骨化學(xué)考古ppt課件 6. 氮循環(huán)

氮循環(huán)蔡大偉回顧13C與人類飲食結(jié)構(gòu)分析的基本原理1）三種C3、C4、CAM同化途途徑.C3植物——-26‰-----人體(富集6‰）-----20‰C4植物——-13‰-----人體(富集6‰）-----7‰

-13.5‰2）人類

-20‰~~~~~~~~~~-7‰

骨膠原

100%100%C3C4

C3/C450%C3和C4的葉片結(jié)構(gòu)不一致葉肉細(xì)胞葉肉細(xì)胞和維管束鞘細(xì)胞（含葉綠體）維管束鞘細(xì)胞（無(wú)葉綠體）X=C4的比例（%）食物結(jié)構(gòu)分析公式氮同位素空氣中含有大約78%的氮?dú)?，占有絕大部分的氮元素。氮是許多生物過(guò)程的基本元素；它存在于所有組成蛋白質(zhì)的氨基酸中，是構(gòu)成諸如DNA等的核酸的四種基本元素之一。在植物中，大量的氮素被用于制造可進(jìn)行光合作用供植物生長(zhǎng)的葉綠素分子。氮主要有兩種同位素14N和15N，均為穩(wěn)定同位素。

Naturalabundanceof15N=0.366%14N=99.634%氮同位素的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)為大氣N2，其“絕對(duì)”同位素比值為15N/14N=(3676.5±8.1)×10-6(Hayes,1982)，定義其δ15N=0‰。氮同位素樣品的制樣方法多為燃燒法(Combustion)，δ15N分析精度為0.1–0.2‰。δ15N的表示方法及測(cè)定氮固化99%的氮是以大氣中的N2或溶解在海洋中N2的形式存在的，只有少部分的氮可以以多種價(jià)態(tài)的形式與其他元素結(jié)合形成不同的化合物，形成不同的氮源。氮?dú)夥肿邮职捕?，大多?shù)生物體沒辦法直接利用。把空氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)化成為銨鹽（NH4+）或硝酸鹽（NO3-）、亞硝酸鹽（NO2-）就是氮的固化.LightningFixation（閃電固定）

BacteriaFixation（細(xì)菌固定）自然界固定氮閃電固定閃電以其巨大的能量，把在大氣中的氮分子解離，并繼續(xù)與氧分子反應(yīng)產(chǎn)生氮的氧化物（N2與O2反應(yīng)生成NO），這些氧化物會(huì)溶于雨水，生成硝酸根（NO3-）而滲入土壤中。雖然世界上到處常有閃電，但是閃電固氮卻不是一個(gè)產(chǎn)生含氮化合物有效的方法；每年經(jīng)由閃電固氮所得的含氮化合物，頂多只占總量的10%。細(xì)菌固定這是固定氮的最重要途徑，須借助于或獨(dú)自存在于土壤中，或與動(dòng)植物共生，擁有固氮酵素的某些固氮細(xì)菌，如與豆類植物共生的根瘤菌。它們能吸收大氣中的氮?dú)夥肿?，將其轉(zhuǎn)變成氨（NH3)及銨離子(NH4+)。每年經(jīng)由細(xì)菌固定氮所得的含氮化合物，約占總量的65%。其余25%的固定氮，來(lái)自于工業(yè)途徑（合成氨）。固氮微生物將大氣中的N2還原為NH3的過(guò)程。共生固氮微生物自生固氮微生物根瘤菌→豆科植物放線菌→非豆科植物藍(lán)藻→水生蕨類等圓褐固氮菌（好氧）梭菌（厭氧）魚腥藻等為代表的固氮藍(lán)藻固氮微生物的種類工業(yè)合成目前工業(yè)上最常用的哈柏法（Haber-Boschprocess）；在高溫（約攝氏400度）高壓（約250大氣壓）下，用精研的鐵粉當(dāng)催化劑，促使氮與氫產(chǎn)生反應(yīng)生成氨。工業(yè)固氮是將所得的氨，再進(jìn)一步制成氮肥，如硝酸銨與磷酸銨，然而此法成效不佳（產(chǎn)率僅約20%）且極耗能源。

化學(xué)肥料——尿素尿素在肝合成，是哺乳類動(dòng)物排出的體內(nèi)含氮代謝物。工業(yè)上用液氨(NH3)和二氧化碳(CO2)為原料，在高溫高壓條件下直接合成尿素。尿素是有機(jī)態(tài)氮肥，經(jīng)過(guò)土壤中的脲酶作用，水解成碳酸銨(NH4)2CO3或碳酸氫銨NH4HCO3后，才能被作物吸收利用。高能固氮生物固氮工業(yè)固氮氨化作用反硝化作用硝化作用氮循環(huán)（固氮作用→生物體內(nèi)有機(jī)氮的合成→氨化作用→硝化作用→反硝化作用）銨鹽硝酸鹽氮的分餾生物利用不同來(lái)源的氮，也造成了氮在生物圈中的同位素分餾。大氣中的氮通常很難被生物直接吸收，絕大多數(shù)的植物都是靠吸收土壤中的氮化合物(NO3-和NH4+)來(lái)獲取氮源的，這個(gè)過(guò)程中就會(huì)發(fā)生同位素分餾，其δ15N值約為3%。只有一些植物，主要是豆科植物，依靠與其共生于根部的根瘤菌，可以直接把大氣中的氮(N2):轉(zhuǎn)化為NH3，然后將其吸收。此過(guò)程基本上沒有同位素的分餾，因此豆科植物的δ15N值較小，約為0%。水中的藍(lán)藻門植物既能自生固氮，又能與其他植物共生固氮。魚類以藻類為食，故含有較高的δ15N

。氮的營(yíng)養(yǎng)富集氮在不同的營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間存在著同位素的富集現(xiàn)象，營(yíng)養(yǎng)級(jí)每升高一級(jí)，δ15N大約富集3‰~4‰。即食草類動(dòng)物骨膠原中的δ15N比其所吃的植物富集3‰~4‰

，以食草類動(dòng)物為食的食肉類動(dòng)物骨膠原中的δ15N又比食草類動(dòng)物富集3‰~4‰。（Bocherens1994)15N(~2-3‰)13C(~0-1‰)濕地生態(tài)系統(tǒng)據(jù)δ15N值的不同，所有生物大體上可以分為5類:①豆科植物，最低約為0‰。②陸生非豆科植物，約為2‰~3‰左右;③食草類動(dòng)物，為3‰~7‰

。④一級(jí)食肉類動(dòng)物以及各種魚類，為9‰~12‰

。⑤二級(jí)食肉類動(dòng)物，其值更高。雜食性動(dòng)物的δ15N值應(yīng)該處于這五類中食草動(dòng)物和一級(jí)食肉動(dòng)物之間，大約為7‰~9‰。海洋中含有大量的硝酸根離子團(tuán)，動(dòng)、植物以其為氮源，它們的δ15N值一般高于同一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的陸生生物。氮同位素分析原理生物體內(nèi)的氮主要從蛋白質(zhì)中攝取，氮反映了食物中蛋白質(zhì)的來(lái)源。蛋白質(zhì)豐富的食物主要是肉類，雖然不同植物中蛋白質(zhì)的含量高低有所不同，但總體來(lái)說(shuō)植物中的蛋白質(zhì)含量相對(duì)較低，因此，食物中植物比例的增大對(duì)骨膠原中的δ15N加值沒有太大影響。而肉類盡管在食物中所占比例不大，卻對(duì)骨膠原中的δ15N值貢獻(xiàn)很大，故而骨膠原中的δ15N值與食物中肉類的δ15N值有著密切的聯(lián)系[vanKlinken2000]。根據(jù)骨膠原中的δ15N值，即可判斷該動(dòng)物是食肉類動(dòng)物還是非食肉類動(dòng)物。海生與陸生食譜區(qū)別StableNitrogenIsotopeRatiosofBoneCollagenReflectMarineandTerrestrialComponentsofPrehistoricHumanDiet.Science,NewSeries,Vol.220,No.4604(Jun.24,1983),pp.1381-1383.Theδ15NvaluesofbonecollagenfromEskimosandfromNorthwestCoastIndiansdependentonsalmonfishingareabout+10‰morepositivethanthosefromagriculturalistsinhistorictimes.現(xiàn)生動(dòng)物測(cè)試δ15N能區(qū)分

δ13C不能區(qū)分

HumanbonecollagenstableisotopeanalysisofhumansfromcoastalMesolithicsitesinScotland,Denmark,FranceandPortugalindicatestheimportanceofmarinefoodsinthediet.Wede?netheexpectedhumanδ13Candδ15Nvaluesof100%marineand100%terrestrialdietsandconcludethatatmostsitesisotopevariabilityisduetodifferingproportionsofthesede?nedmarineandterrestrialdiets,ratherthanduetodifferencesintheactualtypesofmarineandterrestrialfoodsexploited.BycomparingtheEuropeanhumanvalueswithmarinefaunalvalues,andvaluesofmarine-diethumansfromNorthAmerica,weproposethatthemarinecomponentofhumandietintheLateEuropeanMesolithicwasbasedmainlyonmarine?sh,withonlyminorcontributionsfromshell?shormarinemammals.Averageδ15Nvaluesofmodernandarchaeologicalmarinefauna.Four(theoretical)extremehumandietarytypes,andtheirassociatedbonecollagenstableisotopevalues.不同類型

飲食結(jié)構(gòu)Thecarbonandnitrogenisotopecompositionsofvarioustypesofdietsareknownandcanbecomparedtothecompositionsofyourfingernails.Hence,thegraphsofyourfingernaild15Nandd13Cvaluescanhelptoidentifyyourdiet.尼安得特人

(PNAS,2000,7663-7666)牛鹿熊食草動(dòng)物氫氧同位素氧同位素自然界中氧以16O、17O、18O三種同位素的形式存在，相對(duì)豐度分別為99.756％、0.039％、0.205％.天然物質(zhì)的氧同位素組成通常用由18O/16O比值確定的δ18O來(lái)描述.氫同位素自然界中氫以1H（氕，H），2H（氘，D），3H（氚，T）三種同位素的形式存在，相對(duì)豐度分別為約99.985%、約0.015%、低于0.001%，其中氚具放射性，半衰期為12.33年。氫、碳、氧同位素標(biāo)準(zhǔn)樣品組成元素標(biāo)準(zhǔn)縮寫同位素比值H平均大洋水標(biāo)準(zhǔn)standardmeanoceanicwaterSMOWD/H=0.0001558C南卡羅來(lái)納州白堊紀(jì)皮迪建造（PeeDeeformation）中的箭石PDB13C/12C=0.0112372OSMOW18O/16O=0.0020052平均大洋水標(biāo)準(zhǔn)standardmeanoceanicwater1967年，VSMOW(維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海洋水,Viennastandardmeanoceanicwater)是原始的SMOW定義的重新校準(zhǔn)和被創(chuàng)造.氧同位素?cái)?shù)值轉(zhuǎn)換在骨化學(xué)研究中，有時(shí)，我們需要測(cè)量骨骼或者沉積物碳酸鹽（CaO3）中的δ18O，需要以PDB為標(biāo)準(zhǔn)，那么此時(shí)SMOW與PDB有換算關(guān)系，如下：瑞利分餾在自然界存在一種特殊的體系，在一定物理化學(xué)條件下發(fā)生物相分離。分離前不同物相之間保持著熱力學(xué)平衡并處于封閉體系狀態(tài)，但分離之后一相物質(zhì)不斷離開體系，不再與另一相保持平衡。這種在開放體系中進(jìn)行的過(guò)程稱之為瑞利過(guò)程。在瑞利過(guò)程中發(fā)生的同位素分餾稱之為瑞利分餾。例如在海水蒸發(fā)、雨滴從云中不斷凝結(jié)出來(lái)并落下等過(guò)程中，均伴有瑞利分餾。氫氧同位素分餾水的分子式是H2O，氫有兩種同位素H和D，而氧的兩個(gè)主要穩(wěn)定同位素是16O和18O，所以大自然中的水組成有：1H216O、1H218O、2D216O、2D218O等，原子量的差異造成了他們的質(zhì)量不同。氫氧同位素的分餾主要在于水蒸發(fā)（Evaporation）

凝聚（Condensation）一般來(lái)講，在空中水蒸氣凝聚成雨滴過(guò)程是平衡同位素分餾過(guò)程，因?yàn)樗魵馐窃陲柡停ㄏ鄬?duì)濕度100％）的狀態(tài)下凝聚為水。生成的雨水相對(duì)水蒸氣富集重同位素，而在降水過(guò)程中首先是富集重同位素水先降落。氫氧同位素分餾氫氧同位素分餾18O比16O重，因此H218O比H216O重。H216O比H218O更容易蒸發(fā)。H218O比H216O更容易沉降。coldestsnowislightest(lessheavy18Oisotopes,morelighter16Oisotopes)氧同位素組成分布地球上的蒸發(fā)，主要發(fā)生在熱帶地區(qū)，而且水蒸氣基本都向極地運(yùn)動(dòng)。

①

赤道附近的水相當(dāng)重δ18O~0

②

溫帶和近極地的水是輕的δ18O-5~-15

③極地的冰非常輕δ18O-20~-55氧同位素組成分布Spatialdistributionofδ18Oinmeteoricprecipitation，Gabrieletal.Geology;April2002;v.30;no.4;p.315–318Predictedoxygenisotoperatiosofplantleafwater(credit:J.West)影響雨水δD值及δ18O值的因素緯度（愈高）、溫度（愈低）、高度（愈大）、離海岸線距離（愈遠(yuǎn)）均影響大氣降水的氫氧同位素組成（δD及δ18O值愈負(fù)）。上述因素決定了大陸上每一地點(diǎn)的雨水都有它特定的同位素值，為探討復(fù)原古代環(huán)境提供重要線索。

緯度效應(yīng)隨著從海面蒸發(fā)的水汽根據(jù)緯度增加不斷降雨的過(guò)程中，剩余的水汽中越來(lái)越虧損D和18O，其雨水和雪水中的δD和δ18O值也越低。n=1000100H218O900H216ORAINn=10020H218O80H216On=90080H218O820H216ORAINn=10010H218O90H216On=80070H218O730H216OR=0.111R=0.0975R=0.095R=0.25R=0.11EVAP.n=1000>>>>>n =numberofH2Omoleculescloud =diminishingreservoir降雨δ18O高緯度地區(qū)的雨水,δ18O值偏低（更負(fù)）氧同位素分餾因素heavylightheavylight從赤道到高緯度地區(qū)、從海洋到大陸內(nèi)部、從低海拔到高海拔地區(qū)，重同位素的虧損依次遞增，構(gòu)成所謂的溫度效應(yīng)、緯度效應(yīng)，大陸效應(yīng)和高度效應(yīng)，以及季節(jié)效應(yīng)，降水量效應(yīng)等。越來(lái)越負(fù)溫度效應(yīng)Temperatureaffects18O/16Oratio:Coldertemperaturesmorenegativevaluesforδ18OWarmertemperaturesδ18Ovaluesthatarelessnegative(closertothestandardratioofoceanwater)※※在中高緯度大陸內(nèi)部,降水中穩(wěn)定同位素具有顯著的溫度效應(yīng)即降水中穩(wěn)定同位素比率與溫度之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系.※※在中低緯度海洋或季風(fēng)區(qū),尤其在亞洲季風(fēng)區(qū)降水中穩(wěn)定同位素具有顯著的降水量效應(yīng),即降水中穩(wěn)定同位素比率與降水量之間存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系.（受降水量效應(yīng)影響）全球雨水線水循環(huán)過(guò)程中，在穩(wěn)定同位素成分的平行分餾作用下，全球降水中δD和δ18O存在一種線性關(guān)系，Craig（1961）將這種關(guān)系定義為全球大氣降水線（GlobalMeteoricWaterLine，GMWL）。Craig,H.(1961)Isotopicvariationsinmeteoricwaters:Science,133,1702-1703.Rozanski（1993）Isotopicpatternsinmodernglobalprecipitation:In:ClimateChangeinContinentalIsotopicRecords,大氣降水的氫、氧同位素組成是研究水文學(xué),冰川學(xué)及古氣候?qū)W等地球?qū)W科所必須的重要資料,同時(shí)亦為巖石和礦床穩(wěn)定同位素化學(xué)提供背景值。在全球尺度上,受地理因素和氣候條件影響,降水中穩(wěn)定同位素含量一定程度上反映了天氣氣候與區(qū)域性特征[4]。因此,60年代以來(lái)雨水同位素組成已成為地球化學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。國(guó)際原子能委員會(huì)(IAEA)與世界氣象組織(WMO)自1961年以來(lái),已在全球各地設(shè)立100多個(gè)觀測(cè)點(diǎn),對(duì)大氣降水中的穩(wěn)定同位素進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè),以建立全球降水模型。（中國(guó)現(xiàn)代大氣降水線）中國(guó)現(xiàn)代大氣降水的氫氧同位素組成關(guān)系（據(jù)鄭淑蕙，1983，科學(xué)通報(bào)，第13期，801-）溫度效應(yīng)公式大氣降水中的同位素組分與年平均氣溫之間的相關(guān)關(guān)系為古氣候研究提供了獨(dú)特的方法，其中，區(qū)域多年平均δ18O與平均氣溫之間相關(guān)關(guān)系以及特定地區(qū)年平均δ18O與氣溫之間相關(guān)關(guān)系是古氣候重建研究的一種獨(dú)特方法。我國(guó)大氣降水穩(wěn)定同位素監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特征大氣降水同位素監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)內(nèi)容，主要包括年和月降水同位素平均值、降水δD與δ18O關(guān)系。---------------------------------------------------------------------------------我國(guó)的大氣降水線方程為δD=7.8δ18O+6.95,與全球降水線基本吻合，受各地區(qū)氣候的區(qū)域性特征影響，局地雨水線方程各有差異。月降水穩(wěn)定同位素δ18O與月平均氣溫的關(guān)系年際尺度降水δ18O與年平均氣溫的關(guān)系結(jié)論在空間尺度上，受地形和季風(fēng)氣候的影響，我國(guó)北方中高緯度地區(qū)降水δ18與氣溫的正相關(guān)系明顯，而南方低緯度地區(qū)則顯示出明顯的季風(fēng)（降水）效應(yīng)，溫度效應(yīng)被季風(fēng)降水效應(yīng)被掩蓋。在年際或更長(zhǎng)時(shí)間尺度上，我國(guó)北方降水δ18O與平均氣溫相關(guān)關(guān)系明顯，并且年際時(shí)間尺度的δ18O溫度梯度比月時(shí)間尺度的溫度梯度大，這種相關(guān)關(guān)系將為進(jìn)一步深入了解我國(guó)不同時(shí)間尺度的氣候變化和水文循環(huán)規(guī)律提供重要的參考。大陸效應(yīng)從海洋開始，越向內(nèi)陸，大氣降水的δD和δ18O值越降低。位于內(nèi)陸的臺(tái)站,雨水的δ18O值比海島臺(tái)站及沿海岸臺(tái)站偏低。例如，廣州，昆明和拉薩的年平均降雨的δD值分別為－29‰，－76‰和－131‰高度效應(yīng)從海平面到最高的青藏高原，隨著海拔高度的增加，大氣降水δD和δ18O值也在一直降低。一般每升高100m，對(duì)于δD值降低1.2～4‰；對(duì)于δ18O值降低0.15～0.5‰。高度效應(yīng)實(shí)際上是復(fù)合的凝結(jié)效應(yīng)。當(dāng)濕空氣團(tuán)被抬升時(shí),伴隨凝結(jié)現(xiàn)象的產(chǎn)生,水汽中的氧穩(wěn)定同位素被貧化。其結(jié)果,降水中的氧穩(wěn)定同位素也不斷地被貧化。季節(jié)效應(yīng)季節(jié)不同，大氣降水中同位素也不是同一樣的。冬季相對(duì)夏季，大氣降水就要虧損重同位素。這主要是溫度效應(yīng)引起。夏季溫度高，海水蒸發(fā)及云團(tuán)形成（凝聚）過(guò)程同位素分餾小，因而造成夏季比冬季相對(duì)富集重同位素。降水量效應(yīng)（可能掩蓋溫度效應(yīng)）在大多數(shù)中緯度大陸地區(qū)明顯地出現(xiàn)降水量效應(yīng)，降水中δD和δ18O值與降水量大小呈相反關(guān)系。δ18O數(shù)值越負(fù)，降水量越大在中低緯度海洋或季風(fēng)區(qū),尤其在亞洲季風(fēng)區(qū)，溫度效應(yīng)受降水量效應(yīng)干擾而不能辨認(rèn)出來(lái)，這一現(xiàn)象在世界其他緯度較低溫度較高的地區(qū)常有發(fā)生，一般高緯度地區(qū)特別是兩極區(qū)溫度效應(yīng)較為明顯。不受降水量效應(yīng)影響遵循溫度效應(yīng)無(wú)降水量效應(yīng)氧同位素與古氣候冰芯--冰芯中氫、氧同位素比率是度量氣溫高低的指標(biāo)；凈積累速率是降水量大小的指標(biāo)；冰芯氣泡中的氣體成分和含量可以揭示大氣成分的演化歷史；宇宙成因的同位素可以提供宇宙射線強(qiáng)度變化、太陽(yáng)活動(dòng)和地磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的證據(jù)；冰芯中微粒含量和各種化學(xué)物質(zhì)成分的分析結(jié)果，可以提供不同的時(shí)期大氣氣溶膠、沙漠演化、植被演替、生物活動(dòng)、大氣環(huán)流強(qiáng)度、火山活動(dòng)等信息；同時(shí)，冰芯也記錄了人類活動(dòng)對(duì)氣候環(huán)境影響和各種信息等等。

海相沉積物--Organismsthatliveintheoceansincorporatebothisotopesofoxygenintotheirshellsastheygrow(withtheratiodependingonthetemperatureofthewaterwheretheylived)Whentheorganismsdie,theirshellmaterialfallstotheseafloorandisincorporatedintothesediments.Byexaminingtheisotopicchangesincoresrecoveredfromthesediments,wecanexaminepastclimatechangesGlacialClimates冰河時(shí)代氣候EvaporationofO16OceanO18leftbehindGlacierPrecipitationofO16

O16doesn’tgetbacktotheoceans,butisinstead“l(fā)ockedup”intheglacierEvaporationofO16PrecipitationofO16OceanO18leftbehindNon-glacial(warm)climates

非冰河時(shí)期冰芯研究Antarctic/GreenlandIceCoreRecordsOxygenisotopesoftheice(H2O)CO2trappedinairbubbles

Neumayer德國(guó)南極考察站Georg-von-Neumayer-Station1981-1992Georg-von-NeumayerStationduringpolarnightNeumayerStation1992-2008GlacialIceCoresInadditiontooxygenisotopes,icecoresrecordaerosolcontent(dust,ash,etc),greenhousegas(GHG)concentrationandpastclimatevariabilityVostokIceCore,Antarctica:climatedatarecordoffourinterglacial-glacialcyclesoverthepast420,000yrs.Somefindings:ClimatevariabilitywithperiodicitiesthatcorrelatewellwiththoseoftheEarth’sorbitalparametersStrongcorrelationbetweentemperaturefluctuationsandgreenhousegasconcentrationsSeePetit,J.R.,etal.,1999.Climateandatmospherichistoryofthepast420,000yearsfromtheVostokicecore,Antarctica.Nature399:429-436.DomeC,EastAntarctica:recordextendedbackto800,000yrsbeforepresentinLuthietal.,(2008)SeeLuthietal.,2008.High-resolutioncarbondioxideconcentrationrecordof650,000-800,000yearsbeforepresent.Nature453:379-382.annualmeanofd18Oandairtemperatured18O–T-relationship溫度效應(yīng)海相沉積物研究Asclimatecools,marinecarbonatesrecordanincreaseind18O.

Warmingyeildsadecreaseind18Oofmarinecarbonates.JOIDESResolutionScientistsexaminingcorefromtheoceanfloor.古海洋的溫度測(cè)定基本原理碳酸鹽沉積物的碳、氧同位素組成與沉淀介質(zhì)的同位素組成有關(guān)，在CaCO3-CO2-H2O系統(tǒng)中，有以下同位素交換反應(yīng)：在碳酸鹽與周圍環(huán)境平衡時(shí)沉淀的貝殼碳酸鹽，其穩(wěn)定同位素組成同水中的18O含量和介質(zhì)的溫度和鹽度有關(guān)，因此通過(guò)貝殼碳酸鹽同位素的研究，可以分析介質(zhì)的性質(zhì)。古海洋的溫度測(cè)定基本原理Oisotopesduringthelast3m.y.Kumpetal.,TheEarthSystem,Fig.14-4Climaticcoolingacceleratedduringthelast3m.y.Notethatthecyclicitychangesaround0.8-0.9Ma?41,000yrspriortothistime?100,000yrsafterthistimeBassinotetal.1994Oisotopes—thelast900k.y.碳酸鹽磷酸鹽氧同位素生物來(lái)源骨骼或牙齒的無(wú)機(jī)質(zhì)：主要成分為羥磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2，血液中的碳酸根離子置換氫氧根離子或磷酸根離子，被稱為結(jié)構(gòu)碳酸鹽：

Ca10(PO4，CO3)6(OH，CO3)2。δ18Oδ18O來(lái)自磷酸鹽表示為δ18Opδ18O來(lái)自碳酸鹽表示為δ18Oc磷酸鹽和碳酸鹽氧同位素?fù)Q算骨骼氧同位素與飲用水的關(guān)系1984年，Longinelli分析了人和豬血液和骨骼磷酸鹽中δ18O與引用水的δ18O的關(guān)系。245次引用優(yōu)點(diǎn)人體體溫基本恒定，不受氣候的改變。人體大約有65%的水分。人體的水主要來(lái)自環(huán)境中的水。人體磷酸鹽的沉積是在相同物理化學(xué)條件下?；谏鲜隹紤]，Longinelli推測(cè)人體骨骼中磷酸鹽的δ18O與環(huán)境水的δ18O的因該有良好的相關(guān)性。為什么不考慮碳酸鹽？人血液中的數(shù)據(jù)與環(huán)境中的水?dāng)?shù)據(jù)關(guān)系血液中的水與大氣降水的線性關(guān)系圖豬血液中的數(shù)據(jù)與環(huán)境中的水?dāng)?shù)據(jù)關(guān)系人骨骼中的數(shù)據(jù)與環(huán)境中的水?dāng)?shù)據(jù)關(guān)系※豬骨骼中的數(shù)據(jù)與環(huán)境中的水?dāng)?shù)據(jù)關(guān)系動(dòng)物與人類骨骼磷酸鹽差別？動(dòng)物骨骼中的18O值比人體稍高。Onepossibleexplanationisthatanimalswateredatponds(moresensibletoseasonaleffects),whichparticularlyinaridareascanbe18Oenrichedbyevaporationeffects,whilehumansdrankriverwaterwhichis,normally,isotopicallymorenegativethanlocalrainwater.Moreover,inthecaseofherbivores,atleastapartofthedailywaterintakeisrelatedtograsswater.Whiletheevapotranspirationprocessescausean18Oenrichmentofgrassandleafwater.利用牙釉質(zhì)氧同位素計(jì)算年平均溫度利用哺乳動(dòng)物骨骼或牙齒釉質(zhì)中的磷酸鹽的氧穩(wěn)定同位素來(lái)定量研究陸地古氣候,作為一種新的方法,最近越來(lái)越得到重視。哺乳動(dòng)物骨骼或牙齒化石的δ18Opo4

能代表這些動(dòng)物生活時(shí)期的原始數(shù)值,我們就可以利用現(xiàn)生哺乳動(dòng)物的經(jīng)驗(yàn)方程來(lái)計(jì)算地質(zhì)歷史時(shí)期的年平均溫度。馬科動(dòng)物牙釉質(zhì)18O與降水18O的關(guān)系第一個(gè)公式根據(jù)10個(gè)樣品得到第二個(gè)公式根據(jù)6個(gè)樣品得到鄧濤根據(jù)16個(gè)樣本的數(shù)據(jù)重新計(jì)算得到：的關(guān)系鄧濤推導(dǎo)出下列公式氧同位素與遷徙Theefficaciousnessofusingδ18OisotoperatiosinhumanboneforanthropologicalstudiesfocusingonmigratorybehaviorwasshownbyWhiteetal.(1998)whocomparedtheboneoxygenisotopesignaturesinarchaeologicalremainstothosecharacteristicforaspecificgeologicalregiontotracegeographicaloriginsintheValleyofOaxacainMexico.Evansetal.(2006)examinedtwoburialsfromAmesburyEngland,oneofwhichisknownasthe“AmesburyArcher”,andfoundthatthisindividual’s18OcompositionisnotcharacteristicforBritainbutrathercentralEurope,implyingthatthe“Archer”wasanon-local.Theδ18ΟvaluesfromthesecondburialindicatedthattheindividualwasprobablyfromsouthernEnglandorIreland.Scientistsanalyzingtheremainsofthe5300yearoldNeolithic“Iceman”mentionedearlier,whichwasdiscoveredinNorthernItaly,foundthebonestobesignificantlylighterin18Ocomparedtothetoothenamel,indicatingthattheIcemanspenthischildhoodatloweraltitudes(Mülleretal.2005,Hoogewerffetal.2001).回顧——氮穩(wěn)定同位素_骨膠原氮穩(wěn)定同位素15N/14N——與食物鏈營(yíng)養(yǎng)級(jí)相關(guān)—反映了肉食資源的攝入情況----食草類動(dòng)物，為3‰~7‰------雜食類動(dòng)物，為7‰~9‰

一級(jí)食肉類動(dòng)物以及各種魚類，為9‰~12‰

。二級(jí)食肉類動(dòng)物，其值更高。回顧——?dú)溲醴€(wěn)定同位素_骨骼系統(tǒng)氫氧穩(wěn)定同位素分餾——水的蒸發(fā)和凝聚不同地區(qū)的大氣降水的δ18O和δD不同。

溫度效應(yīng)——在中高緯度大陸內(nèi)部（正關(guān)系）

在中低緯度海洋和季風(fēng)區(qū)（副關(guān)系）

緯度效應(yīng)——由低到高，數(shù)值逐漸降低

季節(jié)效應(yīng)——夏季高，冬季低

高度效應(yīng)——海拔高數(shù)值低，海拔低數(shù)值高

解決問(wèn)題：遷移和環(huán)境溫度、降雨量等假設(shè)，我們的飲水來(lái)自大氣降水區(qū)域多年平均δ18O與平均氣溫之間相關(guān)關(guān)系以及特定地區(qū)年平均δ18O

與氣溫之間相關(guān)關(guān)系是古氣候重建研究的一種獨(dú)特方法。我國(guó)北方年平均降水與年平均氣溫的關(guān)系δ18O=0.52T-14.03張琳等（2008）第31卷第9期核技術(shù)，我國(guó)不同時(shí)間尺度的大氣降水氧同位素與氣溫的相關(guān)性分析降水與骨骼磷灰石的關(guān)系Longinelli推測(cè)人體骨骼中磷酸鹽的δ18O與環(huán)境水的δ18O的因該有良好的相關(guān)性。鄧濤馬科動(dòng)物牙釉質(zhì)δ18Ow指大氣降水鍶同位素在許多礦物中Sr+可以置換Ca+，所以Sr也是一個(gè)分散元素，并出現(xiàn)在含Ca的礦物中，如斜長(zhǎng)石、磷灰石和碳酸鈣礦物。

Sr穩(wěn)定同位素Sr有23個(gè)同位素，其中4個(gè)天然存在的穩(wěn)定同位素及其平均相對(duì)豐度為：88Sr＝82.53%87Sr＝7.04%（放射線成因）86Sr＝9.87%84Sr＝0.56%（Faure,1986）。放射線成因的87Sr87Rb87Sr＋-＋＋Q87Rb半衰期為4.88×1010年（Steiger&Jager,1977）由于87Rb衰變形成87Sr，故Sr同位素豐度是變化的。因此，一含Rb礦物或巖石中Sr同位素相對(duì)豐度取決于該礦物或巖石的年齡及其Rb/Sr比值。鍶穩(wěn)定同位素分析原理4種穩(wěn)定同位素在地球物質(zhì)中分布不均勻：1.相同時(shí)間不同區(qū)域形成的巖石具有不同的鍶同位素組成。2.同一區(qū)域不同時(shí)期，甚至同一時(shí)期形成的巖石，鍶同位素的組成也存在明顯的差異。這種差異性為研究人類的遷徙提供了可靠的基礎(chǔ)。當(dāng)巖石風(fēng)化形成土壤時(shí)，生長(zhǎng)在這些土壤中的植物就會(huì)獲得這些巖石的87Sr/86Sr比值——食草動(dòng)物——食肉動(dòng)物（或人體）,保留在骨骼系統(tǒng)中。鍶穩(wěn)定同位素分析原理骨骼和牙齒中90%都是無(wú)機(jī)物，主要由鈣羥磷灰石組成Ca10(PO4)6(OH)2。鍶的化學(xué)性質(zhì)和原子半徑與鈣相似，在骨骼和牙齒形成過(guò)程中，鍶可以取代晶格中的鈣離子，濃度可達(dá)102-103ppm數(shù)量級(jí)。骨骼中的鍶濃度明顯高于牙釉質(zhì)，可能因?yàn)槿祟愑啄晁缘氖澄镏腥橹加邢喈?dāng)大的比例有關(guān)，而乳汁中鍶濃度低引起的。鍶穩(wěn)定同位素分析原理骨骼—不斷地與外界物質(zhì)發(fā)生交換，不同的部位具有不同的轉(zhuǎn)換率，骨密質(zhì)中的轉(zhuǎn)換率大約是3%每年，骨松質(zhì)的大約是26%每年，因此可以記錄個(gè)體最后2年-20年生活地區(qū)的鍶同位素特征。牙