稳定碳同位素

1、稳定碳同位素自然界有六种碳同位素：10C、1lC、12C、13C、14C*和15C*。主要有三种，它们的丰度是：i2C98.9%；i3C1.08%；i4C1.2X10-10%。其中曲、曲是稳定同位素，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、化学和生物作用下产生分馏。一般来说，在碳的有机循环中，轻同位素容易摄入有机质（例如烃、石油中富含12C,-30-20%0）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。碳同位素分馏包括动力学分馏（如光合作用、有机物的生物降解等）和平衡分馏（如大气CO溶解的H

2、CO-固体CaCO系统）。（1）光合作用中的碳同位素233动力分馏（6CO+6HO-CHO+O）：由于轻同位素分子的化学键比重同位素分子的2261262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），而残留CO中则相对富集重同位素（13C）。叶子表面对两种二氧化碳（12CO、13CO）同位素分子吸收速度上的差异是造成这一分馏的主要原因。光合作用中碳同位素分馏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，光合碳循环可分为C3、C4和CAM三种方式。C3循环长，分馏大，6曲=-23%。-38%0；C4循环为短循环，分馏小，613C=-12%o-14%o；CAM

3、循环介于C3与C4间，其13C的亏损程度也介于C3与C4植物间。（2）生物氧化一还原作用过程中的碳同位素分馏：一方面，微生物通过氧化还原反应获取能量，加速氧化还原反应的进行。另一方面，微生物在参与反应的过程中，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馏。大气CO溶解的HCO-固体CaCO系统中的化学交换平衡反应：同位素平233衡分馏只与温度有关，碳同位素分馏的结果是使固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，2其碳同位素呈现出递减趋势，总体变化规律

4、是氧化态的碳富集13C,还原态的碳富集12C。海洋上空大气CO很少受到其它来源的CO的影响，其513C值变化范22围很窄，平均6i3C=-7.0%o；沙漠和山区大气的CO的513C值接近-7.0%。；而在2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25i3C值有所降低。土壤CO的613C值变化范围较大，约-30%o-10%0，主要取2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5i3C值变化范围由-10%o-38%，土壤腐殖质中的513C值与区域

5、的植物类型有关。泥炭的513C值与泥炭形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)成环境与泥炭类型有关。湖泊沉积物的513C值变化范围很大(-8%o-38%o),这种情况与陆地和水生植物相似。对少数河流沉积物研究表明，其513C的值变化与湖泊一致。近代海相沉积：对部分海相沉积

6、的碳同位素研究表明，其513C变化范围较窄(-10%-30%)，其中90%以上的样品的513C=-20%-27%碳酸盐岩石的碳同位素组成与其沉积环境有密切关系，海相石灰岩的曲=+2.4%-3.3%，平均值为0±1%。；白云岩的5曲=+2.65%0-2.9%，平均值为+0.82%；大理岩的5i3C=+3.06%o+0.63%°，平均值为+1.26%。淡水相石灰岩的5i3C=+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513C值变化较大，最表层水的513C值最大，向

7、下随深度加大而减小，直至深1km处，这里513C值最小；1km以下的深部海水，出现了513C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2解无机碳之间发生了同位素交换反应，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；海洋底部细菌还原作用使碳同位素发生了分馏(例如生成CH)。海水中有机碳的碳同位素：组成比较稳定，513C的平均值为-21.8%o；微粒有机质的5曲值在-27%o左右，接近于现代浮游生物。河流中DIC的主要来源有土壤有机质的分解、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

8、有可以显著区分的碳同位素特征值。除了2自然因素影响外，河流Die还可能受到人类活动的影响，如污染排放、水坝拦截等。宅冬上IK*g严Lwwctrwiswoin2ooO/pMole/Kg)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eo的影响；二是2受地下水带入的无机碳与大气eo的同位素交换反应的影响。这两种影响的结果2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eo的溶解。在通常条件下，其6曲值为-7%。2"左右；土壤eo和现代生物碳的溶解。其5i3C值一般为-25%o左右；海相石2灰岩的溶解。其6曲值为0±1%0:淡水灰岩溶解，其6曲为负值，变化范围较大。人类活动影响下