最早研究地下卤水的氢、氧稳定同位素组成的是Clayton等(1966)，他们对北美洲的Alberta盆地、Michigan盆地、Illinois盆地和Gulf Coast盆地卤水的氢、氧同位素资料进行分析，用来研究地下卤水的形成(见图3.8)，这里卤水的δD值基本上都小于SMOW，而且每个盆地的δD、δ18O数据点在δD－δ18O关系图上大体上沿一直线分布，他们认为这些卤水主要是当地大气降水起源的，盆地内原始沉积水已被入渗的大气降水所替代。后来Kharaka等(1986)注意到图3.8中在每个盆地中所取样品在图中的直线延长到与大气降水线交点处的δD、δ18O值恰好与当地大气降水的δD、δ18O值相当。自Clayton等人的研究工作以来，沉积盆地地下卤水形成的大气水起源的观点十分流行。大量实际资料表明，世界上许多沉积盆地地下卤水的δD、δ18O数据点在δD－δ18O关系图上落在现代大气降水线的右侧，例如由大气水和海相同生沉积水混合形成的卤水、海相蒸发岩中的残留卤水、甚至石盐中的流体包裹体、海相同生沉积成因卤水的淡化液，它们的δD、δ18O数据点分布，也具有与Clayton等的资料相类似的某些特点，δD值几乎都小于零、一般略高于当地现代大气水但低于SMOW，δ18O值的变化范围可以从负值到正值，一般高于当地现代大气水甚至可以高于SMOW，除了具有通常所见到的“氧－18漂移”外，还具有“氢同位素漂移”现象。不同起源或形成的卤水中氢、氧稳定同位素特征可以总结为以下几种情形(周训等，1993)。
(1)现代大气水渗入并溶滤含盐岩系形成的卤水
这种卤水参与现代水循环比较积极，其δD、δ18O值与现代大气水的δD、δ18O值接近，在δD、δ18O关系图上多落在当地现代大气水点附近。例如四川盆地白垩系、侏罗系和盆地边缘的寒武系、二叠系、三叠系储卤层中的卤水，这些储卤层均是埋藏浅或出露地表，长期遭受大气降水及地表水的入渗、淋滤和冲刷，其δD、δ18O值与现代大气降水的δD、δ18O值接近(图5.9中A组样品)。美国西南部PaloDuro盆地上部分布有溶盐卤水，排泄这种卤水的盐泉的δD、δ18O值与浅层地下淡水也极为接近(图5.10)。
图5.9 四川盆地地下卤水的δD－δ18O关系图(据徐廷谅等，1989，转引自Zhou等，1997)
(2)古代大气水渗入并溶滤含盐岩系形成的卤水
这种情况大气水渗入的时间比较早，储卤层水交替极其缓慢。Kharaka(1986)对美国阿拉斯加州的NorthSlope油气田卤水的水化学和同位素资料进行分析，证实该地区卤水是大气水起源，补给时间是在更新世以前，其δD、δ18O数据点构成的直线与大气降水线相交点既不通过SMOW，也不通过当地现代大气降水点，并证实当时的气候环境比现在更为温暖。
图5.10 美国PaloDuro盆地浅层地下淡水、盐泉水、浅层卤水和深层卤水的δD－δ18O关系图(据Richter等，1986，有改动)
(3)古老大气水起源的陆相同生沉积水演化形成的卤水
在陆相沉积环境中，大气水起源的水分可以容纳在沉积物中，随着沉积物上覆荷载的增加，压实作用增强，沉积物中大量的水被排出，而少部分未被排出的水与沉积物一起被埋藏，当上面覆盖了新的不透水沉积层后，这部分水便聚集并被封存在孔隙性较好的岩石中，各种物理、化学作用可以使其矿化度增加并富集某些微量元素。这种类型卤水的δD、δ18O数据点偏离大气降水线，多落在现代大气降水线右侧。四川盆地中部上三叠统须家河组砂岩储卤层的卤水很可能属于这种类型(图5.9中B组样品)。
(4)海相非碳酸盐岩中的同生沉积卤水
Kharaka等(1986)研究了美国南部墨西哥海湾盆地北部的地下卤水。石油钻井在该盆地北半部揭露近15000m新生界陆源碎屑沉积层(砂岩、粉砂岩和页岩)，海相同生沉积水储集在砂岩夹层中，其水头均高于盆地的任何补给地带。其δD、δ18O数据点远离地下淡水点，并构成一个线性趋势分布带，Kharaka等注意到该带通过SMOW，并根据稀有(惰性)气体的浓度和同位素证实这些卤水来源于海相同生沉积水。
(5)海相蒸发岩中的残留卤水(海相蒸发岩卤水)
由海水经蒸发浓缩形成的卤水在蒸发岩沉积时被封存在蒸发岩系中，并在后来的压实过程中进入相邻的沉积层(主要是碳酸盐岩)中，这在许多分布有厚层蒸发岩的沉积盆地中极为常见。这种卤水的δD、δ18O数据点多落在SMOW的右下方或右侧。四川盆地中三叠统雷口坡组和下统嘉陵江组及二叠系碳酸盐岩储卤层系为海相碳酸盐岩与蒸发岩韵律组合，在盆地中部、西部和东南部均处于深埋封闭环境，卤水矿化度很高，大多达到石盐析出阶段，无论是沉积环境还是水化学特征，均能说明卤水是海相同生沉积水(海水)经蒸发浓缩在蒸发岩沉积后的残留卤水(图5.9中C组样品)。美国的Central Mississippi盆地的卤水也属于这种类型。Knauth等(1986)研究了美国PaloDuro盆地二叠系盐岩层中的流体包裹体的氢、氧稳定同位素(图5.11)，并证实流体是原始的二叠系蒸发岩卤水。通常，在海水蒸发的早期阶段，δD、δ18O值随着蒸发的进行而升高，然后急剧减少，在δD、δ18O关系图上，海水蒸发过程的δD、δ18O轨迹线呈现一个拐弯。轨迹线的形状和拐弯程度取决于当地的湿度、温度、平均风速及其他气象要素(图5.11)。轨迹线的拐弯处约在蒸发率(原始海水中H2O的重量与残留卤水中H2O的重量之比)为4处，而石盐在蒸发率为10处开始沉积直到蒸发率达65处。与海相蒸发岩形成有关的残留卤水，其δD、δ18O数据点大致沿海水蒸发过程的δD、δ18O轨迹散布(Knauth等，1986)。
图5.11 海相蒸发岩卤水与大气降水混合示意图(据Knauth等，1986)
(6)变质水、初生水、岩浆水和成岩水
变质水、初生水、岩浆水和成岩水的δD、δ18O值很难直接取样测得。变质水一般是根据在变质作用的温度和压力下水与岩石平衡分馏计算求得，其δD值的变化范围为0～－70、δ18O值为3～20;岩浆水是根据各种火成岩矿物的同位素组成计算求得，其δD值为－75～30、δ18O值为7～13;初生水的估计值为δD=(－65±20)、δ18O=(6±1);石膏“脱水”形成的成岩水，与原始海水相比，其δD值减少约20，δ18O值增加约4，这种成岩水蒸发过程的δD、δ18O轨迹线与海水蒸发过程的δD、δ18O轨迹线并不重合。
(7)大气水与海相同生沉积水混合形成的卤水
如果大气水起源的地表淡水与海水混合，则混合水的δD、δ18O数据点落在地表淡水点与SMOW连线上，如果混合过程中伴随有同位素分馏现象，则数据点偏离这一连线。Kharaka(1986)认为加拿大西部沉积盆地地下卤水是由将近2.9倍的大气水起源的淡水与在成岩过程中遭受改变了的海水混合而成的。大气水与海相同生沉积水混合的例子还有前苏联的Dnepr－Donets盆地、美国加利福尼亚州的Sacramento盆地、波兰的Hpper Siles-ian Coal盆地等处的地下卤水。
(8)其他混合类型的卤水
一般两种水混合后，其δD、δ18O数据点落在混合前两种水的δD、δ18O数据点之间的连线上，其位置取决于两种水混合的比例。Richter等(1986)详细研究了Palo Duro盆地地表盐泉和浅层卤水的成因，证实有溶盐卤水与深层卤水的混合型卤水(见图5.10)。 Kharaka(1986)根据氢、氧同位素和水化学资料，证实美国得克萨斯州南部海湾的High Island地区的地下卤水是中新世时的海相同生沉积水与更新世海相同生水的混合。四川盆地上三叠统须家河组砂岩储卤层处于深埋封闭环境的卤水很可能是古老大气水起源的陆相同生沉积水，并混合有来自下伏中下三叠统海相蒸发岩卤水。四川盆地威远构造震旦系储卤层卤水有可能混合有来自深部的岩浆水(见图5.9中D组样品)。
(9)更复杂的混合情形
沉积盆地内海水经蒸发浓缩形成的卤水，其δD、δ18O轨迹线(见图5.11)可由SMOW到A点，此时若有大气水(同位素数据点为B)汇入盆地，随着大气水与卤水的混合，混合后的卤水可以由A点到B点，具体位置取决于混合的相对数量;如果这种混合水再蒸发浓缩，则其δD、δ18O轨迹线可以由A、B之间任何一点向右侧延伸。如果混合有成岩水，则可以到达E点。实际的地下卤水的δD、δ18O数据点较为分散，很可能反映了多种水的多次混合。
沉积盆地地下卤水δD、δ18O数据点在δD－δ18O关系图上多位于大气降水线右侧，基本上呈某种线状分布或散布于某一区域。值得注意的是，不同起源和形成过程的卤水，在δD－δ18O关系图上数据点的分布也可能极为接近。因此，研究地下卤水的形成，除了利用同位素资料外，还需要结合盆地的地质条件、地下卤水的水动力条件和水化学特征进行分析，甚至进行地下卤水的年龄测定，才能得出更切合实际的结论。
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