Question

碳同位素地球化学

Answer 1

（一）碳同位素组成与分布

自然界碳有两种稳定同位素：¹²C占98.89%，¹³C占1.11%。此外还有放射性¹⁴C，它主要由大气上层¹⁴N通过（n，p）反应生成。

碳同位素测定一般用PDB标准。其他标准相对于PDB的δ¹³C值见表3-7。

表3-7 其他常用碳同位素标准

自然界碳同位素组成变化很大（图3-20），已发现有的碳酸盐δ¹³C值大于+20‰，甲烷可达-90‰。

陨石中碳元素的含量变化大，存在状态复杂，因而δ¹³C变化范围大。

深源的碳酸盐岩及金刚石的δ¹³C为-3.0‰～-7.0‰，沉积岩与变质岩的平均δ¹³C为-5.5‰，考虑到地壳碳主要来自地幔排气，故一般认为地幔碳的δ¹³C约为-5.5‰。

（二）碳同位素分馏与岩石、矿石碳同位素组成特征

（1）光合作用过程中的动力学效应可以引起强烈碳同位素分馏。光合作用为：6CO₂+6H₂ O→C₆ H₁₂ O₆+6O₂可看作单向化学反应。由于¹² CO₂键较¹³ CO₂键易被破坏，所以光合作用时，植物组织中有¹² C的明显富集，陆生植物δ¹³ O值为-24‰～― 34‰，海生植物（浮游植物除外）的δ¹³ C约比陆生植物大10‰。这导致煤和石油都具负的δ¹³ C值。煤的平均δ¹³ C值约为-25‰，石油的平均δ¹³ C 值约为-28‰，其中海相石油负值较小（-22‰～-29.4‰），陆相石油负值更大（-29.7‰～-32.8‰），同位素平衡反应和动力学效应都使甲烷更富集¹² C，所以天然气具有δ¹³ C更大的负值，并有广阔的变化范围。

图3-20 自然体系碳同位素组成

（2）另一种重要的碳同位素分馏体系是气态CO₂与水溶液的之间的同位素交换反应：

地球化学原理（第三版）

在25℃时，前一反应的α=1.014，后一反应的α=1.012。这两种反应调节着大气CO₂与海水中和之间的同位素平衡，结果是溶液的和中有¹³ C 的富集，从而导致沉积碳酸盐中富¹³ C。Baertschi（1957）从世界各地样品中，测得海相碳酸盐岩石δ¹³ C为-3.2‰～+5.2‰，平均-1.16‰；淡水相碳酸盐δ¹³ C是-18.5‰～+8.5‰，平均为-4.34‰。Clayton和 Degens（1969）测得海相碳酸盐岩石δ¹³ C值为-6.39‰～0.0‰，平均-1.54‰，而淡水相碳酸盐δ¹³ C值是-11.07‰～-2.59‰，平均-6.66‰。淡水相灰岩比海相灰岩一般富轻同位素¹² C（约 5‰～7‰），这是陆地土壤中大量富含¹² C的有机物所产生的 CO₂引起的，所以δ¹³ O与δ¹⁸ O一起可以作为区别碳酸盐的沉积相标志。

海相石灰岩的δ¹³C≈0‰，深成或平均地壳来源碳的δ¹³C≈-7‰，生物成因的有机化合物δ¹³C≈-25‰，不同成因碳的δ¹³C特征明显，这为研究成矿物质来源提供了有利条件。石墨中δ¹³C值变化范围很大，反映了石墨成因复杂。瑞士的结晶片岩中的石墨含¹²C较高，δ¹³C接近于生物碳，这说明石墨是有机碳经变质而成。而斯里兰卡同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。

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‰，晚期沉积的碳酸盐常比早期形成的碳酸盐富集¹³C，甚至可能具有正的δ¹³C值，例如加拿大西北地区的松峡矿床就是如此。当然在探讨碳的物质来源时，必须考虑到碳的分馏以恢复成矿热液总的碳同位素特征，才能得到正确的结论。因此，成矿温度、f_O它决定CO₂／CH₄比值，石墨的出现等）和pH值等地球化学研究，必须与碳同位素研究同时进行。