Kinetics of D/H isotope fractionation between molecular hydrogen and water

平衡分馏 动力学同位素效应 分馏 同位素 氢同位素 稳定同位素比值
作者
Nicholas J. Pester,Mark E. Conrad,Kevin G. Knauss,Donald J. DePaolo
出处
期刊:Geochimica et Cosmochimica Acta [Elsevier]
卷期号:242: 191-212 被引量:6
标识
DOI:10.1016/j.gca.2018.09.015
摘要

Abstract At equilibrium, the D/H isotope fractionation factor between H2 and H2O (αH2O-H2(eq)) is a sensitive indicator of temperature, and has been used as a geothermometer for natural springs and gas discharges. However, δDH2 measured in spring waters may underestimate subsurface temperatures of origin due to partial isotopic re-equilibration during ascent and cooling. We present new experimental data on the kinetics of D–H exchange for H2 dissolved in liquid water at temperatures below 100 °C. Comparing these results with published exchange rates obtained from gas phase experiments (100–400 °C), we derive a consistent activation energy of 52 kJ/mol, and the following rate expressions; ln k = 9.186 - 6298 / T and k 1 = 9764.61 [ H 2 O ] e - 6298 / T where T is absolute temperature (K), k is the universal rate constant ([L/mol]/hr), and k1 is a pseudo-first-order constant (hr−1) applicable to water-dominated terrestrial systems by constraining [H2O] as the density of H2O (in mol/L) at the P-T of interest. The density-dependent rate constant accounts for the kinetic disparity of D–H exchange with H2 when dissolved in liquid H2O relative to a gas/steam phase, exemplifed by 1/k1 at 100 °C of ∼2 days in liquid, versus ∼7 yrs in saturated steam. This difference may explain the high variability of δDH2 observed in fumarolic gases. Fluids convecting in the crust frequently reach T > 225 °C, where isotopic equilibrium is rapidly attained (
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