δ13С

Мера относительной концентрации углерода-13 в образце

Образцы фораминифер

В геохимии , палеоклиматологии и палеоокеанографии δ ¹³ C ( произносится как «дельта тринадцать с») — это изотопная сигнатура , мера соотношения двух стабильных изотопов углерода — 13 C и 12 C — измеряемая в частях на тысячу (промилле, ‰). ^[1] Эта мера также широко используется в археологии для реконструкции рациона питания прошлых лет, в частности, чтобы узнать, потреблялись ли морские продукты или определенные виды растений. ^[2]

Определение в промилле :

${\displaystyle \delta {\ce {^{13}C}}=\left({\frac {({\ce {^{13}C}}/{\ce {^{12}C}})_{\mathrm {sample} }}{({\ce {^{13}C}}/{\ce {^{12}C}})_{\mathrm {standard} }}}-1\right)\times 1000}$

где стандартом является установленный справочный материал .

δ ¹³ C изменяется со временем в зависимости от производительности, сигнатуры неорганического источника, захоронения органического углерода и типа растительности. Биологические процессы преимущественно поглощают изотоп с меньшей массой посредством кинетического фракционирования . Однако некоторые абиотические процессы делают то же самое. Например, метан из гидротермальных источников может быть истощен до 50%. ^[3]

Справочный стандарт

Стандартом, установленным для работы с углеродом-13, был белемнит Пи-Ди (PDB), основанный на меловой морской окаменелости Belemnitella americana , которая была найдена в формации Пи-Ди в Южной Каролине . Этот материал имел аномально высокое отношение ¹³ C: ¹² C (0,0112372 ^[4] ), и было установлено, что значение δ ¹³ C равно нулю.

Поскольку исходный образец PDB больше не доступен, его соотношение ¹³ C: ¹² C можно рассчитать обратно с использованием широко используемого карбонатного стандарта NBS-19, имеющего значение δ ¹³ C +1,95‰. ^[5] Соотношение ¹³ C: ¹² C NBS-19 было сообщено как . ^[6] Таким образом, можно рассчитать соотношение ¹³ C: ¹² C PDB, полученное из NBS-19, как . ${\displaystyle 0.011078/0.988922=0.011202}$ ${\displaystyle 0.011202/(1.95/1000+1)=0.011202/1.00195=0.01118}$

Обратите внимание, что это значение отличается от широко используемого соотношения PDB ¹³ C: ¹² C 0,0112372, используемого в изотопной криминалистике ^[7] и экологами; ^[8] это несоответствие ранее приписывалось автором Википедии ошибке знака во взаимном преобразовании между стандартами, но ссылка не была предоставлена. Использование стандарта PDB дает большинству природных материалов отрицательное δ ¹³ C. ^[9] Например, материал с соотношением 0,010743 будет иметь значение δ ¹³ C −44‰ от . ${\displaystyle (0.010743\div 0.01124-1)\times 1000}$

Стандарты используются для проверки точности масс-спектроскопии ; по мере того, как изотопные исследования становились все более распространенными, спрос на стандарт исчерпал предложение. Другие стандарты, откалиброванные по тому же соотношению, включая тот, который известен как VPDB (для «Vienna PDB»), заменили оригинал. ^[10] Соотношение ¹³ C: ¹² C для VPDB, которое Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) определяет как нулевое значение δ ¹³ C, составляет 0,01123720. ^[11]

Причиныδ13Вариации C

Метан имеет очень легкую сигнатуру δ ¹³ C: биогенный метан −60‰, термогенный метан −40‰. Выброс большого количества метанового клатрата может повлиять на глобальные значения δ ¹³ C, как в палеоцен-эоценовом термическом максимуме . ^[12]

Чаще всего на это соотношение влияют изменения первичной продуктивности и органического захоронения. Организмы преимущественно поглощают легкий ¹² C и имеют сигнатуру δ ¹³ C около −25‰, в зависимости от их метаболического пути . Таким образом, увеличение δ ¹³ C в морских окаменелостях указывает на увеличение обилия растительности. ^{[ необходима цитата ]}

Увеличение первичной продуктивности вызывает соответствующий рост значений δ ¹³ C, поскольку больше ¹² C запирается в растениях. Этот сигнал также является функцией количества захороненного углерода; когда органический углерод захоронен, больше ¹² C запирается в системе в отложениях, чем фоновое соотношение.

Геологическое значениеδ13C экскурсии

Растения C ₃ и C 4 имеют разные сигнатуры, что позволяет обнаружить обилие трав C _{4 с течением времени в записях} δ ¹³ C. ^[13] В то время как растения C _{4 имеют} δ ¹³ C от −16 до −10 ‰, растения C ₃ имеют δ ¹³ C от −33 до −24 ‰. ^[14]

Положительные и отрицательные отклонения

Положительные колебания δ ¹³ C интерпретируются как увеличение захоронения органического углерода в осадочных породах после всплеска первичной продуктивности, снижения разложения в бескислородных условиях океана или обоих этих событий. ^[15] Например, эволюция крупных наземных растений в позднем девоне привела к увеличению захоронения органического углерода и, следовательно, к росту δ ¹³ C. ^[16]

Отрицательные аномалии δ ¹³ C, которые, как считается, отражают снижение первичной продуктивности и высвобождение растительного углерода, часто отмечают массовые вымирания .

Озерные среды

Другие важные приложения δ ¹³ C включают понимание его сигнатур из мягких осадков, особенно в озерных средах. Это зависит от системы, из которой он извлекается (открытая система, закрытая система и т. д.). Временные изменения δ ¹³ Cв органическом веществе находятся под влиянием разнообразных внутренних и внешних процессов: ^[17]

1. Изменения в доминирующем источнике растворенного неорганического углерода: в стратифицированных озерах накопление углерода, обедненного 13C, в глубокой воде является обычным явлением, поскольку погружающиеся и деградирующие клетки фитопланктона вносят свой вклад в этот пул. Рециркуляция этой воды на поверхность может привести к значительному снижению δ ¹³ C. Длительная стратификация обогащает пул растворенного неорганического углерода (DIC) в эпилимнионе 13C. Долгосрочные изменения факторов, влияющих на интенсивность или глубину апвеллинга, таких как ветреность, температура воды или стратификация, связанная с соленостью, проявляются в виде сдвигов между более отрицательными и положительными значениями δ ¹³ Cценности.
2. Изменения в производительности/эвтрофикации: повышение производительности ускоряет перенос органического вещества с отрицательным δ ¹³ Cзначения для гиполимниона, влияющие на δ ¹³ Cостаточного эпилимнетического ДВС. Это воздействие в сочетании с эффектами смешивания приводит к изменениям в δ ¹³ Cсигнал.
3. Изменения в метаболических путях фиксации углерода: основные изменения щелочности озера влияют на первичную продукцию бентоса и планктона. Изменения в доминирующем источнике DIC для фотосинтеза, вызванные изменениями pH, могут привести к тенденциям к более положительному δ ¹³ C, особенно в озерах, в которых преобладает автохтонное органическое вещество и наблюдается высокая щелочность.
4. Изменения в наличии растворенного CO2 _: холодная вода может растворять более высокие концентрации CO2, чем _теплая ^вода , влияя на δ13Cв органическом веществе во время похолоданий. Изменения в концентрации CO _{2 в атмосфере также влияют на} δ ¹³ C, при этом более низкий pCO ₂ во время ледниковых периодов вызывает изотопную дискриминацию в растениях, использующих растворенный CO ₂ .
5. Изменения в доминирующей растительности в пределах водораздела: Изменения в растительности водораздела, особенно переходы между фотосинтетическими путями C3 и C4, значительно изменяют изотопный состав углерода в озерных отложениях. Эти изменения могут быть показателем более широких палеоклиматических сдвигов.
6. Диагенетические тенденции: диагенетические процессы, такие как потеря реактивных компонентов, таких как аминокислоты, приводят к устойчивым сдвигам в δ ¹³ Cв органическом веществе. Болотные отложения, богатые углеродом, демонстрируют сдвиги в сторону более отрицательного объемного органического вещества. Эти диагенетические тенденции следует учитывать при интерпретации изотопных изменений, сопровождающих основные изменения общего органического углерода (TOC) или метаногенез.

Понимание этих процессов имеет решающее значение для интерпретации δ ¹³ C.изменения в озерных отложениях и реконструкция палеоэкологических условий.

Крупные экскурсионные мероприятия

• Событие Ломагунди-Джатули (2300–2080 млн лет назад) Палеопротерозой - Положительный сдвиг

• Событие Шунга-Франсвиллиан (2080 млн лет назад) Палеопротерозой - Отрицательный экскурс

• Экскурсия Шурам-Вонока (570–551 млн лет назад) Неопротерозой - Отрицательная экскурсия

• Стептойский положительный изотопный сдвиг углерода (494,6-492 млн лет) Палеозой - Положительный сдвиг

• Событие Иревикен (433,4 млн лет назад) Палеозой - Положительный сдвиг

• Событие Мульде (427 млн ​​лет назад) Палеозой - Положительный сдвиг

• Событие Лау (424 млн лет назад) Палеозой - Положительный сдвиг

• Пограничное событие сеномана и турона (93,9 млн лет) Мезозой - Положительный сдвиг

• Палеоцен-эоценовый термический максимум (55,5 млн лет) Кайнозой - Отрицательный экскурс

Смотрите также

• δ ¹⁸ О
• δ ¹⁵ Н
• δ ³⁴ S
• Изотопная сигнатура
• Изотопный анализ
• Изотопная геохимия
• Изотопная маркировка

Ссылки

1. Либес, Сьюзен М. (1992). Введение в морскую биогеохимию, 1-е издание . Нью-Йорк: Wiley.
2. Шварц, Генри П.; Шенингер, Маргарет Дж. (1991). «Анализ стабильных изотопов в экологии питания человека». Американский журнал физической антропологии . 34 (S13): 283–321. doi : 10.1002/ajpa.1330340613 .
3. Макдермотт, Дж. М., Зеевальд, Дж. С., Герман, К. Р. и Сильва, С. П., 2015. Пути абиотического органического синтеза в подводных гидротермальных полях. Труды Национальной академии наук, 112(25), стр. 7668–7672.
4. Крейг, Хармон (1957-01-01). «Изотопные стандарты для углерода и кислорода и поправочные коэффициенты для масс-спектрометрического анализа диоксида углерода». Geochimica et Cosmochimica Acta . 12 (1): 133–149. Bibcode : 1957GeCoA..12..133C. doi : 10.1016/0016-7037(57)90024-8. ISSN  0016-7037.
5. Бранд, Вилли А.; Коплен, Тайлер Б.; Фогль, Йохен; Роснер, Мартин; Прохаска, Томас (2014-03-20). «Оценка международных справочных материалов для анализа изотопных отношений (Технический отчет ИЮПАК)». Pure and Applied Chemistry . 86 (3): 425–467. doi :10.1515/pac-2013-1023. hdl : 11858/00-001M-0000-0023-C6D8-8 . ISSN  1365-3075. S2CID  98812517.
6. Мейя, Юрис; Коплен, Тайлер Б.; Берглунд, Майкл; Брэнд, Вилли А.; Де Бьевр, Поль; Грёнинг, Манфред; Холден, Норман Э.; Ирргехер, Йоханна; Потеря, Роберт Д. (01 января 2016 г.). «Изотопный состав элементов 2013 (Технический отчет ИЮПАК)». Чистая и прикладная химия . 88 (3): 293–306. дои : 10.1515/pac-2015-0503 . hdl : 11858/00-001M-0000-0029-C408-7 . ISSN  1365-3075.
7. Мейер-Аугенштейн, Вольфрам (28 сентября 2017 г.). Криминалистика стабильных изотопов: методы и судебно-медицинское применение анализа стабильных изотопов (Второе издание). Хобокен, Нью-Джерси. ISBN 978-1-119-08022-0. OCLC  975998493.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
8. Миченер, Роберт; Лайта, Кейт , ред. (2007-07-14). Стабильные изотопы в экологии и науке об окружающей среде . Оксфорд, Великобритания: Blackwell Publishing Ltd. doi :10.1002/9780470691854. ISBN 978-0-470-69185-4.
9. Обзор исследований стабильных изотопов. Лаборатория стабильных изотопов/биологии почвы Института экологии Университета Джорджии.
10. Миллер и Уиллер, Биологическая океанография , стр. 186.
11. "Справочные и сравнительные материалы для стабильных изотопов легких элементов" (PDF) . Международное агентство по атомной энергии. 1995.
12. Панчук, К.; Риджвелл, А.; Камп, Л. Р. (2008). «Осадочный отклик на палеоцен-эоценовый термический максимум высвобождения углерода: сравнение модели и данных». Геология . 36 (4): 315–318. Bibcode : 2008Geo....36..315P. doi : 10.1130/G24474A.1.
13. Retallack, GJ (2001). «Кайнозойское расширение лугов и похолодание климата». Журнал геологии . 109 (4): 407–426. Bibcode : 2001JG....109..407R. doi : 10.1086/320791. S2CID  15560105.
14. О'Лири, МХ (1988). «Изотопы углерода в фотосинтезе». BioScience . 38 (5): 328–336. doi :10.2307/1310735. JSTOR  1310735.
15. Кэнфилд, Дональд Э.; Нгомби-Пемба, Лорисс; Хаммарлунд, Эмма У. (15 октября 2013 г.). «Динамика кислорода в результате Великого окисления атмосферы Земли». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 110 (42): 16736–16741. Bibcode : 2013PNAS..11016736C. doi : 10.1073/pnas.1315570110 . PMC 3801071. PMID  24082125 . 
16. Иоахимск, ММ; Буггиш, В. «МАССОВОЕ ВЫМИРАНИЕ В ПОЗДНЕМ ДЕВОНЕ – СТОЛКНОВЕНИЕ ИЛИ СОБЫТИЕ, СВЯЗАННОЕ С ЗЕМЛЕЙ?» (PDF) . Институт Луны и планет .
17. Коэн, Эндрю С. (2003-05-08), "Геологическая эволюция озерных бассейнов", Палеолимнология , Oxford University Press, doi :10.1093/oso/9780195133530.003.0006, ISBN 978-0-19-513353-0, получено 2023-12-19

Дальнейшее чтение

• Миллер, Чарльз Б.; Патрисия А. Миллер (2012) [2003]. Биологическая океанография (2-е изд.). Оксфорд: John Wiley & Sons. ISBN 978-1-4443-3301-5.
• Мук, В. Г. и Тан, Ф. К. (1991). Стабильные изотопы углерода в реках и эстуариях. Биогеохимия основных рек мира, 42, 245–264.