Stable Isotope Geochemistry pdf epub mobi txt 電子書 下載2025

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"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.

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)