碳同位素地球化学精选PPT.ppt

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1、关于碳同位素地球化学第1页，讲稿共18张，创作于星期二碳同位素地球化学碳同位素地球化学一一 碳同位素组成与分布碳同位素组成与分布碳有两种稳定同位素：碳有两种稳定同位素：12C占占98.89%13C 占占1.11%放射性放射性14C由大气上层由大气上层14N核反应（核反应（n,p）生成。生成。第2页，讲稿共18张，创作于星期二图6-20 自然体系碳同位素组（据Jochen Hoefs,1973）碳质球粒陨碳质球粒陨石石13C 变变化范围很大化范围很大 指示碳同位指示碳同位素可能没有素可能没有经历过高温经历过高温平衡阶段平衡阶段第3页，讲稿共18张，创作于星期二二二 碳同位素的分馏碳同位素的分馏1

2、.1.光合作用的动力学分馏效应光合作用的动力学分馏效应光合作用光合作用：1212COCO2 2键较键较1313COCO2 2 键易被破坏，光合作用使植键易被破坏，光合作用使植物富集物富集1212C C 陆生植物陆生植物 1313C C值为值为-24-24-34-34海生植物（浮游植物除外）海生植物（浮游植物除外）1313C C比陆生植物大比陆生植物大10106CO26H2OC6H12O6+6O2第4页，讲稿共18张，创作于星期二煤平均煤平均13C值约为值约为-25海相石油海相石油13C值为值为-22-29.4陆相石油陆相石油13C值为值为-29.7-32.8甲烷更富集甲烷更富集12C天然气天然

3、气13C值更负值更负 变化范围更大变化范围更大第5页，讲稿共18张，创作于星期二2.CO2与与HCO-3和和CO3-2 的的 碳同位素分馏碳同位素分馏 海水海水CO3-2和和HCO3-比大气比大气CO2富集富集13C 反应反应(1)=1.014 反应反应(2)=1.012 (25)第6页，讲稿共18张，创作于星期二 海相碳酸盐岩石海相碳酸盐岩石 1313C C为为 -6.39-6.395.25.2 平均为平均为 -1.16-1.16 陆地土壤中有机物产生的陆地土壤中有机物产生的COCO2 2富含富含1212C C贫贫13C.淡水碳酸盐富集淡水碳酸盐富集 1313C C和和 1818O,O,13

4、13C C为为 -18.5-18.58.58.5 深成或平均地壳来源的碳深成或平均地壳来源的碳 1313C-7C-7 生物成因的有机化合物生物成因的有机化合物 1313C-25C-25 不同成因碳的不同成因碳的13C13C差异明显差异明显 第7页，讲稿共18张，创作于星期二CO2-CH4CO2-CH4金刚石-石墨CO2 金刚石方解石-石墨CO2 方解石106T-21000ln温度方解石-CO2 金刚石-石墨-CH4-体系分馏系数计算值理论分馏系数：理论分馏系数：1.CO2-CH4间间1313C富集于富集于CO2相内，相内，随温度降低分馏系随温度降低分馏系数快速增大。数快速增大。方解石方解石-石

5、墨和石墨和金刚金刚石石-石墨石墨分馏系数依分馏系数依次减小，温度效应次减小，温度效应减弱。减弱。CO2-方解石和方解石和CO2-金刚石金刚石在低温区分在低温区分馏出现反向富集馏出现反向富集第8页，讲稿共18张，创作于星期二基本结论：基本结论：1.无无机机盐盐（碳碳酸酸盐盐沉沉积积）富富集集1313C，但但分分馏馏程度不大。程度不大。2.有有机机碳碳（植植物物体体和和生生物物还还原原产产生生的的CH4）高高度度富富集集1212C，1313C为为大大的的负负值值。与与之之平平衡衡的的 CO2气相将高度富集气相将高度富集1313C。3.温度大于温度大于600，碳分馏系数快速衰减，碳分馏系数快速衰减理

6、论上地幔碳应有小的变化范围。理论上地幔碳应有小的变化范围。第9页，讲稿共18张，创作于星期二(三三)地幔碳同位素组成：地幔碳同位素组成：（1）金刚石的碳同位素组成）金刚石的碳同位素组成根根据据相相平平衡衡资资料料，金金刚刚石石形形成成深深度度大大于于100公公里里，温温度度为为1000-1200左右，左右，金金刚刚石石的的1313C值值变变化化于于-2.0-10.0，根根据据石石墨墨-金金刚刚石石-CO2体体系系，它它比比CO2减减少少了了1313C，比比石石墨墨富富集集了了1313C，这这个个现现象象说说明明在在1000-1200高高温温条条件件下下，碳碳同同位位素素仍仍可存在分馏。可存在分

7、馏。第10页，讲稿共18张，创作于星期二（2）地幔碳同位素组成变化的原因：）地幔碳同位素组成变化的原因：东东西西伯伯利利亚亚雅雅库库梯梯矿矿床床中中彩彩色色金金刚刚石石的的1313C值值为为-5.0-32.3。平平均均1313C值值为为-11.8，比比无无色色金金刚刚石石的的平平均均1313C（-7.2）小小，它它与与生生物物成成因因的的碳碳同同位位素素组组成成重重叠。叠。金金刚刚石石1313C值值的的较较大大可可变变性性与与米米切切尔尔和和克克罗罗克克特特（1971）的的假假说说相相一一致致，他他们们认认为为自自然然界界金金刚刚石石可可能能在在比比它它的的稳稳定定域域更更浅浅的的深深度度与与

8、更更低低的的温温度度下下亚亚稳稳地地形形成成(为什么为什么)。第11页，讲稿共18张，创作于星期二（四）火成岩中碳的同位素组成（四）火成岩中碳的同位素组成火成岩中碳的存在形式包括：火成岩中碳的存在形式包括：碳酸盐矿物和碳酸盐矿物和C2流体包裹体；流体包裹体；石墨或金刚石；石墨或金刚石；碳的化和物。碳的化和物。其中：其中：还原碳明显富集还原碳明显富集12C，它们的它们的1313C值在值在-20 -28 之间，与生物成因碳相重叠。之间，与生物成因碳相重叠。氧化态碳的氧化态碳的1313C值值2.9 18.2 ，明显超出了火成碳酸岩，明显超出了火成碳酸岩1313C值的范围。值的范围。这这表明大部分氧化

9、态的碳是次生成因的，是由循环的热液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。或地下水引进的。第12页，讲稿共18张，创作于星期二(4)结晶岩石中碳来源的复杂性。结晶岩石中碳来源的复杂性。富富铝铝结结晶晶片片岩岩中中石石墨墨的的13C接接近近于于生生物物碳碳，是是有机碳变质而成。有机碳变质而成。与与伟伟晶晶岩岩伴伴生生的的石石墨墨脉脉，其其13C值值与与碳碳酸酸盐盐矿矿物物中比值相近，说明可能为无机碳酸盐还原而成。中比值相近，说明可能为无机碳酸盐还原而成。热热液液矿矿脉脉中中大大多多数数早早期期形形成成的的碳碳酸酸盐盐矿矿物物13C值值范范围围为为-6-9，晚晚期期沉沉淀淀

10、的的碳碳酸酸盐盐常常富富集集13C，甚甚至至可可能能具具有有正正的的13C值值，反反映映分分馏馏受受温温度度、fO2和和pH影响影响第13页，讲稿共18张，创作于星期二在在应应用用碳碳同同位位素素探探讨讨成成矿矿物物质质来来源源时时，必必须须考考虑虑到到温温度度、fO2和和pH值值对对流流体体中中碳碳同同位位素素的的分分馏馏作作用用影影响响，以以恢恢复复成成矿矿热热液液总总的的碳碳同同位位素素组组成成，只有搞清分馏过程才能得到正确的结论。只有搞清分馏过程才能得到正确的结论。第14页，讲稿共18张，创作于星期二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第15页，讲稿共18张，创作于星期二

11、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18O值随深度连续变化，冰盖上部18O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，18O值在-35左右波动，6-7.5万年前18O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，18O值便迅速上升到-29。第16页，讲稿共18张，创作于星期二稳定同位素小结：稳定同位素小结：理论依据：同位素的分馏原理理论依据：同位素的分馏原理1、同位素交换反应

12、（化学作用分馏）、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）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。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）生物作用（触媒作用，还原作用和生物化学反应）（3）蒸发）蒸发-凝聚和扩散等（物理作用分馏）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：、影响同位素分馏作用的主要因素：温度、温度、fO2、pH值和生物作用值和生物作用(C.H.O.S)。地质作用分析：地质作用分析：(1)同位素分馏效应同位素分馏效应,(2)体系初始稳定体系初始稳定同位素组成；同位素组成；(3)外来物质混入外来物质混入。第17页，讲稿共18张，创作于星期二感谢大家观看第18页，讲稿共18张，创作于星期二