在蒸发环境中，人们预计能够发现重同位素 D 和18O 的最大程度的富集。然而，事实并非如此，以死海的蒸发系统为例，图317显示18O仅有中等程度的富集，δD值显示D的富集程度甚至更低(Gat，1984)。伴随蒸发的同位素分馏非常复杂，最好将其细分为几个蒸发步骤进行研究(Craig ＆ Gordon，1965):①水－大气界面处出现水蒸气饱和亚层，该层亏损重同位素;②水蒸气迁移边界层，不同的扩散速度导致水蒸气中进一步亏损重同位素;③水蒸气进入紊流区，与其他来源的水蒸气混合;④紊流区的水蒸气冷凝，与水表面发生逆反应。
图317 死海中水的δD和δ18O值关系及水体来源(据Grat，1984)
这一模型定性地解释了，由于分子扩散导致非平衡分馏，以及由于分子与大气水蒸气交换导致同位素富集的限制，而使同位素组成偏离“大气降水线”。湿度是控制同位素富集程度的主要因素。只有在极度干旱的条件下以及很小的水体中，才会观察到真正很大的D和18O富集。例如，Gonfiantini(1986)曾报道西撒哈拉一个较小而浅的湖的δ18O值为+313‰，δD为+129‰。
一般，同位素的质量差愈大，同位素分馏效应也愈大，同位素交换反应服从质量相关定则，同位素分馏程度与同位素质量差成正比。例如，对于分子氧16O16O、16O17O、16O18O,大多数样品存在：d17O/d18O=（1/32-1/33）/（1/32-1/34），因而d17O=0516d18Od17O对d18O做图就得到斜率为0516 的质量相关分馏线，绝大多数样品的氧同位素分析数据落在这条直线上。不符合这个规律的落在其他斜率直线上的即为非质量相关分馏，认为是核过程的结果。实验研究，在放电或激光作用下可以发生非质量相关分馏。可用于研究行星大气圈和早期太阳系中的各种物理化学过程。
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