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。

Ⅱ、碳的同位素比值（R）

同位素比值R=一种同位素丰度/另一种同位素丰度

对于非放射性成因稳定同位素比值：

R=重同位素丰度/轻同位素丰度

由此可见，碳的同位素比值R=1.1%/98.9%=0.011

Ⅲ、δ值

由于同位素的绝对丰度和同位素比值不可能足够准确的测定，因此，稳定同位素丰度和变化使用同位素比值的相对差来表示。对于非放射性成因稳定同位素，通常用样品的同位素比值相对标准样品同位素比值的千分偏差，即δ值表示。天然物质中碳同位素组成通常用δ13C 表示：

δ13

C(‰)=1000)/()/()/(12

1312131213⨯-标

标样C C C C C C 天然物质中δ13C 值变化范围约为160‰，最高的值见于碳质球粒陨石中的碳酸盐，为70‰，地球上已发现有δ13C 为55‰的白云石；最富含12C 的是天然气甲烷，δ13C 的值为-90‰。详细见图1。

图1 天然物质中同位素组成分布图

2.碳同位素组成的特征

地球上最重要的两个碳贮存体是碳酸盐和生物成因的还原碳，它们的δ13C 平均值分别为0和-25‰。这是由于同位素分馏机理不同所造成。大气CO 2—溶解HCO -3—CaCO 3体系中的同位素交换平衡反应，使碳酸盐富集13C 。而光合作用的动力分馏效应，导致有机物中富集12C 。 Ⅰ.交换平衡分馏

各种碳化合物之间的平衡分馏很少进行实验研究，只有HCO -3-CO 2体系进行了

实验研究，其余的平衡分馏系数都是通过理论计算得到的。根据Y,Bottinga(1969)的计算结果，在各种碳化物种达到同位素平衡分馏时，δ13C

增加的顺序如下（T≦800℃）:CH

4

3

3

.反映出随价

态的升高，重同位素富集。对于CO

2(g)、水溶含碳原子团和CaCO

3

，13C富集的

顺是：低温（<130℃）时，CaCO

3>HCO-

3

(aq)>CO-

3

(aq)>H

2

CO

3

(aq)或CO

2

(aq)；温度

高于200℃时，CO

2(aq)≈CO

2

(g)或H

2

CO

3

(aq)>CaCO

3

>CO-

3

(aq)>HCO-

3

(aq)。CaCO

3

和

CO

2(g)和HCO-

3

和CO

2

(g)分馏的换向温度分别为193℃和148℃。如图2所示：

图2 重要碳化合物之间的同位素分馏曲线图

H

2CO

3

(aq)= H

2

CO

3

+CO

2

(aq)

（据H.Ohmoto等，1979）

Ⅱ.动力分馏

光合作用期间的同位素分馏受动力学效应控制，即光合作用形成的化合作用物中富集12C。整个分馏过程大体上分为三个步骤：1.在大气CO

2

穿过细胞壁进入