研究天然物質中氧同位素的豐度、變異規律及其地質意義。自然界氧有3個穩定同位素16O、17O和18O,它們的豐度分別為99.762%、0.038%和0.200%。氧同位素組成以δ18O表示,標準採用SMOW(見穩定同位素地球化學)。天然含氧物質中δ<18O的分佈如圖所示。大氣水的δ18O變化范圍最大,為+10~-55‰,極地粒雪的δ18O最低;大氣二氧化碳的δ18O 最高,可達+41‰。所以天然物質中δ18O的變化幅度約100‰。

  含氧礦物在自然界分佈相當廣泛。主要造巖礦物的δ18O變化具有明顯的順序性,與巖漿結晶分異順序一致,即由孤立島狀四面體的橄欖石到鏈狀輝石、層狀雲母和架狀的長石、石英,δ18O依次增高,這主要與礦物的晶體化學性質有關。根據同位素分餾理論,矽酸鹽礦物中陽離子與氧的結合鍵愈短,鍵力愈強,振動頻率愈高,則18O愈富。石英中Si—O鍵在矽酸鹽結構中是最強的;此外,與溫度有關,因為超基性、基性原始巖漿處於很高溫度狀態,同位素分餾作用減弱,隨巖漿溫度的降低,同位素分餾作用增強,巖漿中18O含量相對增高。因此,從超基性巖到酸性巖δ18O明顯增高,其變化范圍為5~13‰。對於非正常火成巖,則須考慮巖漿或固結巖石與周圍物質間的相互作用。

  沉積巖的δ18O變化范圍大,為10~36‰。其中砂巖的δ18O最低,為10~16‰;頁巖其次,為14~19‰;石灰巖最高,為22~36‰。

  變質巖的δ18O一般介於火成巖和沉積巖之間,為6~25‰。變質巖的氧同位素組成可提供有關原巖性質、變質溫度、變質流體的來源和同位素交換程度等方面的信息。

  氧同位素的地質應用最廣泛,包括:①氧同位素地質溫度計。應用實驗的方法,首先測定礦物與水的分餾數據,再計算礦物與礦物之間的分餾數據,得出分餾系數與溫度的關系式。氧同位素地質溫度計中石英-磁鐵礦礦物對是最靈敏的,因為石英的18O/16O比值大,磁鐵礦的比值較小,所以石英-磁鐵礦之間具有最大的分餾系數和溫度系數(指溫度每變化1℃時分餾系數的改變量)。②古海洋溫度計。通過測定生物化石碳酸鈣殼層與水之間的氧同位素組成來確定古海洋的溫度。③判斷成礦熱液的來源和礦床成因及巖石成因等。