海洋中碳稳定同位素的生物地球化学资料
第四章 同位素在海洋地球化学研究中的意义和应用
E
例如：
226 88
Ra 86 Rn 2 He ( ) E
222 4
(镭) （氡） 由上式可见，新核的同位 素原子序数比母核少2， 质量数少4。自然界的重 同位素235U、238U、232Th等 以α 衰变为主。
电子捕获：原子核自发地从核外电子层（K层或L层） 捕获1个电子（e），通常在K层上吸取，与质子结合变 成中子，质子数减少1个（是β -衰变的逆向变化, β+粒 子）。
自然界中不稳定核素不断自发地放射出质点和能量、转变 成稳定的核素，称为核衰变或蜕变。通常我们将衰变前的 核素称为母体，衰变后的核素称为子体。不受任何物理化 学条件的影响。
β-衰变：原子核中一个中子分裂为一个质子和一个电 子（即β-粒子），同时放出中微子 和能量E。
原子量 A A 原子序数 Z X Z 1Y
E
例如：
Rb 38 Sr E 37
87 87
K 20 Ca E 19
40 40
α衰变: 放射性母核放出α粒子（α粒子由两个质子和 4 两个中子组成，α粒子实际上是 ）而转变成稳定 He核 2 核。
A A 4 4 原子量 X Z 2Y 2 He( ) Z 原子序数
同位素标准样品：
同位素分析资料要能够进行世界范围内的比较，就必须 建立世界性的标准样品。世界标准样品的条件： ①在世界范围内居于该同位素成分变化的中间位置，可 以做为零点； ②标准样品的同位素成分要均一； ③标准样品要有足够的数量； ④标准样品易于进行化学处理和同位素测定。
元 素 标 准 样 缩 写
第二节 铀系测年法
铀系测年，或铀系不平衡测年法是海洋地球化学 研究中最常用的测年方法，其测年范围可从数十年到 数百万年。 自然界有三个衰变系列：
碳氧同位素地球化学与古环境研究
碳氧同位素地球化学与古环境研究一、引言地球是一个复杂而神奇的生命之舞台，岩石、海洋、大气、生物等相互作用，构成了一个完整的地球系统。
古环境研究旨在探索地球演化的历程，了解地球气候、海洋动力学、生态系统变迁等重要领域。
碳氧同位素地球化学作为一个重要的工具，在古环境研究中发挥着极其重要的作用。
二、碳氧同位素的基本原理碳氧同位素是指同一种元素中原子核中的中子数目不同，因此具有不同的质量数的同位素。
碳同位素主要分为碳-12和碳-13，氧同位素主要分为氧-16、氧-17和氧-18。
这些同位素的相对丰度可用δ表示。
对于碳同位素，δ^13C=（（R_sample/R_standard）-1）×1000‰；对于氧同位素，δ^18O=（（R_sample/R_standard）-1）×1000‰。
三、碳氧同位素在古环境研究中的应用1. 古气候研究古气候研究是古环境研究的一个重要方向，而碳氧同位素则成为重要的指示器。
通过对古生物化石中的碳、氧同位素进行测量，可以推断出古气候的变化情况。
例如，通过分析海洋沉积物中的有孔虫壳体的氧同位素组成，可以了解到过去海洋温度、冰期间气候、降水量等气候指标。
2. 古生态研究生态系统与环境的相互作用对地球的演化发挥着重要的作用。
碳氧同位素的测量也可以揭示古生态系统的演化。
通过对古代植物遗存中的碳同位素进行研究，可以了解到古植被类型、碳循环等信息。
例如，通过对古土壤中有机质的碳同位素组成的分析，可以推断古土壤的类型和古生态系统的复杂程度。
3. 古海洋研究海洋在地球系统中扮演着重要的角色，对全球的气候变化、碳循环等起着关键的调节作用。
碳氧同位素地球化学为研究古海洋提供了强有力的工具。
通过对海洋沉积物中的碳、氧同位素的测定，可以探究海洋生物活动、海洋循环变化等重要问题。
例如，通过对海洋生境中钙质硬壳生物化石中氧同位素的测量，可以了解到古海洋的盐度、温度等重要参数。
四、碳氧同位素在地球化学中的应用案例1. 现代生态学的碳同位素示踪利用碳同位素技术可以追踪生态过程中的碳来源和碳流动。
稳定同位素地球化学研究进展
稳定同位素地球化学研究进展随着科学技术的进步，稳定同位素地球化学研究日益受到重视。
稳定同位素是某种元素的同位素，其原子核中的中子和质子的数量均相同，但质子数不确定。
与放射性同位素不同，稳定同位素不会衰变，因此能够在地球化学和生物地球化学等领域中广泛应用。
本文将从研究意义、研究方法、应用领域等方面进行探讨。
一、研究意义稳定同位素研究在地球科学、环境科学、生物地球化学等学科领域中有着重要的作用。
其中，稳定同位素地球化学的主要研究内容是掌握地球化学过程和环境演化的规律及机制。
例如，在构造地质学中，稳定同位素可以用于推测岩浆源区的成分和动力学过程；在古环境学中，稳定同位素可以用于重现气候变化和环境演化过程；在地球化学污染评价中，稳定同位素可以用于追踪污染物来源和迁移路径。
另外，在生物地球化学中，稳定同位素也发挥着重要的作用。
例如，在动物和植物的生物地球化学循环中，利用稳定同位素可以探究其食物链和生长状态；在微生物地球化学中，通过稳定同位素的应用，可以研究氮、硫、铁、碳等元素的循环和代谢规律。
综上，稳定同位素地球化学研究的意义在于提高对地球化学过程和环境演变规律的认识，为生态保护和资源管理提供科学依据。
二、研究方法稳定同位素研究主要依靠仪器分析技术和数据统计方法。
目前，应用最广泛的稳定同位素测量仪器为质谱仪，在气体、液体和固体样品的分析中均有广泛应用。
根据不同的研究对象和分析场合，稳定同位素分析方法有以下几种：1. 气体-稳定同位素分析法：适用于大气、水体、土壤及生物样品中的小分子有机化合物、气态元素、气体分子等的同位素分析。
2. 液体-稳定同位素分析法：适用于水体、沉积物、岩石、矿物等大分子有机化合物和元素化合物的同位素分析。
3. 固体-稳定同位素分析法：适用于岩石、矿物、古生物化石等固体样品中的元素同位素分析。
另外，数据统计方法也是稳定同位素研究的重要手段之一，例如稳定同位素分馏和稳定同位素混合模型等。
海洋中碳稳定同位素生物地球化学
CO32- + Ca2+ = CaCO3 (4)
▪ 每个平衡反应都有同位素交换。
▪ 13C趋向富集在高价碳中，即CH4（13C最亏损） → CO → CO2 → CO3-（13C最富集）
▪ (4)式形成固体矿物，最常见的矿物是方解石和文 石。
（2）光合作用中的碳同位素分馏 （A）生物分馏
▪ 植物光合作用 CO2 （外部）↔CO2（内部） →有机分子
（C）影响植物碳同位素组成的外部因 素
（a）碳源： 陆生植物 (大气， δ13Cco2=-7‰ ) 海洋生物(HCO3- ,δ13CHCO3- =0 ‰ ) 所以海洋植物较陆地植物普遍富13C
大陆水一般富12C，所以淡水植物相对于海生 植物贫13C，特别是在细菌活动强烈、又与外界
混合不好的还原性盆地中的水中，溶解的δ13C更
b 溶解在细胞质中的12CO2通过酶的作用转移到磷
酸甘油酸中，使残余的CO2富集13C。
c 植物磷酸甘油酸合成各种有机物进一步分馏，总 趋势是蛋白质、果酸最重（-17‰），纤维素次 之（-23‰），类脂化合物最轻（-30‰），原因
可能是动力学分馏。
（B）影响植物碳同位素分馏的内在因素
循环名称 形成特点
低，燃烧时放出CO2，空气中CO2升高，而δ13C 逐渐减小。 ▪ 研究δ13C，了解大气与海洋的相互作用，海洋吸 收、储存、转移CO2的能力及大气中CO2变化倾 向，预测世界范围内的气候变化趋势。
（3）有孔虫δ13C在古海洋学中应用
有孔虫 CaCO3的δ13C与海水溶解碳酸盐的δ13C 相关，可用来研究： ▪ 底栖有孔虫δ13C 反映森林植被面积。 ▪ 指示冰期－间冰期过渡时期大量冰融水的注入。 ▪ 底栖与浮游有孔虫δ13C 的差值反映的古生产力 ▪ 底栖有孔虫碳同位素示踪深层水演化。
生物体中氨基酸单体碳稳定同位素测试方法研究
生物体中氨基酸单体碳稳定同位素测试方法研究梁建鑫;尹希杰;苏静;林锡煌;李玉红【期刊名称】《分析测试学报》【年(卷),期】2024(43)3【摘要】氨基酸作为蛋白质的基本组成单位,是重要的生命物质,其单体碳同位素研究在生物地球化学、生态学、生物体代谢和环境科学等领域具有重要意义。
该文优化了海参和海藻氨基酸提取和纯化流程,通过N新戊酰基-O-异丙酯(NPP)方法衍生化后,分别用气相色谱-质谱(GC-MS)和气相色谱-燃烧-同位素比值质谱(GC-C-IRMS)测试其浓度和碳同位素组成。
结果显示,15种氨基酸单体的分离效果较好,回收率为46.4%~96.3%,各氨基酸在1.0~16.0µmol/L范围内线性关系良好(r^(2)为0.987~0.999)。
15种氨基酸单体衍生物δ^(13)C值的标准偏差均小于0.30‰(n=10),在0.6~2.0 mmol/L浓度范围内δ^(13)C的平均误差为±0.24‰,方法检出限为0.6 nmol。
海参和海藻样品各氨基酸单体δ^(13)C值的范围分别为-31.10‰~-8.58‰和-30.53‰~-13.76‰,标准偏差均在0.33‰以内,可满足生物体氨基酸单体碳同位素的测试精度需求。
【总页数】8页(P447-454)【作者】梁建鑫;尹希杰;苏静;林锡煌;李玉红【作者单位】自然资源部第三海洋研究所分析测试中心;中国地质调查局舟山海洋地质灾害野外科学观测研究站【正文语种】中文【中图分类】O657.63;O629.7【相关文献】1.气相色谱-燃烧-同位素比值质谱法测定鳀鱼肌肉组织中单体氨基酸的碳稳定同位素组成2.气相色谱-燃烧-同位素比值质谱法测定单体氨基酸的碳稳定同位素组成3.气相色谱-燃烧-同位素比值质谱法分析氨基酸氮稳定同位素并初步评估水生生物体营养级4.类脂化合物单体碳稳定同位素在古气候环境研究中的意义因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
地球化学研究中的稳定同位素地球化学
地球化学研究中的稳定同位素地球化学地球化学研究旨在了解我们的行星是如何以及为什么形成的，包括地壳、大气、水体和生物。
地球化学家使用各种方法和技术来研究这些过程，而稳定同位素地球化学是其中之一。
本文将介绍稳定同位素地球化学的基本概念，以及它如何应用于了解地球化学过程的早期历史和现代系统。
稳定同位素是指具有相同原子核数的元素，但具有不同的中性子数。
同位素地球化学是研究这些同位素在地球化学中的分布和交换过程的学科。
由于同位素的数目非常相似，因此它们的化学性质也非常相似。
这使得它们在地球化学和生物学中的应用非常广泛。
稳定同位素地球化学的应用广泛，仅举几例。
首先，它可以用于了解过去的气候和环境条件。
例如，钋同位素比研究表明，过去的气候变化和气候区域变化对全球生态系统和人类社会造成了深远的影响。
其次，它可以用于研究物质循环和生态系统中的动态变化。
例如，地球上的水循环和生态系统中碳、氮、硫等元素的循环和利用，可以用稳定同位素技术进行研究和监测。
此外，它还可以用于了解矿床和石油等地下资源的形成和演化过程。
除了稳定同位素外，同位素地球化学也包括放射性同位素地球化学。
与稳定同位素不同，放射性同位素衰变会导致元素发生变化，而稳定同位素只涉及元素内部中性子数量的变化。
两类同位素地球化学研究可以相互补充。
稳定同位素地球化学的应用有赖于其具有高精度、多重标记和非破坏性等特点。
例如，一些同位素的比例测量可以用极高的精度实现，达到1/1000万或更高的精度。
这在研究少量物质的分布和交换过程时非常有用。
稳定同位素还可以用于多个化学物种的标记。
其中，氢、氧、碳、氮和硫等元素的同位素标记被广泛应用于研究生态系统和地壳环境中的物质循环。
最后，稳定同位素技术是一种非破坏性的分析方法。
这使得它能够在不影响样品的情况下分析地球化学系统的动态变化。
鉴于稳定同位素地球化学的广泛应用，地球科学家使用许多技术和方法来进行稳定同位素分析。
其中一种最常用的技术是质谱仪。
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。
海洋储碳机制及相关生物地球化学过程研究策略
海洋储碳机制及相关生物地球化学过程研究策略海洋储碳机制是指海洋通过化学、生物和物理过程将二氧化碳转化为有机碳、无机碳和溶解态有机物质，从而将大气中的二氧化碳转移到海洋底层，实现碳储存和环境保护的重要过程。
相关的生物地球化学过程主要包括温室气体释放，海洋酸化，海洋生态系统变化以及生物生产等，这些过程对于全球碳循环及海洋生态环境的稳定性具有重要影响。
因此，对海洋储碳机制及相关生物地球化学过程的研究显得尤为重要。
针对上述问题，本文提出以下研究策略：1. 加强海洋生物生产的研究海洋生物生产是海洋储碳的重要机制之一，通过光合作用和贝类吞吃等生物活动可以将二氧化碳转换为有机碳物质，进而储存在海洋系统中。
因此，加强对海洋生物生产的研究，探究不同海洋生态系统和地域的生产能力和特征，对海洋储碳机制和全球碳循环的研究至关重要。
2. 深入探究海洋酸化机制海洋酸化是全球变暖的重要表现之一，也是海洋储碳机制的重要组成部分。
海洋酸化会导致海水pH值下降、离子强度增加，从而对海洋生态系统的稳定性和生物多样性构成威胁。
因此，深入探究海洋酸化机制，寻找有效的措施减缓海洋酸化过程，是海洋储碳和环境保护的关键。
3. 分析温室气体释放的动态变化温室气体主要指二氧化碳、甲烷和氧化亚氮等，它们会在海洋的物理、化学和生物作用下转移和储存。
但随着全球气候变化和人类活动的影响，海洋温室气体排放量的动态变化是不可避免的。
因此，通过对海洋温室气体释放的动态变化进行分析和研究，探究温室气体释放的机制和影响因素，对减缓气候变化和实现碳储存都具有重要的作用。
海洋生态系统是海洋储碳的重要载体，但同时也面临着各种威胁和挑战，包括气候变化、污染、过渡捕捞等。
因此，加强对海洋生态系统变化的研究，探究其机制和影响因素，是保护海洋生态环境、实现碳储存的关键。
结论海洋储碳机制及相关生物地球化学过程是进行全球碳循环和海洋生态环境保护的重要过程。
因此，在研究策略方面，我们应该加强海洋生物生产、海洋酸化机制、温室气体排放和海洋生态系统变化等方面的研究，为保护海洋环境和实现碳储存提供新的科学依据。
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特点
பைடு நூலகம்
δ13C(‰) 范围
C3循环 (Calvin)
利用rubisco酶与 一个CO2生成3个 3-磷酸甘油酸，合 成三碳糖。
循环长， 分馏大。
-23～-38
90%植 物
C4循环 (Hatch and Slack)
CAM循环
用磷酸烯醇丙酮酸 羟基酶(PEF)固定 碳
以crassulacean
酸代谢为特征，采 用C3和C4两种代 谢方式
低温处的浮游植物有更高的13C消耗量，所以温度 可能是分馏程度增强的主要原因。
动物：取决于食物
通过食物链吸收C合成有机物，此过程分馏并 不显著，所以动物的同位素组成与其食用物质的 同位素组成相似。基于这点，可用来估测其食物 的碳源。
这种方法要求所食用的所有食物种类都必须列 出，且彼此能够用同位素很好的区分。
6CO2 +11H2O →C6H22O11 +6O2 单向反应
空气中12CO2键比13CO2易破裂，所以光合作用时 植物组织优先吸收12CO2，有机物中富集12C，而 空气则富集13C。
植物中碳同位素分馏分三步：
a 优先吸收12C，溶解于细胞质中。分馏由动力学引 起，主要取决于大气中CO2的浓度，浓度越低分 馏越小。
还原碳（煤、甲烷、石油等合物）
多种氧化价态是同位素分馏的有利条件
2丰度 稳定同位素 12C:98.89% 13C:1.11% 放射性同位素 14C
存在两大重要碳库： 海洋碳酸盐——重同位素多， δ13C平均值接近0 ‰ 有机碳——轻同位素多，-25 ‰左右变化
这两个沉积碳库存在同位素质量平衡：
δ13C输入=f有机δ13C有机+（1- f有机） δ13C碳酸盐 f有机,即有机碳进入沉积物的比例 若已知特定时期的δ输入、δ有机和δ碳酸盐，可计
现象：自北向南，季节性旋回变化幅 度减小。
原因：高纬度植物的生理活动有更强 的季节性。
陆地主要集中于北半球，所以季节 效应在南半球不明显。
现实：大气中CO2含量升高。监测资料表明， 大气中CO2浓度增加速率为1.5×10-6/ 年，同时13C/12C比值变小。
短循环， 分馏小，
介于C3 与C4之 间
-12～-14
介于C3与 C4之间
少数： 玉米、 甘蔗
肉质植 物：仙 人掌
图171
总结了高等植物、藻类和微生物的δ13C值的范围。 C3和 C4植物的δ13C范围明显不同，而形成甲烷的细菌表现出 极大的变化范围。
浮游植物的13C含量是由温度、代谢途径以及DIC 池中的同位素组成共同决定的。
b 溶解在细胞质中的12CO2通过酶的作用转移到磷
酸甘油酸中，使残余的CO2富集13C。
c 植物磷酸甘油酸合成各种有机物进一步分馏，总 趋势是蛋白质、果酸最重（-17‰），纤维素次 之（-23‰），类脂化合物最轻（-30‰），原因
可能是动力学分馏。
（B）影响植物碳同位素分馏的内在因素
循环名称 形成特点
CO32- + Ca2+ = CaCO3 (4)
每个平衡反应都有同位素交换。
13C趋向富集在高价碳中，即CH4（13C最亏损） → CO → CO2 → CO3-（13C最富集）
(4)式形成固体矿物，最常见的矿物是方解石和文 石。
（2）光合作用中的碳同位素分馏 （A）生物分馏
植物光合作用 CO2 （外部）↔CO2（内部） →有机分子
第三章 海洋稳定同位素生物地球 化学
09海洋化学 李文君
3.1碳稳定同位素
3.1.1碳同位素概况 3.1.2分馏机理 3.1.3大气和水圈中的碳同位素 3.1.4生物圈中的碳同位素 3.1.5海洋碳稳定同位素研究示例
3.1.1碳同位素概况
1存在形式
自然碳（金刚石、石墨）
氧化碳（CO32- 、HCO3-、CO2 和CO）
生物分馏的影响因素很多，但分馏程度主 要取决于：种类、代谢途径和温度。
（1）无机碳体系中的碳同位素交换
无机碳酸盐系统包括一系列化学平衡反应相互转 化的多种化学相：
CO2(水溶) + H2O = H2CO3 (1)
H2CO3 = H+ + HCO3-
(2)
HCO3- = H+ + CO32-
(3)
大气圈
（1）大气CO2 大气中CO2含量占0.03%，有正常的日变化、 季节变化和区域性变化。
日变化： 白天，光合作用，CO2下降，δ13C上升。 晚上，呼吸作用，呼出CO2，δ13C下降。
图P164 上图
当CO2浓度最小时，δ13C最高，为-7‰。
季节变化、区域性变化：生物活动的结果。
负。
海洋浮游植物>陆生C3 C4和CAM：河口区>陆生
（b）呼吸作用
夜间，植物呼出的CO2的δ13C接近植物 组织（很负），与空气中CO2混合可改变 CO2的δ13C。
植物种类不同，则呼吸速率不同，对周 围CO2影响程度不同。
光照时间的长短，影响光合强度、CO2 同化速率及富13C的产生速率。
（c）大气CO2同位素组成变化 区域性变化：草原、森林比都市、工业区低
（C）影响植物碳同位素组成的外部因 素
（a）碳源： 陆生植物 (大气， δ13Cco2=-7‰ ) 海洋生物(HCO3- ,δ13CHCO3- =0 ‰ ) 所以海洋植物较陆地植物普遍富13C
大陆水一般富12C，所以淡水植物相对于海生 植物贫13C，特别是在细菌活动强烈、又与外界
混合不好的还原性盆地中的水中，溶解的δ13C更
日变化（白天、晚上）、年变化（春季、秋 季）
（d）温度效应：植物生长、CO2同化速率、 无机碳酸盐体系的平衡。但影响小，不超 过2‰～3‰。
3.1.3大气和水圈中的碳同位素
大气圈 （1）大气CO2 （2）大气CO2的δ13C记录 （3）CH4 水圈 （1）海水碳酸盐 （2）沉积物碳酸钙（孔隙水碳酸盐）
算得f有机，对重建地壳氧化还原平衡有重要意义。 注意： f有机以全球平衡为前提，与生物生产力无
关。即与有机物合成无关，而与有机物埋藏有关。
f有机高，只能说明有高的平均埋藏水平，但生物
生产力可能高或低。
3.1.2分馏机理
主要的两个分馏机理：
（1）无机碳体系中的碳同位素交换：使碳酸 盐富集13C （2）光合作用过程中的动力学效应：有机物 富集12C，残余CO2富集13C