具体描述
"Stable Isotope Geochemistry" is an introduction to the use of stable isotopes in the geosciences. It is subdivided into three parts: theoretical and experimental principles; fractionation processes of light and heavy elements; and, the natural variations of geologically important reservoirs. Since the application of stable isotopes to earth sciences has grown in the last few years, a new edition appears necessary. Recent progress in analysing the rare isotopes of certain elements for instance allow the distinction between mass-dependent and mass-independent fractionations. Special emphasis has been given to the growing field of 'heavy' elements. Many new references have been added, which will enable quick access to recent literature. For students and scientists alike the book will be a primary source of information with regard to how and where stable isotopes can be used to solve geological problems.
《稳定同位素地球化学》是一本关于地球科学领域关键工具——稳定同位素——原理、应用和最新进展的权威著作。本书深入探讨了稳定同位素在揭示地球系统各个组成部分（如地壳、地幔、大气、水圈、生物圈）的形成过程、物质循环、环境变化以及生命演化等方面的巨大潜力。 本书的独特之处与核心价值： 本书并非一本单纯的同位素数据汇编，而是以严谨的科学逻辑，系统地构建了一个理解稳定同位素地球化学的知识框架。它强调了从基础理论到实际应用的转化，使读者能够不仅理解“是什么”，更能理解“为什么”和“如何做”。 一、 稳定同位素基础理论的深度解析： 本书开篇便对稳定同位素的物理化学基础进行了全面梳理。它详细阐述了同位素的概念，重点聚焦于非放射性同位素，例如氢（¹H, ²H）、碳（¹²C, ¹³C）、氮（¹⁴N, ¹⁵N）、氧（¹⁶O, ¹⁷O, ¹⁸O）、硫（³²S, ³³S, ³⁴S, ³⁶S）等。书中不仅介绍了这些同位素的丰度，更深入地探讨了同位素分馏的各种机制，包括： 质量效应（Mass Effect）： 这是稳定同位素分馏最根本的驱动力，解释了由于同位素质量差异导致的化学反应速率和物理过程中的细微差别。本书会详细讲解动量守恒、振动频率、蒸发、扩散等过程中质量效应的具体表现。 动力学分馏（Kinetic Fractionation）： 发生在化学反应速率不同或物理过程非平衡状态下的同位素分馏。本书将通过丰富的例子，如水循环中的蒸发与凝结、生物过程中的代谢、矿物形成过程中的扩散等，来阐释动力学分馏的原理和影响因素。 平衡分馏（Equilibrium Fractionation）： 发生在化学反应处于平衡状态下的同位素分馏。本书会深入分析温度、压力以及化学环境对平衡分馏的影响，并介绍热力学模型在预测和解释平衡分馏中的作用。 核区效应（Nucleosynthetic Effect）： 虽然稳定同位素地球化学主要关注质量效应，但本书也会对核合成过程中产生的同位素异常（如¹⁷O异常）进行简要介绍，指出其在追溯物质来源和地球早期演化中的独特价值。 此外，本书还详细介绍了稳定同位素比值（如δ¹³C, δ¹⁸O, δD等）的定义、计算方法以及其作为指示器的重要性。读者将学习如何利用这些比值来量化物质的来源、转化过程以及环境条件的改变。 二、 稳定同位素在地球科学各个领域的广泛应用： 本书的精髓在于其对稳定同位素在地球科学各个分支领域广泛应用的深入探讨。每一章节都将以案例研究和理论分析相结合的方式，展示稳定同位素如何解决复杂的地球科学问题。 水文学与水资源研究： 水循环的示踪： 利用δD和δ¹⁸O等氢氧同位素，本书将详细介绍如何追踪降水、地下水、地表水、冰川和水汽之间的联系，揭示区域水循环的动力学过程。 地下水来源与运动： 如何通过同位素分析确定地下水的补给来源（降水、灌溉水）、地下水流动的路径和速度，评估地下水与地表水的相互作用。 蒸发蒸腾过程研究： 解释同位素如何反映蒸发强度和植物蒸腾作用，为水资源管理提供依据。 古气候重建： 通过分析冰芯、湖泊沉积物中的水体同位素，本书将展示如何重建过去的气候条件，如温度、降水量、季风强度等。 古气候学与古环境学： 地球生命史的密码： 稳定同位素是研究古气候和古环境最强大的工具之一。本书将详细介绍如何利用沉积岩、化石（如海洋生物碳酸盐、牙齿釉质）中的碳、氧、氮、硅同位素来重建古代海洋和陆地环境的温度、盐度、生产力、植被类型等。 陆地生态系统的演变： 利用植物组织（如叶片蜡质、纤维素）中的碳同位素（δ¹³C），本书将展示如何追踪古代植被的演替，理解光合作用方式（C3, C4, CAM）的变化，以及生物圈与大气CO₂浓度的相互作用。 海洋环境的动态： 通过分析海洋生物壳体（如介形虫、有孔虫）和沉积物中的同位素，本书将探讨古代海洋的温度、溶解氧、营养盐循环、以及海洋碳酸盐体系的变化。 地质学与岩石学： 地壳和地幔的起源与演化： 稳定同位素（如氧、硅、锂、钾）在地幔熔融、岩浆分异、蚀变作用以及地壳物质循环中扮演着关键角色。本书将深入探讨利用同位素示踪来区分不同地幔源区、研究岩浆上升和结晶过程、以及理解地壳物质的改造和再循环。 矿物形成过程的约束： 阐述矿物形成过程中的同位素分馏如何为矿物的形成温度、压力、水-岩反应过程以及流体来源提供关键信息。 变质作用与流体-岩石相互作用： 利用同位素分析，本书将解释变质岩的形成过程中，流体（水、CO₂等）的来源、迁移和与岩石的相互作用如何影响变质矿物的同位素组成。 生物地球化学与生态学： 食物网的结构与能量流动： 氮（δ¹⁵N）和碳（δ¹³C）同位素是研究食物网结构和营养级效应的经典工具。本书将详述如何利用这两种同位素来确定生物体在食物链中的位置，量化能量在不同营养级之间的传递效率。 生物代谢与生理过程： 详细介绍碳、氮、硫、氢等同位素在追踪生物体的代谢途径、营养吸收、物质转化过程中的应用。 生态系统物质循环： 探讨稳定同位素在研究碳、氮、硫等元素在土壤、植物、微生物之间的循环过程中的作用，以及环境变化对这些循环的影响。 生物地球化学循环的古记录： 通过分析古代生物体或沉积物中的同位素，本书将展示如何重建古代生物地球化学循环的模式和速率，理解其对地球生命演化的驱动作用。 行星科学与宇宙化学： 地球与其他行星的形成与演化： 稳定同位素是揭示太阳系形成和行星形成过程的宝贵线索。本书将简要介绍稳定同位素在地幔、地核、大气以及陨石中的异常同位素组成如何为研究行星物质来源、行星分异以及地外生命的可能性提供证据。 三、 现代分析技术与数据处理： 本书不仅关注理论和应用，也兼顾了实际操作。它将介绍当前稳定同位素分析的主流技术，包括： 同位素质谱仪（IRMS）： 详细介绍同位素质谱仪的工作原理，包括样品准备、离子化、质量分离、检测等关键环节。 激光吸收光谱仪（CRDS）与可调谐二极管激光光谱仪（TDLAS）： 介绍这些新兴技术在特定同位素分析中的优势，如高精度、原位分析等。 在线分析系统： 讨论如何将同位素质谱仪与色谱（GC-IRMS, LC-IRMS）等联用，实现复杂样品组分的同步分离和同位素分析。 此外，本书还将探讨稳定同位素数据的处理、可视化和建模方法。读者将了解如何进行数据质量控制、误差分析，以及如何利用统计学和地球化学模型来解释和解释同位素数据。 四、 未来发展方向与前沿研究： 《稳定同位素地球化学》紧跟学科前沿，将对未来研究方向进行展望。例如： 高精度同位素分析的新技术： 探索更高精度、更小样量、更复杂样品分析的可能性。 多同位素体系联合示踪： 强调结合多种稳定同位素体系（如C-N-O, H-O-S）来更全面地理解复杂过程。 同位素在气候变化和环境监测中的应用： 关注如何利用稳定同位素更有效地监测和预测气候变化对生态系统和水资源的影响。 同位素在生命科学和医学领域的交叉应用： 展望稳定同位素在疾病诊断、营养研究、环境毒理学等领域的潜在应用。 同位素在人工合成材料和环境修复中的应用： 探索同位素作为示踪剂在模拟自然过程和评估人工修复效果中的作用。 适用读者对象： 本书适合地球科学、环境科学、地质学、水文学、生态学、生物学、化学等相关专业的本科生、研究生、科研人员及从事环境监测、资源评估、科学研究的专业人士。无论您是初学者希望建立扎实的理论基础，还是资深研究者寻求最新的研究进展和技术指导，都能从本书中获益匪浅。 《稳定同位素地球化学》以其全面深入的内容、严谨的科学逻辑、丰富的实例以及对前沿领域的关注，必将成为稳定同位素地球化学领域不可或缺的参考书，为推动相关学科的发展贡献力量。
作者简介
目录信息
Contents
1 Theoretical and Experimental Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 General Characteristics of Isotopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Isotope Effects. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Isotope Fractionation Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.1 Isotope Exchange. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.2 Kinetic Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.3 Mass Dependent and Mass Independent Isotope Effects . . . . 12
1.3.4 Multiply Substituted Isotopologues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.5 Diffusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3.6 Other Factors Influencing Isotopic Fractionations . . . . . . . . . 17
1.3.7 Isotope Geothermometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.4 Basic Principles of Mass Spectrometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.4.1 Continuous Flow: Isotope Ratio Monitoring Mass
Spectrometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.5 Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.6 General Remarks on Sample Preparation Methods for Gases . . . . . . . 29
1.7 Microanalytical Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.7.1 LaserMicroprobe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.7.2 Secondary Ion Mass Spectrometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.8 Stable Isotope Variations of Heavy Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2 Isotope Fractionation Processes of Selected Elements . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.1 Hydrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.1.1 Preparation Techniques and Mass Spectrometric
Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.1.2 Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.1.3 Fractionation Processes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2 Lithium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.3 Boron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.4 Carbon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.4.1 Preparation Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.4.2 Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.4.3 Fractionation Processes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.4.4 Interactions between the Carbonate-Carbon Reservoir
and Organic Carbon Reservoir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.5 Nitrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.6 Oxygen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.6.1 Preparation Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.6.2 Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.6.3 Fractionation Processes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.6.4 Fluid-Rock Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.7 Magnesium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.8 Silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.9 Sulfur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.9.1 Preparation Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
2.9.2 Fractionation Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.10 Chlorine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.10.1 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2.10.2 Characteristic Features of Cl Isotope Geochemistry . . . . . . . 79
2.10.3 Chlorine Isotopes in the Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
2.11 Calcium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
2.12 Chromium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
2.13 Iron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
2.14 Copper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
2.15 Zinc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
2.16 Germanium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
2.17 Selenium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
2.18 Molybdenum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
2.19Mercury . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
2.20 Thallium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3 Variations of Stable Isotope Ratios in Nature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.1 ExtraterrestrialMaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.1.1 Chondrites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.1.2 Evolved ExtraterrestrialMaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.2 The Isotopic Composition of the Earth’s Upper Mantle . . . . . . . . . . . . 103
3.2.1 Oxygen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.2.2 Hydrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.2.3 Carbon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.2.4 Nitrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.2.5 Sulfur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.2.6 Lithium and Boron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.3 Magmatic Rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.3.1 Fractional Crystallization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.3.2 Differences between Volcanic and Plutonic Rocks . . . . . . . . 112
3.3.3 Low-Temperature Alteration Processes. . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3.3.4 Assimilation of Crustal Rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3.3.5 Basaltic Rocks from Different Tectonic Settings . . . . . . . . . . 113
3.3.6 Ocean Water/Basaltic Crust Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
3.3.7 Granitic Rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
3.4 Volatiles in Magmatic Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
3.4.1 Glasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
3.4.2 Volcanic Gases and Hot Springs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
3.4.3 Isotope Thermometers in Geothermal Systems . . . . . . . . . . . 123
3.5 Ore Deposits and Hydrothermal Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
3.5.1 Origin of Ore Fluids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
3.5.2 Wall-Rock Alteration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
3.5.3 Fossil Hydrothermal Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
3.5.4 Hydrothermal Carbonates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
3.5.5 Sulfur Isotope Composition of Ore Deposits . . . . . . . . . . . . . 130
3.5.6 Metal Isotopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
3.6 Hydrosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
3.6.1 Meteoric Water: General Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . 137
3.6.2 Ice Cores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
3.6.3 Groundwater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
3.6.4 Isotope Fractionations during Evaporation . . . . . . . . . . . . . . . 143
3.6.5 Ocean Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
3.6.6 PoreWaters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
3.6.7 FormationWater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
3.6.8 Water in Hydrated SaltMinerals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
3.7 The Isotopic Composition of Dissolved and Particulate Compounds
in Ocean and Fresh Waters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
3.7.1 Carbon Species in Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
3.7.2 Nitrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
3.7.3 Oxygen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
3.7.4 Sulfate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
3.8 Isotopic Composition of the Ocean during Geologic History . . . . . . . 157
3.8.1 Oxygen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
3.8.2 Carbon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
3.8.3 Sulfur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
3.8.4 Iron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
3.9 Atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
3.9.1 Atmospheric Water Vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
3.9.2 Nitrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
3.9.3 Oxygen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
3.9.4 Carbon Dioxide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
3.9.5 Carbon Monoxide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
3.9.6 Methane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
3.9.7 Hydrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
3.9.8 Sulfur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
3.9.9 Mass-Independent Isotope Effects in Atmospheric
Compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
3.10 Biosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
3.10.1 Living OrganicMatter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
3.10.2 Indicators of Diet andMetabolism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
3.10.3 Tracing Anthropogenic Organic Contaminant Sources . . . . . 183
3.10.4 Fossil OrganicMatter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
3.10.5 Marine vs. Terrestrial OrganicMatter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
3.10.6 Oil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
3.10.7 Coal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
3.10.8 Natural Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
3.11 Sedimentary Rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
3.11.1 ClayMinerals. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
3.11.2 Clastic Sedimentary Rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
3.11.3 Biogenic Silica and Cherts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
3.11.4 Marine Carbonates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
3.11.5 Diagenesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
3.11.6 Limestones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
3.11.7 Dolomites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
3.11.8 Freshwater Carbonates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
3.11.9 Phosphates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
3.11.10 Iron Oxides. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
3.11.11 Sedimentary Sulfur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
3.12 Palaeoclimatology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
3.12.1 Continental Records . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
3.12.2 Marine Records . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
3.13 Metamorphic Rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
3.13.1 ContactMetamorphism. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
3.13.2 Regional Metamorphism. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
3.13.3 Lower Crustal Rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
3.13.4 Thermometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
· · · · · · (收起)
1 Theoretical and Experimental Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 General Characteristics of Isotopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Isotope Effects. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Isotope Fractionation Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.1 Isotope Exchange. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.2 Kinetic Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.3 Mass Dependent and Mass Independent Isotope Effects . . . . 12
1.3.4 Multiply Substituted Isotopologues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.5 Diffusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3.6 Other Factors Influencing Isotopic Fractionations . . . . . . . . . 17
1.3.7 Isotope Geothermometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.4 Basic Principles of Mass Spectrometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.4.1 Continuous Flow: Isotope Ratio Monitoring Mass
Spectrometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.5 Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.6 General Remarks on Sample Preparation Methods for Gases . . . . . . . 29
1.7 Microanalytical Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.7.1 LaserMicroprobe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.7.2 Secondary Ion Mass Spectrometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.8 Stable Isotope Variations of Heavy Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2 Isotope Fractionation Processes of Selected Elements . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.1 Hydrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.1.1 Preparation Techniques and Mass Spectrometric
Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.1.2 Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.1.3 Fractionation Processes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2 Lithium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.3 Boron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.4 Carbon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.4.1 Preparation Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.4.2 Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.4.3 Fractionation Processes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.4.4 Interactions between the Carbonate-Carbon Reservoir
and Organic Carbon Reservoir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.5 Nitrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.6 Oxygen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.6.1 Preparation Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.6.2 Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.6.3 Fractionation Processes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.6.4 Fluid-Rock Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.7 Magnesium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.8 Silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.9 Sulfur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.9.1 Preparation Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
2.9.2 Fractionation Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.10 Chlorine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.10.1 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2.10.2 Characteristic Features of Cl Isotope Geochemistry . . . . . . . 79
2.10.3 Chlorine Isotopes in the Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
2.11 Calcium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
2.12 Chromium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
2.13 Iron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
2.14 Copper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
2.15 Zinc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
2.16 Germanium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
2.17 Selenium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
2.18 Molybdenum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
2.19Mercury . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
2.20 Thallium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3 Variations of Stable Isotope Ratios in Nature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.1 ExtraterrestrialMaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.1.1 Chondrites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.1.2 Evolved ExtraterrestrialMaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.2 The Isotopic Composition of the Earth’s Upper Mantle . . . . . . . . . . . . 103
3.2.1 Oxygen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.2.2 Hydrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.2.3 Carbon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.2.4 Nitrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.2.5 Sulfur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.2.6 Lithium and Boron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.3 Magmatic Rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.3.1 Fractional Crystallization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.3.2 Differences between Volcanic and Plutonic Rocks . . . . . . . . 112
3.3.3 Low-Temperature Alteration Processes. . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3.3.4 Assimilation of Crustal Rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3.3.5 Basaltic Rocks from Different Tectonic Settings . . . . . . . . . . 113
3.3.6 Ocean Water/Basaltic Crust Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
3.3.7 Granitic Rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
3.4 Volatiles in Magmatic Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
3.4.1 Glasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
3.4.2 Volcanic Gases and Hot Springs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
3.4.3 Isotope Thermometers in Geothermal Systems . . . . . . . . . . . 123
3.5 Ore Deposits and Hydrothermal Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
3.5.1 Origin of Ore Fluids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
3.5.2 Wall-Rock Alteration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
3.5.3 Fossil Hydrothermal Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
3.5.4 Hydrothermal Carbonates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
3.5.5 Sulfur Isotope Composition of Ore Deposits . . . . . . . . . . . . . 130
3.5.6 Metal Isotopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
3.6 Hydrosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
3.6.1 Meteoric Water: General Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . 137
3.6.2 Ice Cores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
3.6.3 Groundwater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
3.6.4 Isotope Fractionations during Evaporation . . . . . . . . . . . . . . . 143
3.6.5 Ocean Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
3.6.6 PoreWaters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
3.6.7 FormationWater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
3.6.8 Water in Hydrated SaltMinerals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
3.7 The Isotopic Composition of Dissolved and Particulate Compounds
in Ocean and Fresh Waters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
3.7.1 Carbon Species in Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
3.7.2 Nitrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
3.7.3 Oxygen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
3.7.4 Sulfate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
3.8 Isotopic Composition of the Ocean during Geologic History . . . . . . . 157
3.8.1 Oxygen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
3.8.2 Carbon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
3.8.3 Sulfur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
3.8.4 Iron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
3.9 Atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
3.9.1 Atmospheric Water Vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
3.9.2 Nitrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
3.9.3 Oxygen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
3.9.4 Carbon Dioxide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
3.9.5 Carbon Monoxide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
3.9.6 Methane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
3.9.7 Hydrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
3.9.8 Sulfur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
3.9.9 Mass-Independent Isotope Effects in Atmospheric
Compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
3.10 Biosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
3.10.1 Living OrganicMatter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
3.10.2 Indicators of Diet andMetabolism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
3.10.3 Tracing Anthropogenic Organic Contaminant Sources . . . . . 183
3.10.4 Fossil OrganicMatter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
3.10.5 Marine vs. Terrestrial OrganicMatter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
3.10.6 Oil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
3.10.7 Coal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
3.10.8 Natural Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
3.11 Sedimentary Rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
3.11.1 ClayMinerals. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
3.11.2 Clastic Sedimentary Rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
3.11.3 Biogenic Silica and Cherts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
3.11.4 Marine Carbonates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
3.11.5 Diagenesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
3.11.6 Limestones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
3.11.7 Dolomites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
3.11.8 Freshwater Carbonates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
3.11.9 Phosphates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
3.11.10 Iron Oxides. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
3.11.11 Sedimentary Sulfur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
3.12 Palaeoclimatology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
3.12.1 Continental Records . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
3.12.2 Marine Records . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
3.13 Metamorphic Rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
3.13.1 ContactMetamorphism. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
3.13.2 Regional Metamorphism. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
3.13.3 Lower Crustal Rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
3.13.4 Thermometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
· · · · · · (收起)
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