Stable Isotope Geochemistry

仪器资料 · 发表于 2018-4-26 14:41:33

Jochen Hoefs
Stable Isotope Geochemistry
Sixth Edition

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
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Contents ix
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
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Contents xi
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