天然物质的碳同位素组成

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时间：2022-05-02 16:00:43

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天然物质的碳同位素组成?各类天然物质的碳同位素组成变化范围如图7-23 所示。1.地幔岩石及陨石的碳同位素组成玄武岩中的大部分碳以 CO2 的形式存在,它在玄武岩液相中具有限的溶解度。所以,玄武岩在其喷发前就开始出溶CO2。因此,实际上每一

各类天然物质的碳同位素组成变化范围如图7-23 所示。

1.地幔岩石及陨石的碳同位素组成

玄武岩中的大部分碳以 CO2 的形式存在,它在玄武岩液相中具有限的溶解度。所以,玄武岩在其喷发前就开始出溶CO2。因此,实际上每一个玄武岩,包括喷发于洋中脊的,已丢失了一些碳,且大陆玄武岩实际丢失了所有碳 (及多数其他挥发分)。仅喷发于 1 km深的水下玄武岩是确定代表地幔碳同位素组成的有用样品,因此玄武质岩石的数据实际仅限于MORB与从海山及基拉韦厄的东裂谷带所采回的样品。地幔碳同位素组成的问题由分馏与污染而进一步复杂化。在玄武岩中溶解的CO2 与气相间的分馏大约是4‰, 13 C富集于气相中。碳酸岩与金刚石提供了另一种并且一般是最好的地幔碳样品,但它们的产出极为有限。

图7-23 各类天然物质碳同位素组成变化范围

(据魏菊英等,1988)

MORB的平均δ13 C为-6.5‰ (图7-24),但多数富CO2 的MORB样品的δ13 C大约为-4‰。因为它们脱气最少,被认为能最好地代表亏损地幔的同位素组成 (Javoy et al., 1991)。碳酸岩具平均近-4‰的δ13 C 值。洋岛玄武岩在足够水深下喷发而保存气泡中的一些CO2 ,看起来具类似的成分。消减带火山作用与弧后盆地玄武岩中释放的气体,它们在消减带后喷发并且地球化学上类似于岛弧玄武岩,具明显较轻的碳 (低的δ13 C),尽管多数δ13 C值在-2‰～-4‰的范围内,可与多数富气MORB相对比。地幔透辉石中的碳(单斜辉石)看起来平均同位素上是较轻的,其意义还不明确。

金刚石的碳同位素组成变化范围大。多数金刚石的δ13 C 在-2‰～-8‰的范围内,因此类似于MORB。然而,一些金刚石具轻得多的碳。根据它们所含的包裹体,金刚石可分为橄榄岩质与榴辉岩质。多数橄榄岩质金刚石的δ13 C接近-5‰,而榴辉岩质的金刚石其同位素组成上的变化要大得多。尽管不是所有的,但多数非常负的δ13 C 是榴辉岩质的。许多金刚石同位素组成上具分带性,表明它们是在几个阶段中生长的。

已有三种解释用来说明金刚石中的同位素不均一性:原始不均一、分馏效应、地球表面有机碳的再循环进入到地幔中。许多证据表明,原始不均一是不可能的。其中之一是其他物质,如MORB,缺少非常负的δ13 C;其他元素的同位素组成也缺少原始不均一的证据。Boyd et al.(1994)提出因为金刚石动力学上表现缓慢 (从地表看它们的稳定性,在热力学上远离平衡),但在其生长过程中可能没有达到平衡。因此,由于动力学效应可出现大的分馏。然而,这些动力学分馏机理还没有得到说明,并且在地幔温度下这种分馏的程度 (20%左右)也令人惊讶。

图7-24 幔源物质的碳同位素组成

(据 White,2000)

MORB—洋中脊玄武岩;OIB—洋岛玄武岩;BABB—弧后盆地玄武岩

另一方面,几个证据支持一些金刚石中的轻碳同位素是地球表面的有机碳来源。首先,这些金刚石主要存在榴辉岩组合中,而榴辉岩是玄武岩的高压产物。洋壳的消减将大量的玄武岩连续带进地幔。一些榴辉岩包体中观察到的氧同位素不均一性说明这些榴辉岩确实代表消减的洋壳。第二,轻同位素金刚石的氮同位素组成相对于其他地幔物质中的也属异常,类似于沉积岩中的氮。

陨石中还原性碳的δ13 C 在-6‰～-25‰之间,通常为-15‰～-17‰;碳酸盐的δ13 C平均为 60‰。月岩中还原性碳的δ13 C平均值为-24‰。

2.地壳岩石的碳同位素组成

沉积岩的研究结果主要集中在海相碳酸盐上,δ13 C平均值为 0‰,但是随着地质时代的不同,在剖面上可能存在变化趋势与突变点;其中还原性碳的δ13 C 为-28‰。非海相碳酸盐的δ13 C平均为-4‰,还原性碳的δ13 C 为-24‰。煤的δ13 C 平均为-24‰,石油的δ13 C平均为-25‰,天然气的δ13 C平均为-40‰。

变质岩中的石墨碳同位素组成变化较大,受变质温度等因素影响。变质岩中碳酸盐的δ13 C平均为-2‰。

火成岩中还原性碳的平均δ13 C为-25‰,碳酸盐矿物的δ13 C平均为-6‰。火山气体中甲烷的δ13 C与火成岩中还原性碳类似,平均为-25‰;二氧化碳的δ13 C平均值为-4‰。

3.水圈、生物圈的碳同位素组成

湖水的δ13 C 一般为-8‰～-16‰,河水的δ13 C 平均为-10‰,海水的δ13C为0±2‰。

生物圈中水生植物较陆生植物富含13 C,且在水生植物中,海生植物较淡水湖生植物富13 C;沙漠地区的植物其碳同位素组成与海洋植物相同。多数陆生植物 (动物)的δ13 C在-34‰～-24‰之间;海生植物的δ13 C在-23‰～-6‰之间,海洋动物碳酸盐介壳的δ13 C为0‰。河、湖水生生物有机体的δ13 C是可变的,而碳酸盐介壳的δ13 C平均分别-12‰、-5‰。

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