碳同位素地球化学

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。沉积有机物质、石油、煤海洋和大陆有机质淡水碳酸盐碳酸盐空气CO2海水碳酸盐岩，金刚石陨石、月岩等403020100－10－20－30－40－50δ‰13C()图6-20自然体系碳同位素组（据JochenHoefs,1973）碳质球粒陨石δ13C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δ13C值为-24～-34‰海生植物（浮游植物除外）δ13C比陆生植物大10‰±6CO2＋6H2O→C6H12O6+6O2煤平均δ13C值约为-25‰海相石油δ13C值为-22～-29.4‰陆相石油δ13C值为-29.7～-32.8‰甲烷更富集12C天然气δ13C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)α=1.014反应(2)α=1.012(25℃))(313)(212)COH(CO溶液气＋)(2313)(212)CO(CO溶液气＋)(312)(213)COH(CO溶液气＋2)(312)(213)CO(CO溶液气＋海相碳酸盐岩石δ13C为-6.39～5.2‰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δ13C和δ18O,δ13C为-18.5～8.5‰深成或平均地壳来源的碳δ13C≈-7‰生物成因的有机化合物δ13C≈-25‰不同成因碳的δ13C差异明显CO2–方解石106T-21000lnα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δ13C，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，δ13C为大的负值。与之平衡的CO2气相将高度富集δ13C。3.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δ13C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δ13C值为-5.0-32.3‰。平均δ13C值为-11.8‰，比无色金刚石的平均δ13C（-7.2）小，它与生物成因的碳同位素组成重叠。金刚石δ13C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：①碳酸盐矿物和C○2流体包裹体；②石墨或金刚石；③碳的化和物。其中：还原碳明显富集12C，它们的δ13C值在-20～-28‰之间，与生物成因碳相重叠。氧化态碳的δ13C值2.9～18.2‰，明显超出了火成碳酸岩δ13C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。①富铝结晶片岩中石墨的δ13C接近于生物碳，是有机碳变质而成。②与伟晶岩伴生的石墨脉，其δ13C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。③热液矿脉中大多数早期形成的碳酸盐矿物δ13C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δ13C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δ18O值随深度连续变化，冰盖上部δ18O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，δ18O值在-35‰左右波动，6-7.5万年前δ18O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，δ18O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-凝聚和扩散等（物理作用分馏）2、影响同位素分馏作用的主要因素：温度、fO2、pH值和生物作用(C.H.O.S)。地质作用分析：(1)同位素分馏效应,(2)体系初始稳定同位素组成；(3)外来物质混入。