穩(wěn)定碳同位素

1、穩(wěn)定碳同位素自然界有六種碳同位素：10C、1lC、12C、13C、14C*和15C*。主要有三種，它們的豐度是：i2C98.9%；i3C1.08%；i4C1.2X10-10%。其中曲、曲是穩(wěn)定同位素，14C是放射性同位素。碳有兩種穩(wěn)定同位素：12C和13C，由于它們的質(zhì)量不同，在自然界中的物理、化學(xué)和生物作用下產(chǎn)生分餾。一般來說，在碳的有機循環(huán)中，輕同位素容易攝入有機質(zhì)（例如烴、石油中富含12C,-30-20%0）中；而在無機循環(huán)中，重同位素傾向于富集在無機鹽（例如碳酸鹽富含13C,海相灰?guī)r約0%o）中。碳同位素分餾包括動力學(xué)分餾（如光合作用、有機物的生物降解等）和平衡分餾（如大氣CO溶解的H

2、CO-固體CaCO系統(tǒng)）。（1）光合作用中的碳同位素233動力分餾（6CO+6HO-CHO+O）：由于輕同位素分子的化學(xué)鍵比重同位素分子的2261262化學(xué)鍵易于破壞，因而光合作用的結(jié)果使有機體相對富集輕同位素（12C），而殘留CO中則相對富集重同位素（13C）。葉子表面對兩種二氧化碳（12CO、13CO）同位素分子吸收速度上的差異是造成這一分餾的主要原因。光合作用中碳同位素分餾程度與光合碳循環(huán)途徑密切相關(guān)。根據(jù)CO被固定的最初產(chǎn)物的不同，光合碳循環(huán)可分為C3、C4和CAM三種方式。C3循環(huán)長，分餾大，6曲=-23%。-38%0；C4循環(huán)為短循環(huán)，分餾小，613C=-12%o-14%o；CAM

3、循環(huán)介于C3與C4間，其13C的虧損程度也介于C3與C4植物間。（2）生物氧化一還原作用過程中的碳同位素分餾：一方面，微生物通過氧化還原反應(yīng)獲取能量，加速氧化還原反應(yīng)的進(jìn)行。另一方面，微生物在參與反應(yīng)的過程中，對于同位素的利用具有選擇性，優(yōu)先選擇利用化學(xué)能較弱的輕同位素化學(xué)鍵，使得輕同位素較重同位素更易被微生物所利用，進(jìn)而產(chǎn)生顯著的同位素分餾。大氣CO溶解的HCO-固體CaCO系統(tǒng)中的化學(xué)交換平衡反應(yīng)：同位素平233衡分餾只與溫度有關(guān)，碳同位素分餾的結(jié)果是使固體碳酸鹽中富集重同位素13C從大氣中的CO_到生物圈中有機碳化合物再到生物燃料和生物成因的甲烷，2其碳同位素呈現(xiàn)出遞減趨勢，總體變化規(guī)律

4、是氧化態(tài)的碳富集13C,還原態(tài)的碳富集12C。海洋上空大氣CO很少受到其它來源的CO的影響，其513C值變化范22圍很窄，平均6i3C=-7.0%o；沙漠和山區(qū)大氣的CO的513C值接近-7.0%。；而在2森林、草地、耕地等植被發(fā)育的地方，由于受到生物腐爛放出的CO的影響，其25i3C值有所降低。土壤CO的613C值變化范圍較大，約-30%o-10%0，主要取2決于有機物的分解和植物根的呼吸作用。全球海洋碳庫的變化對大氣碳庫具有決定性的影響，但海洋碳庫變化相對小，一般起穩(wěn)定或緩沖的作用。近代大陸沉積：近代陸相沉積物中有機質(zhì)的5i3C值變化范圍由-10%o-38%，土壤腐殖質(zhì)中的513C值與區(qū)域

5、的植物類型有關(guān)。泥炭的513C值與泥炭形CO2(g)=CO£(aq)=H2CO3(aq)=HCO3-=CO尹A13C+1+8-1-1.7613C-7-6+2+11-0.5N.BThemajorfractionationeffectisthehydrationofCO2.(i,e.bicarbonateisenrichedin13CrelativetoCO2insolutionbyca,8%o)成環(huán)境與泥炭類型有關(guān)。湖泊沉積物的513C值變化范圍很大(-8%o-38%o),這種情況與陸地和水生植物相似。對少數(shù)河流沉積物研究表明，其513C的值變化與湖泊一致。近代海相沉積：對部分海相沉積

6、的碳同位素研究表明，其513C變化范圍較窄(-10%-30%)，其中90%以上的樣品的513C=-20%-27%碳酸鹽巖石的碳同位素組成與其沉積環(huán)境有密切關(guān)系，海相石灰?guī)r的曲=+2.4%-3.3%，平均值為0±1%。；白云巖的5曲=+2.65%0-2.9%，平均值為+0.82%；大理巖的5i3C=+3.06%o+0.63%°，平均值為+1.26%。淡水相石灰?guī)r的5i3C=+9.82%°-14.10%，平均值為-2.8%。據(jù)統(tǒng)計，世界各地淡水相石灰?guī)r比海相石灰?guī)r富含輕同位素12C。海水中溶解無機碳的碳同位素：表層海水的513C值變化較大，最表層水的513C值最大，向

7、下隨深度加大而減小，直至深1km處，這里513C值最小；1km以下的深部海水，出現(xiàn)了513C值隨深度增大而緩慢增長的趨勢，但增長的幅度很小。海水的碳同位素組成的變化可以歸于兩方面原因：大氣CO和海水溶2解無機碳之間發(fā)生了同位素交換反應(yīng)，導(dǎo)致海水無機碳中富含13C，越靠近海水表層，交換程度越高，13C含量也越高；海洋底部細(xì)菌還原作用使碳同位素發(fā)生了分餾(例如生成CH)。海水中有機碳的碳同位素：組成比較穩(wěn)定，513C的平均值為-21.8%o；微粒有機質(zhì)的5曲值在-27%o左右，接近于現(xiàn)代浮游生物。河流中DIC的主要來源有土壤有機質(zhì)的分解、碳酸鹽與硅酸鹽礦物溶解、水生植物呼吸及大氣CO的溶解，它們具

8、有可以顯著區(qū)分的碳同位素特征值。除了2自然因素影響外，河流Die還可能受到人類活動的影響，如污染排放、水壩攔截等。宅冬上IK*g嚴(yán)Lwwctrwiswoin2ooO/pMole/Kg)湖泊水中溶解碳主要有兩種來源:一是通過河流或沿湖岸邊以剝蝕的方式把大量的大陸有機碳和無機碳帶入湖泊中；二是通過地下水徑流把周圍巖石中的無機碳注入湖泊中。湖泊水溶解碳的同位素組成反映當(dāng)?shù)氐拇箨懞椭車鷰r石含碳物質(zhì)的碳同位素組成的特征。湖泊水溶解碳的同位素組成還受兩方面影響：一是湖水和湖泊沉積物內(nèi)生物（主要是細(xì)菌作用）活動產(chǎn)生的eo的影響；二是2受地下水帶入的無機碳與大氣eo的同位素交換反應(yīng)的影響。這兩種影響的結(jié)果2常使湖泊水中的13C含量成層分布。地下水碳同位素組成受地下水本身的形成作用、遷移和賦存環(huán)境的影響。地下水中碳的主要來源有：大氣eo的溶解。在通常條件下，其6曲值為-7%。2"左右；土壤eo和現(xiàn)代生物碳的溶解。其5i3C值一般為-25%o左右；海相石2灰?guī)r的溶解。其6曲值為0±1%0:淡水灰?guī)r溶解，其6曲為負(fù)值，變化范圍較大。人類活動影響下