同位素海洋化学课件.ppt

同位素海洋化学同位素海洋化学同位素海洋化学同位素简介同位素简介p同位素：同位素： 核内具有相同质子数而有不同中子数的一系列原子p同位素的分类：同位素的分类：u按原子核的稳定性：稳定同位素、放射性同位素u按来源： 天然放射性同位素（宇生／原生）、 人工放射性同位素u按有无衰变系：散在的、有衰变系列的同位素海洋化学同位素概述同位素概述同位素海洋化学核衰变类型与测量方法核衰变类型与测量方法pα衰变：衰变： α能谱仪（本底低；准确度、分辨率高；能谱仪（本底低；准确度、分辨率高；样品量少；流程复杂）样品量少；流程复杂）pβ衰变：衰变： β计数仪（本底、准确度适中；核素分辨率计数仪（本底、准确度适中；核素分辨率差；流程适中）差；流程适中）pγ辐射：辐射： γ能谱仪（本底高；准确度、分辨率适中；样能谱仪（本底高；准确度、分辨率适中；样品量大；流程简单）品量大；流程简单）p质谱仪：质谱仪： 气体同位素比值质谱（气体同位素比值质谱（IRMS）） （（13C、、15N、、2H、、18O、、35S）） 多收集器等离子体质谱（多收集器等离子体质谱（MC-ICP-MS）） (中等至高质量数稳定及放射性同位素中等至高质量数稳定及放射性同位素)同位素海洋化学海洋同位素示踪海洋同位素示踪p海洋同位素示踪: 利用海洋中固有的或外加的各种同位素作为示踪剂, 揭示各种海洋学过程的机制与速率p1970s 的GEOSECS为同位素示踪技术的发展奠定基础；p全球变化背景下，海洋科学的一个研究核心是： 海洋对全球变化的响应和反馈 JGOFS，LOICZ，SOLAS，GEOTRACES同位素海洋化学p研究的重点强调对过程与速率的了解研究的重点强调对过程与速率的了解p同位素示踪的独特功能：同位素示踪的独特功能： “定时定时”（速率）与（速率）与“定性定性”（来源）（来源）海洋同位素示踪海洋同位素示踪同位素海洋化学Part Ⅰ海洋稳定同位素海洋稳定同位素同位素海洋化学一、稳定同位素基本概念一、稳定同位素基本概念1. 稳定同位素丰度稳定同位素丰度某元素的某种稳定同位素所占的百分数。

如：某元素的某种稳定同位素所占的百分数如：16O: 99.763%，，17O: 0.035%，，18O: 0.1995%2. 稳定同位素比值（稳定同位素比值（R））某种元素的两种稳定同位素含量之比（重某种元素的两种稳定同位素含量之比（重/轻）稳定同位素比值容易直接测量（同位素比值质谱法）稳定同位素比值容易直接测量（同位素比值质谱法）同位素海洋化学3. δ值值样品中两种稳定同位素比值（样品中两种稳定同位素比值（R样）与标准中该样）与标准中该两种稳定同位素比值（两种稳定同位素比值（R标）的相对千分偏差标）的相对千分偏差一、稳定同位素基本概念一、稳定同位素基本概念δ＞＞0：样品中所含的重同位素比标准中丰富：样品中所含的重同位素比标准中丰富δ＜＜0：样品中所含的重同位素比标准中稀少：样品中所含的重同位素比标准中稀少同位素海洋化学3. δ值值 稳定同位素标准稳定同位素标准δ值与稳定同位素标准的选择值与稳定同位素标准的选择（（R标）标） 有关国际上统一提供了不同元素的稳有关国际上统一提供了不同元素的稳定同位素标准稳定同位素标准的选择条件为定同位素标准稳定同位素标准的选择条件为• 原料充足；原料充足；• 同位素组成均匀；同位素组成均匀；• 制样方法简单；制样方法简单；• 稳定同位素比值接近天然组成变化的中间值稳定同位素比值接近天然组成变化的中间值一、稳定同位素基本概念一、稳定同位素基本概念同位素海洋化学稳定同位素标准稳定同位素标准同位素海洋化学4. 同位素分馏同位素分馏（isotopic fractionation/segregation） 某种元素的稳定同位素比值经过物理化学过程变化某种元素的稳定同位素比值经过物理化学过程变化（如化学反应、相变、分子扩散等）后发生的改变（如化学反应、相变、分子扩散等）后发生的改变一、稳定同位素基本概念一、稳定同位素基本概念为什么会发生同位素分馏？为什么会发生同位素分馏？--同位素性质差异同位素性质差异同位素海洋化学4. 同位素分馏同位素分馏（isotopic fractionation/segregation） 同位素分馏系数（同位素分馏系数（α）） 产物与反应物中某稳定同位素比值之商，即产物与反应物中某稳定同位素比值之商，即一、稳定同位素基本概念一、稳定同位素基本概念同位素海洋化学5. 同位素分馏机理同位素分馏机理p同位素交换反应（热力学分馏）：同位素交换反应（热力学分馏）：不同化合物之间、不同相间、或单分子之间的同位素交换。

p同位素动力分馏：同位素动力分馏：由于分子量差异导致的同位素运动速度不同而引起的分馏如：C16O18O比C16O2扩散速度小22‰，在分子扩散过程中引起分馏一、稳定同位素基本概念一、稳定同位素基本概念同位素海洋化学二、稳定同位素在海洋研究中的应用二、稳定同位素在海洋研究中的应用p 水团示踪水团示踪p 海水古温度海水古温度p 古环境记录和物质来源古环境记录和物质来源p 生物生产过程与营养级（食物链）指示生物生产过程与营养级（食物链）指示p 其它应用其它应用同位素海洋化学同位素海洋化学同位素海洋化学同位素海洋化学2. 古地理环境的研究古地理环境的研究v已知淡水和海水中已知淡水和海水中HCO3－－中碳的同位素比值因中碳的同位素比值因 大气－海洋间的分馏而有差别，故在沉淀形成的大气－海洋间的分馏而有差别，故在沉淀形成的 石灰岩中，碳稳定同位素比值也不一样石灰岩中，碳稳定同位素比值也不一样v在陆生生物和海生生物之间，有机碳的同位素比在陆生生物和海生生物之间，有机碳的同位素比 值也不同根据沉积物的碳酸盐或生物有机碳中值也不同根据沉积物的碳酸盐或生物有机碳中 碳同位素组成的变化，可帮助确定古海岸线和古碳同位素组成的变化，可帮助确定古海岸线和古 三角洲的位置，古盆地的形状，海进或海退的变三角洲的位置，古盆地的形状，海进或海退的变 迁和沉积物的来源等有关问题迁和沉积物的来源等有关问题同位素海洋化学3. 海水古温度海水古温度v海洋中钙质生物中的海洋中钙质生物中的CaCO3与海水处于平衡状与海水处于平衡状态，态， CaCO3生成时与海水中的氧同位素发生交生成时与海水中的氧同位素发生交换反应，其平衡常数换反应，其平衡常数K与平衡时的温度有确定与平衡时的温度有确定关系关系同位素海洋化学3. 海水古温度海水古温度当温度升高时，相对较轻的当温度升高时，相对较轻的16O由于有较高的活性，由于有较高的活性，易于迁移，在同位素交换反应中将优先被吸收进入易于迁移，在同位素交换反应中将优先被吸收进入生物壳体中，致使生物壳体中，致使18O含量相对减少，含量相对减少，δ18O值随温度值随温度的上升而下降的上升而下降t (℃) = 16.5－4.3 (δS－δW）+0.14 (δS－δW)2 (Epstein, 1953)t (℃) = 16.9－4.2 (δS－δW）+0.13 (δS－δW)2 (Craig, 1965)t (℃) = 16.9－4.4 (δS－δW）+0.10 (δS－δW)2 (Shackleton, 1974)式中，δS：生物壳中的δ18Ο；δW：水体的δ18Ο同位素海洋化学伊米利阿米伊米利阿米同位素海洋化学同位素海洋化学4. 碳稳定同位素在海洋研究中的其它应用碳稳定同位素在海洋研究中的其它应用4.1 有孔虫有孔虫δ13C在古海洋学中其它应用在古海洋学中其它应用 有孔虫CaCO3的δ13C与海水溶解碳酸盐的δ13C 相关，可用来研究：v底栖有孔虫δ13C 反映森林植被面积。

v指示冰期－间冰期过渡时期大量冰融水的注入v底栖与浮游有孔虫δ13C 的差值△δ13CB-P反映 古生产力v底栖有孔虫碳同位素示踪深层水演化同位素海洋化学4.2 有机碳稳定同位素比（有机碳稳定同位素比（δ13Corg）的应用）的应用pδ13Corg作为沉积记录中的有机物整体参数之一，在区作为沉积记录中的有机物整体参数之一，在区分海洋与大陆有机物的来源方面具有重要作用分海洋与大陆有机物的来源方面具有重要作用δ13Corg主要反映了光合作用、碳同化作用以及碳源的主要反映了光合作用、碳同化作用以及碳源的同位素组成同位素组成p绝大多数陆地植物的光合作用主要通过绝大多数陆地植物的光合作用主要通过C3-Calvin途径，途径，称为称为C3植物植物p另外一些植物如甘蔗、玉米、高粱的光合作用主要通另外一些植物如甘蔗、玉米、高粱的光合作用主要通过过C4Hatch-Slack途径，称为途径，称为C4植物植物p此外还有一些肉质植物通过此外还有一些肉质植物通过CAM途径，由于其对海洋途径，由于其对海洋的有机质贡献很小，因此可以忽略（干旱）的有机质贡献很小，因此可以忽略（干旱）4. 碳稳定同位素在海洋研究中的其它应用碳稳定同位素在海洋研究中的其它应用同位素海洋化学4.3 有机碳稳定同位素比（有机碳稳定同位素比（δ13Corg）的应用）的应用p陆地植物通过C3途径把大气CO2 δ13Corg ≈－7‰）合成有机质，其δ13Corg为－27‰pC4植物的δ13Corg则是－14‰p海洋藻类有机碳的δ13Corg值通常是－20‰至－22‰。

陆源C3植物与海洋藻类碳同位素差值约为7‰，是区分有机物来源的良好标志4. 碳稳定同位素在海洋研究中的其它应用碳稳定同位素在海洋研究中的其它应用同位素海洋化学4.4 单体分子碳同位素在古海洋学中的应用单体分子碳同位素在古海洋学中的应用 单体化合物的碳同位素是将色谱分离与稳定同位素比值测定结合在一起的方法，在探索有机物质来源、古环境信息等方面有着有机质整体的δ13Corg和传统生物标志物不可替代的优点突出表现为：p不同生物有机体合成相同的生物标志物常常具有不同的碳同位素分馏，因而单体碳同位素值有来源方面的特异性；p只要该化合物碳骨架能完整保存，单体生物标志化合物δ13Corg组成不像总有机质δ13Corg那样会受降解作用影响4. 碳稳定同位素在海洋研究中的其它应用碳稳定同位素在海洋研究中的其它应用同位素海洋化学5. 15N在海洋食物链各环节中的变化其它应用在海洋食物链各环节中的变化其它应用p海洋各种含氮物质（N2、NH3、硝酸盐、溶解有机氮和各种生物体中氮）15N/14N比值随食物链的增长而增大（北大西洋西部）p大气N2的δ15N为0.9×10-3，是由于海－气界面发生同位素分馏p硝酸盐、浮游植物和海藻中δ15N平均7×10-3；在浮游动物和鱼类中的δ15N分别为10×10-3和15×10-3。

p表层水NH3的δ15N为－3.5×10-3，深层水为+7×10-3 δ15N从简单物质到复杂物质，生物物种从低级到高级逐步增长趋势表明：沿着海洋中食物链的增长，氮稳定同位素分馏效应增大同位素海洋化学6. 其它应用其它应用v利用利用3He作为水团的示踪剂；作为水团的示踪剂；v根据海水中硫酸盐根据海水中硫酸盐δ34S变化的趋势，判断蒸发变化的趋势，判断蒸发岩的沉积年代；岩的沉积年代；v利用利用δ13C和和δ18O测定古海水的盐度等测定古海水的盐度等同位素海洋化学古海洋盐度古海洋盐度p随着现代分析手段的发展,可以从有孔虫壳体的δ18O记录中提取古盐度变化信息浮游有孔虫壳体的δ18O与其生活期间海水的δ18Owater和温度密切相关,利用转换函数、长链烯酮不饱和度以及有孔虫壳体的Mg/Ca比值可以定量恢复地质历史时期表层水温度,从而求得海水的δ18Owater同时现代海水的氧同位素组成与海水盐度线性相关最终我们可以根据有孔虫壳体的δ18O恢复古盐度变化同位素海洋化学Part Ⅱ海洋放射性同位素海洋放射性同位素同位素海洋化学放射性核素在海洋研究中的应用放射性核素在海洋研究中的应用p海水年龄测定海水年龄测定p海流运动示踪海流运动示踪p沉积速率测定沉积速率测定p大尺度海洋混合过程大尺度海洋混合过程p其它应用其它应用同位素海洋化学1. 海水年龄测定海水年龄测定p某个水分子从表层迁移到深层所经历的时间，称为“海水的年龄”p要确定海水的年龄，可利用14C（ t½ = 5730 y）为示踪物p海水中14C的活度取决于所研究的水体的年龄及该水体与14C的活度不同的各种水团的混合程度。

p用海水样品δ14C (SMOW) 可表示其年龄：同位素海洋化学同位素海洋化学2. 海流运动示踪海流运动示踪 人工放射性核素可用作海流运动的示踪剂，判人工放射性核素可用作海流运动的示踪剂，判别、海流的方向并测定其流速别、海流的方向并测定其流速例如：例如： 1954年美国在太平洋中比基尼和叶尼威特克环年美国在太平洋中比基尼和叶尼威特克环礁进行一系列核爆炸试验（称为城堡试验），对礁进行一系列核爆炸试验（称为城堡试验），对放射性进行观测用硫酸钡和氢氧化铁把核裂变放射性进行观测用硫酸钡和氢氧化铁把核裂变产物从海水中共沉淀下来，然后测定裂变产物产物从海水中共沉淀下来，然后测定裂变产物β射线的强度射线的强度同位素海洋化学同位素海洋化学城堡试验的主要结果城堡试验的主要结果①放射性物质大部分自环礁向西北方向输送，西南方向也有一部分逆流②一个月后，比基尼以西450 km处表层海水检测到最高放射性，强度为9.1×104 dpm dm-3，计算流速为17.36 cm s-1③四个月后发生大规模平移和扩散浮游生物中检验出最高放射性8×105 dpm g-1（鲜重）海流流速约20 cm s -1 。

④九个月后检测的最高放射性为570 dpm dm -３污染海域移动到菲律滨吕宋岛，放射性物质随北赤道流向西运动同位素海洋化学⑤⑤1955年夏，加拿大、日本和美国协作进行了北年夏，加拿大、日本和美国协作进行了北太平洋共同观测（太平洋共同观测（NORPAC）结果发现，放射性物质在北太平洋西部广大地区结果发现，放射性物质在北太平洋西部广大地区扩散，最高放射性沿日本列岛成带状扩展，即在扩散，最高放射性沿日本列岛成带状扩展，即在日本沿岸流域的黑潮观察到最大放射性这说明日本沿岸流域的黑潮观察到最大放射性这说明北赤道海流和黑潮流是相连接的北赤道海流和黑潮流是相连接的城堡试验的主要结果城堡试验的主要结果同位素海洋化学3. 沉积速率测定沉积速率测定海洋沉积物的沉积速率是根据三种主要测年法测定海洋沉积物的沉积速率是根据三种主要测年法测定①14C（ t½ = 5730 y）法②230Th（ t½ = 7.52×104 y）和23lPa （ t½ = 3.25×104 y）（二者均海水中溶解铀衰变而成）③40K（ t½ = 1.29×109 y）法④210Pb（ t½ = 20.4 y）、137Cs（ t½ = 30.0 y）法这些放射性同位素都用于测定沉积物年龄，且可同这些放射性同位素都用于测定沉积物年龄，且可同时求算不同时间尺度的沉积速率时求算不同时间尺度的沉积速率同位素海洋化学3. 沉积速率测定沉积速率测定同位素海洋化学4. 其它应用其它应用4.1 大尺度海洋混合过程大尺度海洋混合过程 以模型为基础，研究14C在海洋－大气界面的交换 及其在海洋中的混合，可算出：²海水的逗留时间² 二氧化碳的海－气交换速率一般的结论是：一般的结论是：²太平洋深层水的逗留时间约为1000－1600年；²大西洋深层水的逗留时间约为太平洋深层水的一半；²表层水逗留时间仅有10－20年同位素海洋化学4.1 大尺度海洋混合过程大尺度海洋混合过程4. 其它应用其它应用同位素海洋化学²含沙量测量（同位素测沙法） 利用放射性同位素衰变时发射出的射线（即所谓核辐射）与浑水介质相互作用如吸收或散射的原理²浑水水深（即压力-密度法测量水深）²悬移质断面输沙率²泥沙（或物料）颗粒级分配曲线4. 其它应用其它应用同位素海洋化学Part Ⅲ新生产力估算新生产力估算同位素海洋化学新生产估算新生产估算新生产测定／估算方法较多，许多涉及稳定新生产测定／估算方法较多，许多涉及稳定/放放射性同位素。

例如：射性同位素例如：²15N示踪法示踪法²234Th/238U不平衡法不平衡法²沉积物捕集器法等沉积物捕集器法等同位素海洋化学同位素海洋化学同位素海洋化学同位素海洋化学一、一、15N示踪法示踪法²15N示踪法适于远离陆地影响的深水海域²假定：浮游植物吸收的铵为真光层内循环，吸收的硝酸盐为深层水营养盐再生后循环进入真光层²方法：采集水样，添加K15NO3（和(15NH4)2SO4）（约为海水中浓度的10%）培养2－4小时后过滤分离，测定颗粒氮含量和15N的量，求得硝酸盐的吸收比，乘以初级生产力即为新生产同位素海洋化学一、一、15N示踪法示踪法同位素海洋化学²Th具有颗粒物反应活性，其同位素有差异较大的半衰期，具有颗粒物反应活性，其同位素有差异较大的半衰期，是海洋颗粒物动力学常用的良好示踪剂是海洋颗粒物动力学常用的良好示踪剂²原理：真光层中溶解原理：真光层中溶解234Th（（t½ = 24.1 d）的浓度常低于其）的浓度常低于其父核父核238U （（t½ = 4.51×109 y）衰变产生的量，其不平衡性）衰变产生的量，其不平衡性可用来计算溶解可用来计算溶解Th的逗留时间的逗留时间²该逗留时间与初级生产力成反比，其范围在从该逗留时间与初级生产力成反比，其范围在从2－－3天到天到100多天。

如果所有吸附多天如果所有吸附Th的颗粒物都是本海区的生源有的颗粒物都是本海区的生源有机物，其逗留时间可与测得的机物，其逗留时间可与测得的POC一起给出新生产速率一起给出新生产速率²但部分有机物分解会使计算的逗留时间增长，影响结果准但部分有机物分解会使计算的逗留时间增长，影响结果准确性确性二、二、234Th/238U同位素不平衡法同位素不平衡法同位素海洋化学三、颗粒物通量法三、颗粒物通量法p在真光层底部设置沉积物捕集器（sediment trap），收集沉降颗粒物，测定POC的含量p原理：按捕集器面积和收集时间求得POC通量，即为输出生产（Export flux）在足够长的时间尺度内和海域平流较小的条件下，其结果基本上等同于新生产p由于沉积物捕集器不能收集DOC，结果会偏低同位素海洋化学同位素海洋化学Thank You同位素海洋化学。