稳定碳同位素

1、稳定碳同位素自然界有六种碳同位素：碳同位素分储包括动力学分储如光合作用、有机物的生物降解等和平衡 分储如大气CO溶解的HCO 固体CaCO系统.1光合作用中的碳同位素 动力分储6CO+6HOHC 6H2Q+Q:由于轻同位素分子的化学键比重同位素分子的 化学键易于破坏,因而光合作用的结果使有机体相对富集轻同位素12c,而残 131213 留CO_中那么相对富集重同位素C.叶子外表对两种二氧化碳 C0 CO同 位素分子吸收速度上的差异是造成这一分储的主要原因.光合作用中碳同位素分 储程度与光合碳循环途径密切相关.根据 CO被固定的最初产物的不同,光合碳c、循环可分为C& C4和CAME种方

2、式.C3循环长,分储大,6 13C=-23%r-38%;c、C4循环为短循环、分储小、2 13C=- 12%-14%： CAM盾环介于C3与C4间、其c、C的亏损程度也介于 C3与C4植物间.2生物氧化一复原作用过程中的碳同 位素分储：一方面,微生物通过氧化复原反响获取能量, 加速氧化复原反响的进 行.另一方面,微生物在参与反响的过程中,对于同位素的利用具有选择性,优 先选择利用化学能较弱的轻同位素化学键,使得轻同位素较重同位素更易被微生 物所利用,进而产生显著的同位素分储.c、大气CO 溶解的HCO 固体CaCO系统中的化学交换平衡反响：同位素平 衡分储只与温度有关,碳同位素分储的结果是使固

3、体碳酸盐中富集重同位素13c从大气中的 CO到生物圈中有机碳化合物再到生物燃料和生物成因的甲烷,其碳同位素呈现出拂减趋势,总体变化规律是氧化态的碳富集13c,复原态的碳c叫口 富集12C.海洋上空大气CO很少受到其它来源的CO的影响,其6 13C值变化范 围很窄,平均6 13C= -7.0%;沙漠和山区大气的CO的613C值接近-7.0%; 止c*.主要有三种,它们的 丰度是：12C-98.9%; 13C- 1.08%; 14C- 1.2X10-10%.其中 12G 13C是稳定同 位素,14c是放射性同位素.碳有两种稳定同位素：12c和13c,由于它们的质量不 同,在自然界中的物理、化学和生

4、物作用下产生分储.一般来说,在碳的有机循 环中,轻同位素容易摄入有机质例如姓:、石油中富含12C, -30-20%中；而在无机循环中,重同位素倾向于富集在无机盐例如碳酸盐富含13c,海相灰岩约 0%o 中.森林、草地、耕地等植被发育的地方,由于受到生物腐烂放出的CO的影响,其-3C值有所降低.土壤 CO的613C值变化范围较大,约-30%-10%,主要取 决于有机物的分解和植物根的呼吸作用.全球海洋碳库的变化对大气碳库具有决 定性的影响,但海洋碳库变化相对小,一般起稳定或缓冲的作用.近代大陆沉积：近代陆相沉积物中有机质的/3C值变化范围由-10%-38%, 土壤腐殖质中的6 13C值与区域的植

5、物类型有关.泥炭的613C值与泥炭形CO2(g) = CO 式 aq) = H2CO3(aq) = HCO3- = CO32- A13C+1+8-1.7-A-6nC -7心+2+1*0 5N.B. The major fractionation effect is the hydration of COr(le. bicarbonate is enriched in 13C relative to CO? in solution by ca. 8 %) 成环境与泥炭类型有关.湖泊沉积物的613C值变化范围很大(-8%-38%),这种情况与陆地和水生植物相似.对少数河流沉积物研究说明,其613C

6、的值变化与湖泊一致.近代海相沉积：对局部海相沉积的碳同位素研究说明,其 s13c 变化范围较窄(-10%-30%),其中90姒上的样品的6 13C=-20%o-27%碳酸盐岩石的碳同位素组成与其沉积环境有密切关系,海相石灰岩的13g+2.4%-3.3%,平均值为0±1%;白云岩的 TC= +2.65%-2.9%,平均值 为+0.82%;大理岩的 TC= +3.06%o+0.63%o,平均值为+1.26%.淡水相石灰 岩的613C= +9.82%-14.10%,平均值为-2.8%.据统计,世界各地淡水相石 灰岩比海相石灰岩富含轻同位素 12c海水中溶解无机碳的碳同位素 ：表层海水的61

7、3C值变化较大,最表层 水的6 13C值最大,向下随深度加大而减小,直至深1km处,这里6 13C值最小；1km以下的深部海水,出现了 6 13C值随深度增大而缓慢增长的趋势,但增长的 幅度很小.海水的碳同位素组成的变化可以归于两方面原因：大气CO和海水溶解无机碳之间发生了同位素交换反响,导致海水无机碳中富含13C,越靠近海水表层,交换程度越高,13C含量也越高；海洋底部细菌复原作用使碳同位素发生了 分谓(例如生成CH).海水中有机碳的碳同位素： 组成比拟稳定、613C的平均值 为-21.8%°微粒有机质的 6 13C俏在-27%.左右,接沂干现代浮游牛物.河流中DIC的主要来源有土

8、壤有机质的分解、 碳酸盐与硅酸盐矿物溶解、水生植物呼吸及大气CO的溶解,它们具有可以显著区分的碳同位素特征值.除了 自然因素影响外,河流DIC还可能受到人类活动的影响,如污染排放、水坝拦截T U 12 0100一一 a/'1c 网0加3峋湖泊水中溶解碳主要有两种来源：一是通过河流或沿湖岸边以剥蚀的方 式把大量的大陆有机碳和无机碳带入湖泊中；二是通过地下水径流把周围岩石中 的无机碳注入湖泊中.湖泊水溶解碳的同位素组成反映当地的大陆和周围岩石含 碳物质的碳同位素组成的特征.湖泊水溶解碳的同位素组成还受两方面影响：一是湖水和湖泊沉积物内生物主要是细菌作用活动产生的CO的影响；二是受地下水带入的无机碳与大气 CO的同位素交换反响的影响.这两种影响的结果 常使湖泊水中的13C含量成层分布.地下水碳同位素组成受地下水本身的形成作用、 迁移和赋存环境的影响.地 下水中碳的主要来源有： 大气CQ的溶解.在通常条件下.其6 13C佰为-7%o 左右； 土壤CO和现代生物碳白溶解.具6 13C值一般为-25%左右；海相石 灰岩的溶解.具 613C俏为0± 1%.； 淡水灰岩溶解.其 613C为负伯.变化范 围较大.人类活动影响下的河流