氮同位素地球化学

• 一般来讲，海洋溶解硝态氮的δ15N为615～1818；天然土壤的δ15N为- 3～ + 8,平 均为+ 5；垦植土壤和受生活污水污染的土 壤的δ15N为+ 4～+ 9；受粪肥污染的土壤 的δ15N为+ 10～ + 20，受化肥和工业污水 污染的土壤的δ15N为- 4～ + 5。另外，原 生氮肥的δ15N接近0，所以化肥和大气降水 往往在δ15N值方面存在重合。
• 价态的变化有利于同位素分馏。
• 氮有两种稳定同位素：14N和15N，其大气丰 度分别为99.633%和0.366%。δ15N变化的 总范围约100‰，从约-50 ‰ ～50 ‰，但绝 大部分落在-10 ‰ ～20 ‰范围内。
氮循环(nitrogen cycle)
大气库
闪电
HN3,NO,NO2,
• 水圈中以大洋水的氮为代表，其δ15N约为8 ‰ ～ 10 ‰。
• 植物中氮的δ15N变化于约-10 ‰ ～ 22 ‰。
• 可燃有机矿产中，石油和煤的δ15N值落在 现代生物范围内，约0 ～ 15 ‰。天然气的 δ15N变化极大，为-45 ‰ ～ 45 ‰。
• 地外物质中δ15N变化最大，为-40 ‰ ～ 100 ‰，而火星的δ15N值高达700 ‰。
• 脱氮作用，即硝酸盐转化为N2的过程，发 生在通气条件很差的土壤中或不通气的层 状水体中。脱氮过程由两个步骤组成：
• ①细胞吸收营养物质，无分馏；
• ②营养物质分解，有较大的同位素分馏效 应发生。
二、平衡分馏
• 含氮物质之间，氮同位素达到平衡时，有 如下的同位素分布规律：
• 在NO-NH3-N2-N2O-NO2序列中，15N依次富 集。
• 地球上最大的氮储库是大气，近地表环境 中约99%的氮以N2形式存在于大气或溶解 在海水中。
• 生物圈中的氮很少，但却是生命过程不可 或缺的元素之一。
• 地表条件下，氮可以以气态、液态或固态 形式存在，其价态由+5变化到-3，存在形式 有NO3-、NO2-、N2、NH4+、NH3、NO2、 NO、N2O和氨基酸等有机氮等。
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• 2，举例说明氧同位素的地质应用。 • 3，试述自然界碳的循环过程。 • 4，试述光合作用过程中碳同位素的分馏。 • 5，陆地植物与海洋植物的δ13C值有什么
区别？为什么？ • 6，平衡条件下，下列硫的存在形式中： • S，H2S，HS1-， S2- ， SO42-，HSO41-，
SO32- ，SO2 • 其δ34S从高到低的顺序是什么？为什么？
• 对于受粪肥污染者，往往呈现出δ15N较高, 且NO-32N也较高的双高特征；而受化肥和 工业污水污染者，则呈现δ15N较低而NO32N较高的特征；受生活污水污染和垦植土 污染则呈现δ15 N 中等, 且NO-32N也中等的
特征。特别的，受反硝化作用的影响，将 成现出高δ15N而低NO-32N的特征。将分别
三、其它物理化学效应
• 在扩散过程中，气体运移距离愈远，愈贫 15N，13C、D等具有类似特征；
• 挥发过程中，气相相对于原始物质贫15N； • NH4+离子易于与土壤和腐泥中的物质发生
离子交换。
第二节 各类物质中的氮同位素组成
• 岩石的氮同位素数据很少，就目前研究资 料而言，火成岩δ15N约为-16 ‰ ～ 31 ‰； 远洋沉积物δ15N =3 ‰ ～10 ‰；高级变质 岩和花岗岩相对富集15N ， 其δ15N 约为8 ‰ ～10 ‰，随变质程度的降低， δ15N可 低至2 ‰ 左右。
二、氮同位素与沉积环境
• 氮同位素与沉积环境有较好的对应关系，由原油 和干酪根的氮同位素比值可判断出3类不同的沉积 环境:
• (1) 淡水沉积环境原油的δ15N较轻,大致在013 %～016 %之间;
• (2) 咸水和半咸水沉积环境中形成的沉积有机质 氮同位素最重,普遍在110 %以上;
• (3) 古生代海相碳酸盐岩中有机质及由此生成的 原油δ15N 接近0 或小于0。
• 1. 2 污染状态下浅层地下水中N的赋存形态
• 受污染的浅层地下水中,可以是高硝态氮,也可以是高氨氮。 当非饱和带厚度较大,颗粒较粗和透气性较好,土壤水Eh在 + 250 ～ + 500 mV,土壤水含氧量达10 mg/L以上,且土壤含 水量约为最大持水量的1 /2至1 /3时,最有利于硝化作用的 进行,此时地下水中的溶解氮将主要以硝态氮为主。反之, 当潜水面埋藏较浅,土壤潮湿,透气性差或非饱和带颗粒粗 细相间,土壤水Eh < + 250 mV,土壤水含氧量小于012 mg/L 时,最有利于反硝化作用的进行,此时地下水中硝态氮将被 逐步还原.
气氮在特定的细菌和藻类参与下转化为有 机氮，有机氮可分解为简单的含氮化合 物，如氨和硝酸盐。
• 显然，微生物在生物氮循环中起着关键的 作用，在循环过程中发生一系列化学反 应，包括固氮、硝化和脱氮过程。
• 循环中发生的反应都可能造成同位素分馏。
• 固氮过程可以描述为：
• N2+3H2O→2NH2+3/2O2
详述如后。
第三节 氮同位素的地质应用
• 一、氮同位素与水污染 • 1 N在地下水中的赋存状态 • 1. 1 天然状态下浅层地下水中的N天然条件下,浅层地下
水中赋存的氮(N)的形式,有硝态氮(NO-3-N) 、亚硝态氮 (NO-2-N) 、铵态氮(NH+4-N) 、氨态氮(NH3-N) 、气态氮 (N2 和N2O)和有机氮等,并随地下水中的地球化学条件变 化而变化。通常情况下,天然浅层地下水多为中性,且不存 在可以使硝态氮(NO-3-N) 、亚硝态氮(NO-2-N) 、铵态氮 (NH+4-N)和氨态氮(NH3-N)沉淀的阳离子和阴离子。当 Eh≥ + 200 mv时,硝态氮(NO-32N)是稳定的,而铵态氮 (NH+4-N)和氨态氮(NH32N)则不稳定。在硝化反应的作用 下,这些不稳定的物质最终将转化为硝态氮。因此, 天然状 态下硝态氮(NO-3-N)是浅层地下水中溶解氮的主体。
化学反应
降
N2 O 脱氮
，
火水
工业固氮
山
（汽车,化肥,电厂）
大气库 N2 大气
生物固氮
作
动植物
用 土壤
活体 共生或 自由生活
蓝藻
其它 动植物
中无 机氮
的固氮 微生物
陆浅地层陆死地有机物
库 死有机体
丢失于深 溶解死
陆地
河流带走
层沉积中 有机物 海洋
第一节 氮同位素分馏
• 一、生物氮循环 • 生物氮循环主要发生在土壤和水圈中，大
第十章 氮同位素 地球化学
• 长期以来氮同位素地球化学一直没有受到 足够的重视，也许是因为它很少形成固体 矿物，且不是主要造岩矿物组分之故。
• 事实上，氮是很重要的元素，它是生物圈 和气圈的重要组分，不仅在研究与生物土 壤环境等有关的问题时离不开它，而且在 研究地外物质时具有重要意义。
• 因此，近年来，氮同位素地球化学研究获 得了较快的发展。
• 这个过程通过固氮细菌的作用在植物根部 发生。由于N-N键的断裂需要大量的能量， 所以此过程的发生非常缓慢，氮同位素分 馏很小(1-3 ‰) 。
• 硝化过程发生在如下转化过程中：
• 有机N→NH4→NO2→NO3
•
① ②③
• 上述过程包括3个步骤，其中第①步基本上 没有氮同位素分馏；第②、③步则伴有较 大的动力学同位素分馏。
• 海相碳酸盐岩中有机质及所生成原 油的氮同位素比值低的原因,是由
于古生代的大气中氮同位素值本身 较低,还是由于其沉积环境不同造 成的,目前尚不清楚,有待进一步研
究。
三、氮同位素与矿床
生物中碳、氮同位素组成
英国产专用性碳氮同位素分析仪
复习题
• 1，试运用已学的理论知识解释下述过程中 氧同位素的变化。