碳同位素地球化學(xué)

關(guān)于碳同位素地球化學(xué)碳同位素地球化學(xué)一碳同位素組成與分布碳有兩種穩(wěn)定同位素：12C占98.89%13C占1.11%放射性14C由大氣上層14N核反應(yīng)（n,p）生成。第2頁,共18頁，2024年2月25日，星期天圖6-20自然體系碳同位素組（據(jù)JochenHoefs,1973）碳質(zhì)球粒隕石δ13C變化范圍很大指示碳同位素可能沒有經(jīng)歷過高溫平衡階段第3頁,共18頁，2024年2月25日，星期天二碳同位素的分餾1.光合作用的動力學(xué)分餾效應(yīng)光合作用：

12CO2鍵較13CO2

鍵易被破壞，光合作用使植物富集12C陸生植物δ13C值為-24～-34‰海生植物（浮游植物除外）δ13C比陸生植物大10‰±6CO2＋6H2O→C6H12O6+6O2第4頁,共18頁，2024年2月25日，星期天煤平均δ13C值約為-25‰海相石油δ13C值為-22～-29.4‰陸相石油δ13C值為-29.7～-32.8‰甲烷更富集12C天然氣δ13C值更負變化范圍更大第5頁,共18頁，2024年2月25日，星期天2.CO2與HCO-3和CO3-2

的碳同位素分餾

海水CO3-2和HCO3-比大氣CO2富集13C

反應(yīng)(1)α=1.014

反應(yīng)(2)α=1.012(25℃)第6頁,共18頁，2024年2月25日，星期天

海相碳酸鹽巖石δ13C為-6.39～5.2‰

平均為-1.16‰

陸地土壤中有機物產(chǎn)生的CO2富含12C貧13C.

淡水碳酸鹽富集δ13C和δ18O,δ13C為-18.5～8.5‰

深成或平均地殼來源的碳δ13C≈-7‰

生物成因的有機化合物δ13C≈-25‰

不同成因碳的δ13C差異明顯

第7頁,共18頁，2024年2月25日，星期天CO2---CH4CO2---CH4金剛石-石墨CO2–金剛石方解石-石墨CO2–方解石106T-21000lnα溫度℃方解石-CO2–金剛石-石墨-CH4-體系分餾系數(shù)計算值理論分餾系數(shù)：1.CO2-CH4間13C富集于CO2相內(nèi)，隨溫度降低分餾系數(shù)快速增大。方解石-石墨和金剛石-石墨分餾系數(shù)依次減小，溫度效應(yīng)減弱。CO2-方解石和CO2-金剛石在低溫區(qū)分餾出現(xiàn)反向富集第8頁,共18頁，2024年2月25日，星期天基本結(jié)論：1.無機鹽（碳酸鹽沉積）富集δ13C，但分餾程度不大。2.有機碳（植物體和生物還原產(chǎn)生的CH4）高度富集12C，δ13C為大的負值。與之平衡的CO2氣相將高度富集δ13C。3.溫度大于600℃，碳分餾系數(shù)快速衰減理論上地幔碳應(yīng)有小的變化范圍。第9頁,共18頁，2024年2月25日，星期天(三)地幔碳同位素組成：（1）金剛石的碳同位素組成根據(jù)相平衡資料，金剛石形成深度大于100公里，溫度為1000-1200℃左右，金剛石的δ13C值變化于-2.0～-10.0‰，根據(jù)石墨-金剛石-CO2體系，它比CO2減少了13C

，比石墨富集了13C

，這個現(xiàn)象說明在1000-1200℃高溫條件下，碳同位素仍可存在分餾。第10頁,共18頁，2024年2月25日，星期天（2）地幔碳同位素組成變化的原因：東西伯利亞雅庫梯礦床中彩色金剛石的δ13C值為-5.0-32.3‰。平均δ13C值為-11.8‰

，比無色金剛石的平均δ13C（-7.2）小，它與生物成因的碳同位素組成重疊。金剛石δ13C值的較大可變性與米切爾和克羅克特（1971）的假說相一致，他們認為自然界金剛石可能在比它的穩(wěn)定域更淺的深度與更低的溫度下亞穩(wěn)地形成(為什么)。第11頁,共18頁，2024年2月25日，星期天（四）火成巖中碳的同位素組成火成巖中碳的存在形式包括：①碳酸鹽礦物和C○2流體包裹體；②石墨或金剛石；③碳的化和物。其中：還原碳明顯富集12C，它們的δ13C值在-20～-28‰之間，與生物成因碳相重疊。氧化態(tài)碳的δ13C值2.9～18.2‰，明顯超出了火成碳酸巖δ13C值的范圍。這表明大部分氧化態(tài)的碳是次生成因的，是由循環(huán)的熱液或地下水引進的。第12頁,共18頁，2024年2月25日，星期天(4)結(jié)晶巖石中碳來源的復(fù)雜性。①富鋁結(jié)晶片巖中石墨的δ13C接近于生物碳，是有機碳變質(zhì)而成。②與偉晶巖伴生的石墨脈，其δ13C值與碳酸鹽礦物中比值相近，說明可能為無機碳酸鹽還原而成。③熱液礦脈中大多數(shù)早期形成的碳酸鹽礦物δ13C值范圍為-6～-9‰，晚期沉淀的碳酸鹽常富集13C，甚至可能具有正的δ13C值，反映分餾受溫度、fO2和pH影響第13頁,共18頁，2024年2月25日，星期天在應(yīng)用碳同位素探討成礦物質(zhì)來源時，必須考慮到溫度、fO2和pH值對流體中碳同位素的分餾作用影響，以恢復(fù)成礦熱液總的碳同位素組成，只有搞清分餾過程才能得到正確的結(jié)論。第14頁,共18頁，2024年2月25日，星期天南極格陵蘭伯德觀察站世紀營季節(jié)變化與氫氧同位素組成第15頁,共18頁，2024年2月25日，星期天伯德觀察站世紀營距今年齡×103南極格陵蘭格陵蘭和南極大陸冰蓋δ18O值隨深度連續(xù)變化，冰蓋上部δ18O約-29‰，1.2萬年前急劇減少到-40‰，意味著1.2萬年前平均氣溫低的多。1.2-6萬年前氣溫緩慢變化，δ18O值在-35‰左右波動，6-7.5萬年前δ18O值急劇變化為--28‰左右。冰蓋底部10萬年為-26‰，即自10萬年前氣候一直處于緩慢降溫，7.5有一次快速降溫，之后緩慢降溫之1.2萬年前的最低點。1.2萬年后在間冰期不到2000年時間，δ18O值便迅速上升到-29‰。第16頁,共18頁，2024年2月25日，星期天穩(wěn)定同位素小結(jié)：理論依據(jù)：同位素的分餾原理1、同位素交換反應(yīng)（化學(xué)作用分餾）（1）輕同位素與重同位素化學(xué)鍵的強度差異導(dǎo)致輕-重同位素發(fā)生分餾。（2）生物作用（觸媒作用，還原作用和生物化學(xué)反應(yīng)）（3）蒸發(fā)-凝聚和擴散等（物理作用分餾）2、影響同位素分餾