稳定同位素质谱

碳氧稳定同位素在环境科学研究中的意义

上一篇 / 下一篇  2011-09-09 09:44:00

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同位素(Isotope)概念与分类:原子由原子核与核外电子组成。原子核决定原子的性质。原子核由质子和中子组成,质子数即为原子序数。质子数相同而中子数不同的原子称为同位素(isotope)。放射性同位素(radioactive isotope):凡能自发地放出粒子并衰变为另一种同位素的为放射性同位素。稳定同位素(stable isotope):无可测放射性的同位素为稳定同位素,其中包括放射性同位素衰变到最后的终极产物和自原子核合成以来就保持稳定的同位素。这种同位素是沉积物中稳定同位素研究的主要对象。


同位素丰度是衡量同位素多少的指标。 绝对丰度指某一同位素在所有各种稳定同位素总量中的相对份额。相对丰度指同一元素各同位素的相对含量。
影响同位素丰度差异的因素有:与原子核合成的有关化学过程。 与放射性衰变的有关过程。 同位素分馏过程(沉积物稳定同位素的研究主要与同位素分馏过程有关)。


同位素丰度测量方法:对沉积物进行前期化学处理后,利用同位素质谱仪进行测量。理论表达:同位素丰度的变化可以用某一元素重同位素丰度与轻同位素丰度之比(R)来表示。实际表达:目前常用的同位素分析结果的表达是用实测的d值,即待测样品(Sa)的同位素比值与一标准物质(St)同位素比值相比的结果,定义为: d =(RSa / RSt –1´ 1000。原因:同位素比值(R)极难测定,一是因为,测定同位素的质谱仪本身也存在着同位素分馏过程,二是用于研究的很多同位素比值变化非常微小,测定难度较大。

有机碳同位素d13C:沉积物有机质来源于陆源碎屑(植物有机碳同位素 :一定条件下分馏产生。 动物有机碳同位素:动物对植物的摄取)和水生生物(与水生植物有机碳同位素分馏有关,与水生动物和水体的物质交换有关),各组分的有机碳同位素来源。水生动物与水体进行碳的交换量极少,因此湖泊沉积中有机碳同位素来源于陆生与水生植物有机碳同位素的分馏。一般来说,影响植物碳同位素分馏过程的因素有两个方面:一是光和作用的方式,二是光合作用的程度。几乎90%植物的初始光和产物为三碳分子的磷酸甘油酸,称之为C3循环,最初合成为三碳糖。这个过程循环长,分馏程度大,d13C达到-23‰-38‰。另一种光和过程合成4C糖,称之为C4循环,此循环较短,同化CO2的速率是C3循环的二倍,但分馏较小, d13C-12‰-14‰。植物的这种光和作用的方式决定了其种类的组成,而不同种类的植物与生长环境密切相关,因此利用测定沉积物有机碳d13C来确定构成有机碳来源的植被的组成状况,能够研究气候环境的变化情况。植物光和作用程度是在其光和作用方式的基础上对同位素分馏产生影响的。植物碳的来源、呼吸作用、大气CO2的组成变化、温度改变均会对光合作用程度产生影响。在利用沉积物有机碳d13C讨论这些因素的变化时,需要考虑其他的综合因素。

氧同位素d18O:沉积物水体中H2Od18O分馏程度强烈地受到温度的制约。沉积物中CaCO3中的d18O与其沉积水体中H2Od18O达到平衡。测定沉积物CaCO3中的d18O的氧同位素指标,并借助于CaCO3—H2O同位素温度计恢复古温度变化。CaCO3沉淀时是否与水体达到平衡,目前常用成熟底栖微体生物的壳体中的CaCO3作为研究对象,也有人利用沉积物中自生方解石。怎样获得原始水体的d18O值。在海洋沉积的研究中,一般认为除了海水体积变化改变了其盐度,其d18O值是不变的,而海水体积的改变主要受温度变化引起极地冰盖扩大与缩小造成的。在陆地水体体积(盐度)发生变化的原因较多。原始d18O的保存程度,即使测定CaCO3沉淀已经达到平衡,但由于各种因素的影响,其d18O值也可能发生改变。

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