自然界碳同位素变化稳定

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自然界碳同位素的丰度

自然界碳同位素的丰度
自然界中主要存在三种碳同位素,分别是碳-12(12C)、碳-13(13C)和碳-14(14C)。

它们的丰度差异很大,在自然界中分布不均匀。

碳-12是碳的主要稳定同位素,在自然界中的丰度约为98.89%。

它是构成有机物和无机碳化物的主要成分。

碳-13是另一种稳定同位素,其天然丰度约为 1.11%。

由于其相对质量较重,在一些生物过程中会发生同位素分馏效应,导致不同环境中13C的丰度略有差异。

这种差异被广泛应用于同位素示踪和年代测定等领域。

碳-14是碳的放射性同位素,其丰度极其稀少,约为1×10^-12。

它主要来源于高能宇宙射线与大气中的氮原子反应产生。

碳-14的半衰期约为5730年,被广泛应用于考古学年代测定和环境示踪研究。

碳同位素的丰度分布反映了自然界中这些同位素形成和演化的过程,对于研究地球化学循环及环境变化等具有重要意义。

稳定同位素示踪技术在生态学中的应用

稳定同位素示踪技术在生态学中的应用生态学是关于生物和环境互动关系的科学，它研究的核心问题之一是物质循环的过程和机制。

而稳定同位素示踪技术（Stable Isotope Tracing Technology）则是生态学中的一个重要工具，它通过对生物体内稳定同位素的监测和分析，揭示了生态系统中不同生物群体之间和物质之间的相互作用与循环过程，为我们深入了解生物和环境互动关系提供了有力支撑。

本文将从稳定同位素示踪的原理、示踪技术的种类以及它们在生态学中的应用等方面进行探讨。

一、稳定同位素示踪的原理稳定同位素示踪技术利用天然界中稳定同位素的相对丰度差异，来揭示各种生物或化学物质在环境中的循环和转化过程。

通俗地讲，自然界中存在着多种同种元素的同位素，其中相对丰度较高的同位素数量比较多，而相对丰度较低的同位素数量相对较少。

因为不同的同位素性质各异，所以它们在物质的各种过程中表现出不同的稳定性和反应活性。

比如水分子中氢原子的同位素就有稳定的氢-1、氘-2和氚-3，其中氢-1相对丰度最高，氚-3相对丰度最低。

同样，空气中的二氧化碳分子中碳原子也有稳定的碳-12、碳-13和碳-14，其中碳-12相对丰度最高，碳-14相对丰度最低。

这种差异可以利用质谱仪等仪器对稳定同位素进行检测和分析，从而揭示物质在生命体内和生态系统中的各种过程和转化。

二、示踪技术的种类稳定同位素示踪技术是一类复杂的实验手段，它可以应用于各种生物或化学物质的追踪和定量分析。

在生态学中，常用的示踪技术主要包括以下几种。

1. 激光荧光同位素比值仪激光荧光同位素比值仪是最常用的稳定同位素比值分析仪器，它通过激光诱导荧光技术，将样品中的稳定同位素分子转化为高能态激发态分子，利用荧光发射光谱测量不同同位素所发射的光谱波长，从而计算出它们的相对丰度比值。

2. 气相色谱质谱仪气相色谱质谱仪是目前最灵敏、最精确的稳定同位素示踪仪器，它能够检测不同同位素分子的相对丰度比值，常用于确定各种生物分子、尤其是蛋白质和氨基酸等化合物的同位素组成，以及微生物群体和植被的碳、氮同位素参量等方面的研究。

同位素示踪技术在环境科学中的碳循环解析

同位素示踪技术在环境科学中的碳循环解析随着全球环境问题的日益突出，环境科学的发展成为当今最重要的研究领域之一。

其中，碳循环作为全球气候变化研究的核心，对了解地球系统的动态变化具有重要意义。

同位素示踪技术作为一种精确而灵敏的分析工具，日益被应用于环境科学中的碳循环解析，为我们深入了解碳循环机制和评估人类活动对环境影响提供了重要的手段。

首先，我们需要了解碳循环在环境科学中的重要性。

碳循环是指地球上碳元素在不同环境介质（如大气、水体、土壤等）之间的相互转化与平衡过程。

这种平衡是复杂而脆弱的，任何外界因素的干扰都会对地球系统产生重大影响。

例如，二氧化碳是温室气体的主要成分之一，其排放和吸收的不平衡将导致全球气候变化。

因此，准确地了解碳循环的机制和过程，对于评估和预测气候变化以及环境管理具有重要意义。

同位素示踪技术作为一种用来标记物质的方法，已经被广泛应用于环境科学领域。

其中，碳同位素示踪技术是研究碳循环的重要手段之一。

碳元素有两种主要的同位素：碳-12和碳-13。

这两种同位素在自然界中的丰度比例是稳定的，但由于环境变化和生物过程的影响，不同介质中同位素丰度的比例会发生变化。

通过测量碳同位素的丰度变化，我们可以推断出碳元素的来源和转化过程。

具体来说，同位素示踪技术将标记同位素（如放射性同位素碳-14）引入环境介质中，然后测量标记同位素与自然同位素的丰度比例变化。

通过对比不同介质中同位素丰度的差异，我们可以推断出碳的运动路径和转化过程。

例如，通过测量大气中二氧化碳中碳-14的丰度，可以估算出大气中二氧化碳的存活时间和源头，从而了解大气中二氧化碳的增长机制。

类似地，同位素示踪技术还可以揭示碳元素在土壤中的储存和释放过程，以及海洋中的碳沉积和迁移等。

同位素示踪技术在环境科学中的应用具有广泛的研究领域。

首先，它可以帮助我们了解全球碳循环过程。

通过对不同环境介质中同位素丰度的测量，可以追踪碳元素在大气、水体和陆地之间的相互转化和平衡过程。

21-23稳定同位素地球化学

Element Notation
Hydrogen Lithium Boron Carbon Nitrogen Oxygen Sulfur δ D δ 6Li δ δ δ δ δ δ
11 6
Ratio
D/H(2H/1H) li/7Li B/10B C/12C N/14N O/16O O/16O S/32S
18 18 216 1/3C16O2+ H O ƒ 1/3C O + H 3 2 3 2 O
α=1.0492
α=1.0286
反应使岩石中富集了18O、而在水中富集16O。由于大部分岩石中氢的含量很低，因此水岩同位素交换反应中氢同位素成分变化不大，但在含OH-的矿物中，水岩反应结果使得矿物的δD增高。
1000ln A 10 / T B
6 2
α是分馏系数；T是绝对温度；A、B是常数，由实验确定。从上式可知，温度越高，分馏越小；温度越低，分馏越大。在实际进行同位素地质温度测定时，只要测定两个共生矿物的同位素组成，便可根据公式进行同位素平衡温度计算。
稳定同位素地球化学
例子：含石英、白云母和磁铁矿的花岗片麻岩
H-O同位素地球化学
(3) 矿物晶格化学键对氧同位素的选择当火成岩和变质岩达到氧同位素平衡时，岩石中矿物氧同位素有一个相应的分馏次序，其中Si-O-Si键的矿物中最富18O，其次为Si-O-Al键、SiO-Mg键等。
H-O同位素地球化学
云和沉积物五个库间进行。
H-O同位素地球化学
1.H-O同位素的分馏 (1)蒸发-凝聚分馏：水在蒸发过程中轻水分子H216O比重水分子D218O易于富集在蒸汽相中，而凝聚作用相反，重的水分子优先凝结。因此在气、液相之间发生H、O同位素的物理分馏。由于水分子经过反复多次蒸发-凝聚过程使得内陆及高纬

西安交通大学《环境微生物学》期末考试拓展学习(六)3

西交《环境土壤学》（六）人类活动对碳循环的影响碳元素不是地球上丰度最高的元素，但它独特的原子结构使其成为存在形式最为复杂的元素，也是地球上化合物种类最多的元素。

碳元素有4个共价键，这些键很容易跟其他元素链接成长而稳定的复杂分子，以吸收、储存、交换周围环境的物质和能量。

自然界的碳稳定同位素有C 和C两种，丰度分别为98．89 和1．11 ，我们熟知的MC是碳的放射性同位素，半衰期是5 730 a。

碳元素的自然赋存状态有单质和化合物，其中包括数以百万计的有机化合物。

自然界中碳同位素的分馏主要有动力学分馏效应和碳同位素交换反应。

从根本上影响碳同位素分馏的是生物因素。

但生物过程复杂多变，难以像物理过程那样遵循一些基本原则而得出准确严谨的解释。

这也正是为什么碳循环的研究要比水循环更加复杂的原因。

研究自然界中碳的循环规律是揭示地球环境因子变化的重要手段。

一方面，碳在自然界的物质循环过程影响着地球气候与环境的变化，CO2。

在大气中含量的变化是地球气候发生改变的关键；另一方面，碳是生命物质的最基本元素之一，生命活动是碳元素在自然界进行循环的最重要影响因素。

由于生命有机物质中碳元素中“轻碳”( C)比“重碳”(坞C)含量高，因此通过研究岩石中碳的同位素组成比例的变化可以了解地质时期生命活动与碳循环的关系，从而揭示大气和海洋环境因子的变化过程。

1 碳循环概述自然界中绝大多数的碳并非储存于生物体内，而是储存于大量的地壳沉积岩中。

一方面沉积岩中的碳因自然和人为的各种化学作用分解后进入大气和海洋；另一方面生物体死亡以及其他各种含碳物质又不停地以沉积物的形式返回地壳中，由此构成了全球碳循环的一部分。

碳的生物循环虽然对地球的环境有着很大的影响，但是从以百万年计的地质时间上来看，缓慢变化的碳的地球化学大循环才是地球环境最主要的控制因素。

1．1 碳元素的分布从全球的角度讲，碳元素分布于地球各圈层若干主要的储库中。

碳有着巨大的不活动的地质存储库（如岩石圈等）和较小的、但在生态学上活动积极的大气圈库、海洋库和生物库。

C和O稳定同位素在矿层沉积环境分析方面的应用

C和O稳定同位素在矿层沉积环境分析方面的应用瞿琮（东华理工大学地球科学学院，江西　南昌　３３００１３）摘要：为了精确恢复地区的矿层性质、沉积环境和沉积特征，对于稳定同位素的地球化学分析研究尤其重要，主要是对Ｃ和Ｏ同位素的分析，从而可推断出当时的沉积环境和气候条件。

对于样品中元素的异常进行了分析，采用多接收电感耦合等离子体质谱仪（ＭＣ－ＩＣＰ－ＭＳ）对同位素比值进行了测定，使用δ（‰）＝（Ｒ样品／Ｒ标准－１）×１０００来表示。

对于碳氧同位素的研究表明，其与沉积环境具有一定的相关性，同时古环境中各类碳酸盐岩的碳、氧稳定同位素组成也受到沉积作用和成岩作用的影响，随之发生变化，进而我们可以利用碳氧同位素的原始沉积信息来推断当时的沉积环境。

关键词：Ｃ和Ｏ同位素；同位素比值；沉积环境中图分类号：Ｐ６１８．２文献标识码：Ａ文章编号：１００２－５０６５（２０２０）１９－０１７２－２Application of C and O stable isotopes in the analysis of deposit sedimentary environmentQU Cong（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅａｒｔｈ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，　Ｅａｓｔ　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ　３３００１３，Ｃｈｉｎａ）Abstract: Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ　ｒｅｓｔｏｒｅ　ｔｈｅ　ｏｒｅ　ｂｅｄ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，　ｓｅｄｉｍｅｎｔａｒｙ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｓｅｄｉｍｅｎｔａｒｙ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｒｅａ，　ｉｔ　ｉｓ　ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ｔｈｅ　ｇｅｏｃｈｅｍｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｓｔａｂｌｅ　ｉｓｏｔｏｐｅｓ，　ｍａｉｎｌｙ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｃ　ａｎｄ　Ｏ　ｉｓｏｔｏｐｅｓ，　ｓｏ　ａｓ　ｔｏ　ｉｎｆｅｒ　ｔｈｅ　ｓｅｄｉｍｅｎｔａｒｙ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｃｌｉｍａｔｉｃ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ａｔ　ｔｈａｔ　ｔｉｍｅ．　Ｔｈｅ　ａｎｏｍａｌｙ　ｏｆ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓａｍｐｌｅ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ，　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｓｏｔｏｐｅ　ｒａｔｉｏ　ｗａｓ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ　ｂｙ　ｍｕｌｔｉ　ｒｅｃｅｉｖｅｒ　ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ　ｃｏｕｐｌｅｄ　ｐｌａｓｍａ　ｍａｓｓ　ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ　（ＭＣ－ＩＣＰ－ＭＳ），　ｗｈｉｃｈ　ｗａｓ　ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｂｙ　δ　（‰）　＝　（ｒｓａｍｐｌｅ　／　ｒｓｔａｎｄａｒｄ－１）　×　１０００．　Ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｃａｒｂｏｎ　ａｎｄ　ｏｘｙｇｅｎ　ｉｓｏｔｏｐｅｓ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅｒｅ　ｉｓ　ａ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｃａｒｂｏｎ　ａｎｄ　ｏｘｙｇｅｎ　ｉｓｏｔｏｐｅｓ　ａｎｄ　ｓｅｄｉｍｅｎｔａｒｙ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．　Ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｉｍｅ，　ｔｈｅ　ｓｔａｂｌｅ　ｃａｒｂｏｎ　ａｎｄ　ｏｘｙｇｅｎ　ｉｓｏｔｏｐｉｃ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｃａｒｂｏｎａｔｅ　ｒｏｃｋｓ　ｉｎ　Ｐａｌｅｏｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ａｒｅ　ａｌｓｏ　ａｆｆｅｃｔｅｄ　ｂｙ　ｓｅｄｉｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｉａｇｅｎｅｓｉｓ，　ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｃｈａｎｇｅ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ．　Ｗｅ　ｃａｎ　ｉｎｆｅｒ　ｔｈｅ　ｓｅｄｉｍｅｎｔａｒｙ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｏｒｉｇｉｎａｌ　ｓｅｄｉｍｅｎｔａｒｙ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃａｒｂｏｎ　ａｎｄ　ｏｘｙｇｅｎ　ｉｓｏｔｏｐｅｓ．Keywords:　Ｃ　ａｎｄ　Ｏ　ｉｓｏｔｏｐｅｓ；　ｉｓｏｔｏｐｅ　ｒａｔｉｏ；　ｓｅｄｉｍｅｎｔａｒｙ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ对于研究某地区矿层的沉积环境，运用的常规方法有：沉积地质矿物的原生沉积构造、构造、古生物化石的分析、岩芯的观测和测井曲线等，但对于各个层段相似的冲积相特色，不便观察。

08 碳同位素地球化学a

植物进行光合作用时，吸收CO2和H20的过程中，使碳稳定同位素发生了分馏作用，即富集12C而使13C进一步减少。陆地植物吸收大气中CO2进行光合作用， δ13C值低；而海洋植物则利用海水中碳酸盐分解产生的CO2进行光合作用， δ13C值高。
上述反应的动力学机制是12CO2比13CO2 优先被溶解到植物细胞中，优先转化为磷酸甘油酸，使得细胞质中剩余溶解的 CO2相对富13C，植物或者从根部、或者在夜间通过叶子的吸呼将富12C的CO2排走，经过多级的分馏过程使得光合作用形成的化合物中富集12C。
三、热液体系的碳同位素组成
热液体系中碳主要呈碳酸盐矿物及流体包裹体中的CO2和CH4气体，极少数情况下也可能出现石墨。热液流体中碳可有各种来源：富12C的幔源深成岩，海相灰碳、生物成因的有机物等。
某些热液矿床中方解石的δ13C值可能有很大变化，如澳大利亚某地锡石-硫化物矿床，其δ13C在-14‰～＋5‰。这种现象难以用碳源和温度变化来解释，而主要与热液流体中氧化态碳和还原态碳的比例变化有关。
在低氧逸度时，CH4的浓度大大增加，这时： δ13C CH4≈δ13CΣC 因此CH4浓度的变化对与之共存的碳酸盐原子团的δ13C值产生明显影响。
不管氧逸度的数值大小如何，当pH从6升至 12时，由于CH4成份迅速降低， CO32-占绝对优势，δ13C H2CO3趋向于接近4‰。 Ohmolo同样给出了热液体系中沉淀方解石和石墨的δ13C值、稳定界线和pH值、fO2之间变化的定量相图关系。当然其应用前提仍然是同位素平衡体系和开放的热液环境。
低温下对于气态CO2、水溶含碳原子团和 CaCO3之间的同位素平衡交换，其δ13C 的增加顺序为： CO2(气)≈CO2(液) < H2CO3 (液) < CO32(液) < HCO31- (液) < CaCO3

碳同位素地球化学

(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
海洋和大陆有机质淡水碳酸盐海水碳酸盐空气 C O 2 碳酸盐岩，金刚石
陨石
图6-20 自然体系碳同位素组
40
（据Jochen 1973） 0 30 20 Hoefs, 10
δ C ‰ ( )
13
－ 10
－ 20
－ 30
－
二碳同位素的分馏
1.光合作用的动力学分馏效应
(25℃)
海水CO3-2和HCO3-比大气CO2富集13C
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
距今年龄×103
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。
南极
格陵兰
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。

碳同位素组成特征及其在地质中的应用

同位素地球化学目录一、碳的同位素组成及其特征 (1)1.碳同位素组成 (1)Ⅰ、碳的同位素丰度 (1)Ⅱ、碳的同位素比值（R） (1)Ⅲ、δ值 (2)2.碳同位素组成的特征 (2)Ⅰ.交换平衡分馏 (2)Ⅱ.动力分馏 (3)Ⅲ.地质体中碳同位素组成特征 (4)二、碳同位素在地质科学研究中的应用 (8)1. 碳同位素地温计 (8)2．有机矿产的分类对比及其性质的确定 (9)Ⅰ.煤 (9)Ⅱ.石油 (9)Ⅲ. 天然气 (11)碳同位素组成特征及其在地质科研中的应用一、碳的同位素组成及其特征1.碳同位素组成碳在地球上是作为一种微量元素出现的，但分布广泛，在地质历史中有着重要作用。

碳的原子序数为6 ，原子量为12.011，属元素周期表第二周期ⅣA族。

碳在地壳中的丰度为2000×10-6，是一个比较次要的微量元素。

在地球表面的大气圈、生物圈和水圈中，碳是最常见的元素之一，是地球上各种生命物质的基本成分馏。

碳既可以呈固态形式存在，又能以液态和气态形式出现。

它既广泛分馏布于地球表面的各层圈中，也能在地壳甚至地幔中存在。

总之，碳可呈多种形式存在于自然界中。

在有机物质和煤、石油中，以还原碳的形式存在，在二氧化碳气体和水溶液中，以氧化碳形式出现。

碳还可呈自然元素形式出现在某些岩石中（如金刚石和石墨）。

一般用同位素丰度、同位素比值和δ值来表示同位素的组成。

Ⅰ、碳的同位素丰度同位素丰度指同位素原子在元素总原子数中所占的百分比，自然界中的碳有2个稳定同位素：12C和13C。

习惯采用的平均丰度值分别为98.90%和1.10%。

由此可见，在自然界中碳原子主要主要是以12C的形式存在。

另外碳还有一个放射性同位素14C，半衰期为5730a。

放射性14C的研究，目前已发展成为一种独立的同位素地质年代学测定方法，主要应用于考古学和近代沉积物的年龄测定。

适合用于作碳稳定同位素分馏析的样品包括：石墨、金刚石等自然碳矿物，方解石、文石、白云石、菱铁矿、菱锰矿等碳酸盐矿物；石灰岩、白云岩、大理岩等全岩样品；各种矿物包裹体中的C O2和CH4气体以及石油、天然气及有机物质中的含碳组分馏等。

人类活动对碳循环的影响

[课程论文]人类活动对碳循环的影响人类活动对碳循环的影响摘要：随着近些年温室效应的加强及人类活动对碳循环的影响，全球碳循环体系中，已经发生了初步的变化，在地球系统中，海洋、大气和陆地以及其中的生命与非生命部分都存在着相互联系。

人类正在以各种方式根本性地改变着地球的各种系统和循环。

碳循环是一个极其复杂的地球化学循环过程，包括碳元素在各个储库的贮存和在不同储库之间的流通。

不同时间尺度的碳的自然循环都保持着动态平衡状态。

人类活动触动了这种平衡机制，成为当前全球碳循环变化的主要驱动因子。

本文主要探讨碳循环的概念及其变化的原因，并对减缓碳循环变化提出展望与建议。

关键词：碳储库；碳循环；人类活动引言：碳元素不是地球上丰度最高的元素，但它独特的原子结构使其成为存在形式最为复杂的元素，也是地球上化合物种类最多的元素。

碳元素有4个共价键，这些键很容易跟其他元素链接成长而稳定的复杂分子，以吸收、储存、交换周围环境的物质和能量。

自然界的碳稳定同位素有 C和 C两种，丰度分别为98．89 和1．11 ，我们熟知的MC是碳的放射性同位素，半衰期是5 730 a。

碳元素的自然赋存状态有单质和化合物，其中包括数以百万计的有机化合物。

自然界中碳同位素的分馏主要有动力学分馏效应和碳同位素交换反应。

从根本上影响碳同位素分馏的是生物因素。

但生物过程复杂多变，难以像物理过程那样遵循一些基本原则而得出准确严谨的解释。

这也正是为什么碳循环的研究要比水循环更加复杂的原因。

研究自然界中碳的循环规律是揭示地球环境因子变化的重要手段。

一方面，碳在自然界的物质循环过程影响着地球气候与环境的变化，CO2。

同位素C-13简介演示

C-13质谱技术广泛应用于有机化学、药物分析、环境科学等领域，用于化合物的结构确证、痕量分析和同位素标记物的定量研究。
CHAPTER 04
C-13的研究前沿与展望
C-13在环境科学中的研究
环境示踪
C-13同位素被广泛应用于环境科学中，作为环境示踪剂，用于追踪碳的来源和迁移路径，揭示碳在生态系统中的循环过程。
植物生理学研究
通过测定植物组织中的C-13同位素丰度，可以研究植物的光合作用、呼吸作用和水分利用效率等生理过程，为提高农作物产量和品质提供理论支持。
土壤碳循环研究
利用C-13同位素技术，可以研究土壤有机碳的分解、转化和固定过程，为农业土壤管理和碳减排策略制定提供科学依据。
CHAPTER 03
CHAPTER 02
C-13的应用领域
地球科学研究
环境监测
通过测量大气、水体和土壤中的C13同位素丰度，可以追踪碳元素的循环和迁移转化过程，研究自然环境和生态系统的变化和污染状况。
地质年代学
利用C-13同位素测定地质样品的年代，可以推断地质历史时期的气候变化、生物演化和地壳运动等信息。
医学领域
的、高选择性的分析方法。
C-13质谱技术
01
定义
C-13质谱技术是利用C-13同位素在质谱中的离子化特性和质量差异进
行分子鉴定和定量分析的方法。
02 03
原理
通过将样品中的C-13同位素离子化，生成具有特征质量数的离子碎片，然后利用质谱仪对这些离子进行分离和检测，从而确定分子的结构和浓度。
应用
糖尿病诊断
C-13同位素可用于糖尿病的诊断和监测。患者口服含有C-13标记葡萄糖的药物后，通过测量呼出气体中的C-13同位素丰度，可以评估胰岛素分泌和葡萄糖代谢情况。

碳循环与全球气候变化

Carbon cycle, showing amounts, fluxes and 13C values of different reservoirs.
Sundquist and Visser (2014) in The Geologic History of the Carbon Cycle
Hayes et al. (1999)
Can we assume that eTOC is always constant?
800 Ma以来沉积的碳酸盐与TOC之间碳同位素分馏（εTOC）和有机碳埋藏分数（forg）的变化
Hayes et al. (1999)
过去800Ma沉积的碳酸盐与总有机碳之间平均碳同位素分馏（εTOC）在 28‰ 和32‰ 之间变化 (Hayes et al., 1999)。
由于 εTOC ≡ 103(αTOC－1) = 103{[δcarb＋103)/(δorg＋103)] － 1}
且 δinput = -5‰（输入到海洋的有机碳和碳酸盐岩的比例大约 1:4，而且 δorg= -25 ‰和 δcarb= 0 ‰）。
forg = (δcarb＋5)/(δcarb－ δorg)
McNichol and Druffel(1992)的报道
1987年6月北太平洋海水13C剖面
从海水表面向下，溶解无机碳的13C值在总体上逐渐减小。在水深～900 米处是海水氧含量最小带（OMZ），由于有机物的溶解，使得此处海水溶解无机碳的13C值最小。
从1000米以下，海底环流使海水氧含量又有上升，活的生物量又有所增加，生物摄取的12C增加，引起海水溶解无机碳的13C 值又上升。
碳循环与全球气候变化
储雪蕾

稳定碳同位素

稳定碳同位素自然界有六种碳同位素：10C、11C、12C、13C、14C*和15C*。

主要有三种，它们的丰度是：12C－98.9％；13C－1.08％；14C－1.2×10-10％。

其中12C、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‰）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‰）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CO2－溶解的HCO3-－固体CaCO3系统）。

(1) 光合作用中的碳同位素动力分馏（6CO2+6H2O→C6H12O6+O2）：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），而残留CO2中则相对富集重同位素（13C）。

叶子表面对两种二氧化碳（12CO2、13CO2）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CO2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，δ13C=-23‰~-38‰；C4循环为短循环，分馏小，δ13C=- 12‰~-14‰；CAM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－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CO2－溶解的HCO3-－固体CaCO3系统中的化学交换平衡反应：同位素平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CO2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，其碳同位素呈现出递减趋势，总体变化规律是氧化态的碳富集13C，还原态的碳富集12C。

地球化学中的稳定同位素应用

地球化学中的稳定同位素应用地球化学是研究地球上元素和化学反应的学科，涉及岩石、土壤、水、大气等自然界各种物质的化学成分、组成、性质与变化规律。

稳定同位素在地球化学研究中扮演着重要角色，它们不仅能够提供元素的地质定年、热液作用发生的时代、化学反应的动力学等信息，还能够揭示地球历史上生命演化和古环境变迁等方面的问题。

本文将介绍稳定同位素在地球化学中的具体应用。

稳定同位素的定义同位素是指原子中，原子序数不变，质子数以及中子数不同的原子核。

稳定同位素是指具有稳定原子核的同位素，相对计量比例不会发生改变。

应用一：地质定年同位素的存在量可以通过质谱技术进行测量，而不同同位素的存在量比例可以用同位素分馏系数来表示。

同位素分馏系数是同一物质内不同同位素相对存在量的比值，其大小和温度、压力、化学组成等因素有关。

在大自然中，同位素分馏现象通常受到物质来源、形成温度、化学性质等因素的影响。

地球中的大部分物质都具有同位素分馏现象，如果岩石的形成温度和时间比较确定，测量该岩石中不同同位素的存在量，就能够精确计算出相对的地质年龄。

稳定同位素在地质定年中的应用主要有两种方法：一个是通过同位素比值来推断其岩石年龄，如氧同位素比值用于确定化学沉淀物（如石灰岩等）或骨骼的年龄，碳、氮同位素比值用于确定有机物的年龄；另一个是通过稳定同位素示踪，揭示它们在成岩过程中受到的环境变化，如碳、氮同位素可以揭示有机物在生长过程中受到的水、氮营养条件等的变化。

应用二：地球化学过程地球化学过程通常由岩石圈、水圈和大气圈三个系统相互作用而形成，其中既有生物化学反应、水文地球化学过程，也有构造作用引起的高温热液作用等。

稳定同位素在探测这些地球化学过程中发挥着重要作用。

例如，在水文地球化学中，同位素分馏所表现的是水的挥发作用。

水分有18O和16O两种同位素，18O水比16O水更容易蒸发，因此，水体中，18O与16O的比例大小能够表现水的源头、地下水系统及人为污染影响等信息。

04_第四章(碳同位素)解析

Carbon 12C, 99.89; 13C,1.11;14C* , ~10-10
2 碳同位素分馏
碳有三种主要同位素：12C、13C和14C，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。
一般地说，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）中；而在无机循环中，重同位素倾向于
第四章稳定碳同位素
Outline
碳同位素概述碳同位素分馏
自然界中稳定碳同位素分布特征
稳定碳同位素应用简介
碳元素在地球上广泛分布于地壳、地慢、水圈以及大气圈中。此外，碳更是地球上生命赖以存在的基础，有机体中碳含量很高，是生物圈中最重要的元素之一。氧化形式的碳包括CO2、CO，H2CO3，HCO3-以及碳酸盐矿物。还原形式的碳，主要存在于有机物和化石燃料中。此外，它还以石墨和金刚石等自然元素形式存在。
(2) 生物或细菌氧化－还原作用过程中的碳同位素分馏
生物或者细菌的作用对碳同位素分馏的影响较大。湖泊、沼泽及滨海
底部淤泥中厌氧菌还原有机物而生成的CH4的δ13C值很低。据
Rosenfielcl等（1959）的资料，当原始有机物的δ13C为-25‰，温度低于100℃时，细菌还原产生的CH4的δ13C值为-60‰～-80‰，分馏值ε可
13C= -13 to -28‰
2
2
Photosynthesis
光合作用中碳同位素的分馏模型
－－帕克（Park，1960）和爱泼斯坦（Epstein，1960，1961）
第一步：在光合作用期间，植物优先从大气中吸收质量较轻的 12CO ，并溶解于细胞中。这一阶段分馏变化较大，主要取决于大 2 气中CO2的浓度。第二步：由于酶的作用，植物优先溶解含12CO2的CO2，先把它转化为“磷酸甘油酯”。从而产生分馏，使13C在溶解的CO2中富集。在分馏过程中，必然有一部分富含13C的溶解的CO2从植物的根部或者叶面上排出，因而使植物富含12C。排出作用越有效，这一阶段的分馏就越大。根据这一分馏模型，可以解释大气CO2和植物之间同位素组成的差别以及植物中的13C的变化。

碳同位素检测原理

碳同位素检测原理
碳同位素检测原理是利用碳元素不同同位素的比例差异来确定
物质年代或原始来源的一种方法。

碳元素有两种稳定同位素：碳12和碳13，以及一种放射性同位素：碳14。

在自然界中，碳12和碳13的含量比例是稳定的，而碳14的含量则以指数方式随时间减少。

利用这种特性，科学家可以通过测量物质中碳14的含量来确定其年代。

当有机物死亡或停止生长时，它们不再吸收大气中的碳14，碳14开始逐渐衰变，与碳12和碳13的比例发生变化。

测量该物质中碳14与碳12或碳13的比例，可以推算出其年代。

此外，不同地质区域的碳12和碳13含量也有所不同。

因此，科学家可以通过比较样品中碳12和碳13的比例，确定样品的地质来源。

这种方法被广泛应用于考古学、地质学和环境科学等领域。

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第七章稳定同位素地球化学

第七章稳定同位素地球化学稳定同位素地球化学研究自然界稳定同位素的丰度及其变化。

同位素丰度发生变化的主要原因是同位素的分馏作用，即轻同位素和重同位素在物质中的分配发生变化，造成一部分物质富集轻同位素，另一部分富集重同位素。

同位素及其化合物在物理或化学性质上的差异叫做同位素效应。

同位素效应的产生从根本上讲是由于同位素在质量上的差异引起的，同位素质量差越大，所引起的物理化学性质上的差异也就越大。

因此，对质量较轻的元素，其同位素的相对质量差异较大。

如H与D 质量差100％，O16和18O质量差12.5％，而204Pb和206Pb质量差仅1％，在目前技术条件下，能测量到的由于同位素效应所造成的自然界同位素丰度变异仅限于质量数小于40的元素内。

这就是稳定同位素地球化学目前所涉及的同位素仅限于元素氢（H/D）、碳（14C/13C）、氧（18O/16O）、和硫（34S/32S）以及硼（11B/10B）、氮（15N/14N）的原因所在。

7.1 同位素分馏和组成的表示7.1.1同位素分馏由于同位素效应所造成的同位素以不同比例在不同物质或不同相之间的分配称为同位素分馏。

这里需引入二个概念。

同位素比值：定义为单位物质中某元素的重同位素和轻同位素的原子数之比，如在陨石中硫同位素比值为：R=34S/32S＝1/22.22当我们谈论同位素比值时，总是指重同位素和轻同位素之比。

同位素分馏系数：定义为在平衡条件下，经过同位素分馏之后二种物质（或馏份）中某元素的相应同位素比值之商。

设某二种物质为A，B，某元素的同位素比值为R A，R B，则同位素分馏系数为：所以当我们讨论同位素分馏系数时，必须指明是那种物质对那种物质。

一般α值为接近1的一个数字，离1愈远，同位素分馏就愈大，α=1表示物质间无同位素分馏。

R值可通过具体对象的测定而获得，某种物理化学环境下的α值则可通过实验过程确定。

把R和α两者联系起来，可用来探讨地质过程的物理化学状况。

稳定碳同位素技术在植物水分利用效率研究中的应用

维普资讯
黔南民族师范学院学报２００８年第３期
稳定碳同位素技术在植物水分利用效率研究中的应用
刘洋，应霞文治瑞，龙－，
（．南民族师范学院生命科学系，１黔贵州都匀５８０；５００２贵州师范大学生技学院，州贵阳５００）．贵５０１
水分是农、业生产主要的限制因子，林不管是在我国北方的干旱、干旱地区，是南方的喀斯特地半还区，资源缺乏都成了限制当地经济发展的最大因素。因此推行节水农业势在必行，水而节水农业所要解决的中心问题就是提高农业生产中水的利用率和利用效率，前者属于工程和农业节水措施的任务，后者
Ａｂｔａ：Ｐｔｓｎｔｓｓｉｅｐｎｉｌｏｎｆｈｏｔｓｇｉｃｎｔｃｂｏｓｔｐｃｆａｔｎｔｏｓｉｎａｕｅａｄｔｓｆｒｅｂ・ｓｒｄｈｏｏｙｈｅｉｓｒｓｏｓｂｅｆｒｏｅｏｅｍｓｉｎｆａａｒｎｉｏｏｉｒｃｉａｉｎｔｉｏｎｔｒｎｈｕｍｓｔａｏｈ
属生物节水（物高效用水）范畴。山仑院士等指出当水的流失、发、漏得到最大限度地控制之植的蒸渗
后，物本身高效用水就显得更为重要，进一步实现节水增产的潜力所在。植系 …
稳定同位素是具有相同原子和质子序数、不同中子数、无可测放射性的元素形式。自然界中有但且两种稳定的碳同位素即Ｃ和＂其中Ｃ占其总量的９．９，余的１１％是 ” 。自２纪５Ｃ，８８％其．１ＣＯ世Ｏ年

第一章第四节稳定碳同位素

第四节稳定碳同位素同位素：指元素周期表中原子序数相同，原子量不同的元素。

稳定同位素：指原子核的结构不会自发的发生改变的同位素。

稳定同位素有两个最显著的属性：1.稳定性：即经过复杂的化学反应之后，原子核结构不发生变化。

2.分馏作用：指同位素在两种同位素比值不同的物质之间进行分配。

一、稳定同位素分馏机理分馏作用是稳定同位素的属性之一，碳稳定同位素的分馏机理有：1.同位素的交换反应：是化学物质间，不同相或单个分子发生的同位素重新分配。

12CO2+13CH4=13CO2+12CH413CO2+H 12CO3-=12CO2+H13CO3-2.光合作用的动力效应：植物在光合作用过程中，富集12C，而使13C 进一步减小。

3.热力和化学反应的动力效应：-C-C-键的稳定性顺序：-13C-13C>-13C-12C->12C-12C-。

在低温条件下，形成的烃类，富集12C；在高温条件下形成的烃类，富集13C。

4.同位素的物理化学效应：蒸发：气相富集轻同位素12C，夜相富集13C；扩散：先扩散12C，残余13C。

二、稳定同位素在自然界的分布、比值符号和标准同位素比值的测量和对比单位一般是用千分数（‰）表示。

式中：Rs :为样品的同位素比值； Rr：为标准的稳定同位素的比值。

各国用各自的标准计算Rr ，再换算成PDB标准。

标准之间的换算公式：式中：δ13CB：为求取对B标准的δ值；δ13CA：为测得对A标准的δ值；RAr、RBr：为A、B标准的13C/12C比值。

三、油气中碳同位素的组成特征1、原油δ13C一般为-22‰～-33‰，平均值为-25‰～-26‰。

①海相原油δ13C值较高，为-27‰～-22‰；陆相原油δ13C值偏低，为-29‰～-33‰。

②随组分分子量的增大,急剧增大烷烃<芳烃<胶质<沥青质，烷烃<环烷烃，正构烷烃<异构烷烃，芳烃随环数增加δ13C值增大，可溶沥青<干酪根。