏的氧同位素地温

计。因为石英的δ18O 最大而磁铁矿的δ18O 最小，所以两者有最大的分馏系数，而且石英、磁铁矿分布比较广泛，在火成、变质、热液等各种矿床中紧密共生，所以石英磁铁矿氧同位素温度计应用最广，可靠性也较强。

氢同位素地温计无论在研究程度上还是地质应用上远不如氧同位素地温计。