碳同位素地球化学.ppt

1、,地球化学 第六节 碳同位素地球化学,碳同位素地球化学 一 碳同位素组成与分布 碳有两种稳定同位素：12C占98.89% 13C 占1.11% 放射性14C由大气上层14N核反应（n, p） 生成。,图6-20 自然体系碳同位素组 （据Jochen Hoefs, 1973）,碳质球粒陨 石13C 变 化范围很大 指示碳同位 素可能没有 经历过高温 平衡阶段,二 碳同位素的分馏 1.光合作用的动力学分馏效应 光合作用： 12CO2键较13CO2 键易被破坏，光合作用使植 物富集12C 陆生植物13C值为-24-34 海生植物（浮游植物除外）13C比陆生植物大 10,6CO26H2OC6H12O6

2、+6O2,煤平均13C值约为-25 海相石油13C值为-22-29.4 陆相石油13C值为-29.7-32.8 甲烷更富集12C 天然气13C值更负 变化范围更大,2. CO2与HCO-3和CO3-2 的 碳同位素分馏 海水CO3-2和HCO3-比大气CO2富集13C,反应(1) =1.014 反应(2) =1.012 (25),海相碳酸盐岩石13C为 -6.395.2 平均为 -1.16 陆地土壤中有机物产生的CO2富含12C贫13C. 淡水碳酸盐富集13C和18O, 13C为 -18.58.5 深成或平均地壳来源的碳13C-7 生物成因的有机化合物13C-25 不同成因碳的13C差异明显,

3、CO2-CH4,CO2-CH4,金刚石-石墨,CO2 金刚石,方解石-石墨,CO2 方解石,106T-2,1000ln,温度,方解石- CO2 金刚石-石墨-CH4-体系分馏系数计算值,理论分馏系数： 1. CO2-CH4间13C 富集于CO2相内， 随温度降低分馏系 数快速增大。 方解石-石墨和金刚 石-石墨分馏系数依 次减小，温度效应 减弱。 CO2-方解石和CO2- 金刚石在低温区分 馏出现反向富集,基本结论： 1. 无机盐（碳酸盐沉积）富集13C，但分馏程度不大。 2. 有机碳（植物体和生物还原产生的CH4）高度富集12C，13C为大的负值。与之平衡的 CO2气相将高度富集13C。 3

4、. 温度大于600，碳分馏系数快速衰减 理论上地幔碳应有小的变化范围。,(三) 地幔碳同位素组成： （1）金刚石的碳同位素组成 根据相平衡资料，金刚石形成深度大于100公里，温度为1000-1200左右， 金刚石的13C值变化于-2.0-10.0，根据石墨-金刚石-CO2体系，它比CO2减少了13C ，比石墨富集了13C ，这个现象说明在1000-1200高温条件下，碳同位素仍可存在分馏。,（2）地幔碳同位素组成变化的原因： 东西伯利亚雅库梯矿床中彩色金刚石的13C值为-5.0-32.3。平均13C值为-11.8 ，比无色金刚石的平均13C（-7.2）小，它与生物成因的碳同位素组成重叠。 金刚

5、石13C值的较大可变性与米切尔和克罗克特（1971）的假说相一致，他们认为自然界金刚石可能在比它的稳定域更浅的深度与更低的温度下亚稳地形成(为什么)。,（四）火成岩中碳的同位素组成 火成岩中碳的存在形式包括： 碳酸盐矿物和C2流体包裹体； 石墨或金刚石； 碳的化和物。 其中：还原碳明显富集12C，它们的13C值在-20 -28 之间，与生物成因碳相重叠。氧化态碳的13C值2.9 18.2 ，明显超出了火成碳酸岩13C值的范围。这表明大部分氧化态的碳是次生成因的，是由循环的热液或地下水引进的。,(4) 结晶岩石中碳来源的复杂性。 富铝结晶片岩中石墨的13C接近于生物碳，是有机碳变质而成。 与伟晶

6、岩伴生的石墨脉，其13C值与碳酸盐矿物中比值相近，说明可能为无机碳酸盐还原而成。 热液矿脉中大多数早期形成的碳酸盐矿物13C值范围为-6-9，晚期沉淀的碳酸盐常富集13C，甚至可能具有正的13C值，反映分馏受温度、fO2和pH影响,在应用碳同位素探讨成矿物质来源时，必须考虑到温度、fO2和pH值对流体中碳同位素的分馏作用影响，以恢复成矿热液总的碳同位素组成，只有搞清分馏过程才能得到正确的结论。,南 极,格 陵 兰,伯德观察站,世纪营,季节变化 与氢氧同 位素组成,伯德观察站,世纪营,距今年龄103,南 极,格 陵 兰,格陵兰和南极大陆冰盖18O值随深度连续变化，冰盖上部18O约-29，1.2万年前急剧减少到-40，意味着1.2万年前平均气温低的多。1.2-6万年前气温缓慢变化，18O值在-35左右波动，6-7.5万年前18O值急剧变化为-28左右。 冰盖底部10万年为-26，即自10万年前气候一直处于缓慢降温，7.5有一次快速降温，之后缓慢降温之1.2万年前的最低点。1.2万年后在间冰期不到2000年时间，18O值便迅速上升到-29。,稳定同位素小结： 理论依据：同位素的分馏原理 1、同位素交换反应（化学作用分馏） （1）轻同位素与重同位素化学键的强度差异导致轻-重同位素发生分馏。 （2）生物作用（触媒作用，还原作用和生物化学反应 ） （3）蒸发