碳同位素在沉积环境研究中的应用

工业技术

76 2015年53期

碳同位素在沉积环境研究中的应用

叶 帆 袁 静

浙江省第十一地质大队，浙江 温州325006

摘要：碳同位素在的应用范围十分的广泛，包括有生命起源、古气候、古环境等方面的地球化学研究涉及有机地球化学、油气地球化学、环境地球化学等方面的内容。 关键词：碳同位素；环境地球化学；古环境 中图分类号：P595 文献标识码：A 文章编号：1671-5810（2015）53-0076-02

碳在地球上属于微量元素，在地球表面打大气圈、生物圈和水圈中确实常见元素，是地球上生命物质的基本组成。碳有两种稳定同位素（12C 、13C ）及一种放射性同位素（14C ），

碳同位素组成特征以

δ13C 表示。适合作碳同位素组成分析的样品众多，有含碳的矿物、含有碳酸钙的岩石及各种矿物包裹体中的CO 2 和CH4气体以及石油、天然气及有机物质

中的含碳组分也可以作为研究对象[2]

。

引起碳同位素分馏的主要机理有动力分馏（光合作用、

热裂解作用）、同位素交换作用、氧化还原反应[2~4]

。随着碳同位素分析的精度不断的提高，使得碳同位素在地球化学中的应用愈发广泛。

1 鉴别沉积环境

稳定碳同位素技术在油气地球化学上应用广泛[5，6]

。现在普遍认为石油是由古代海相或陆相盆地中的沉积有机质地层沉降埋深热演化而生成的，沉积环境决定了有机质的性

质，而有机质的类型影响生成油的碳同位素组成[7]

。因此，通过原油单体烃碳同位素的研究，可以确定其生成环境。

一般认为，石油是由海相或者陆相盆地沉积物中的动植物残体逐渐演化形成的，而海相和陆相有机质的碳同位素组成是不同的，由于在有机质演化成石油的过程中，碳同位素组成的变化不明显，因而可以根据测定研究石油中的δ13C 值推测其原油母质的沉积环境。δ13C<-30‰时，其烃源岩的沉积环境为海相；δ13C 为-29.5‰~-28‰时，其烃源岩的沉积环境为湖湘；δ13C 为-28‰~-24‰时，其烃源岩的沉积环境为陆相。可以看出总的来说海相来源原油碳同位素有较高的

δ13C 值，而陆相来源原油碳同位素δ13C 值相对较低[7]

。

2 古环境研究中的应用

运用于碳同位素研究的地质记录可按其来源分为两类：一类为有机来源：如哺乳动物牙齿化石、树轮等植物化石、土壤有机质、煤等陆相沉积有机质，海相沉积有机质；另一类为无机来源：如石笋、冰芯、沉积碳酸盐。通过这些地址记录的碳同位素研究，可推断不同时期植物发育状况、恢复古环境、探索气候变化的规律。其中碳同位素组成的突变往往与重要地质事件有关，碳同位素变化史记录了环境变化史

（图1）。因此地质记录的碳同位素研究是探讨古环境变化的

重要手段之一[8-10]

。

2.1 陆相古环境研究中的应用

陆生高等植物中主要存在C3和C4两种光合作用类型。C3和C4植物的δ13C 值不互相重叠，C3和C4植物的δ13C

值分别为-27‰和-13‰[10]

。而陆相沉积物中的有机质主要是来自陆生高等植物，陆相沉积物中有机质的δ13C 组成与形成有机质的植物δ13C 组成基本一致。因此，如果已知某一地层中有机质的δ13C 组成，就可以估算出当时地表植被中C3和C4植物的相对生物量贡献，从而研究植被中C3和C4的植物所代表的生态环境有区别，因此通过沉积物中有机质的δ13C 就可以重建过去的环境。陆相沉积物中碳酸盐δ13C 也可以用来恢复古环境[21]。在古土壤中几乎基本不含原生碳酸盐，因此古土壤中碳酸盐δ13C 组成基本上代表了自生碳酸盐的δ13C 组成。土壤中自生碳酸盐δ13C 主要由土壤CO 2的δ13C 组成决定。而土壤CO 2的δ13C 组成又受地表植被中C3和C4的相对生物量贡献控制，因此土壤中碳酸盐的δ13C 值与地表植被中的C3和C4的相对生物量贡献有关。基于上述分析，Y . Wang 和S. H. Zheng 给出了计算方程：

式中 δ13Ccarb ——土壤碳酸盐的碳同位素值

M3和M4——植被中C 和C 植物相对生物贡献量，其中M3 + M4=100%

由此方程可以直接从土壤碳酸盐δ13C 来计算地表植被

中C3和C4植物的相对生物贡献量[9]

。从而对恢复古环境提供相关的分析资料和证据。

2.2 海相古环境研究中的应用

海相碳酸盐岩碳同位素分析是古气候、古海洋环境研究的一种常用手段。古代海相碳酸盐岩的稳定同位素组成能近似的反映古海洋稳定同位素组成。而δ13C 与生物埋藏量、埋藏速度有密切的关系。因此研究海相碳酸盐岩稳定碳同位素的组成对了解古海平面变化、构造活动、全球气候冷暖变化、生物灭绝以及古海水温度、盐度等具有十分重要的意义。

图1 δ13Ccarb/org 对于时间的演化序列（据Schidlowski M.）

Fig.1 Evolution sequence map of δ13Ccarb/org thourgh geological time

中国科技期刊数据库 工业C

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当海洋生物量高使得被埋藏的有机碳量增加时，意味着从海水中清除碳同位素，这样，海洋库溶解的无机碳酸盐的δ13C 值增加，反之亦然。因此，海洋灰岩的δ13C 值增高，意味着该沉积时期的海洋生产力高；海洋灰岩的δ13C 值降低，意味着该沉积时期的海洋生产力低。有机碳的相对埋藏量一般取决于3个因素：○1生物大量繁殖或灭绝。在地球环境适宜期，对应地史沉积的碳酸盐岩中相对富集13C ，而在环境的恶化期，生物大量的减少或灭绝，使得海水中12C 大量富集，而13C 就相对贫化。○2全球气候冷暖变化。由于海水表层温度降低，海水表层溶解的大气CO 2含量增加，大气中更富轻碳同位素，对应沉积期中的碳酸盐岩的δ13C 也会有所下降。○3海平面的变化。海平面上升期，一方面有机碳的埋藏速率增加，另一方面古陆氧化面积减小，因剥蚀而带入海洋的有机碳也随之减少，从而导致溶于海水中的CO 2富13C 与之平衡的碳酸盐岩的δ13C 值也相应增高。反之，海平面下降期，大陆面积增大，由于氧化剥蚀进入海洋的有机碳的数量增加，同时，海洋中的有机质埋藏速率降低，造成大量的12C 进入海水，使得海相碳酸盐的δ13C 值降低。从中可以看出，δ13C 的高值对应着海平面的上升期，δ13C 的低值对应着海平面的下降期。

3 界限地层碳同位素示踪研究

界限地层同位素研究是通过地层单元中同位素组成变化的对比，来确定地层相对年代的，进行地层划分并探讨地层历史中的中大事件，迄今为止，研究涉及的同位素包括碳、氧、锶、铷、硫等，其中海相碳酸盐岩的碳氧同位素研究资料较丰富。研究表明，海相碳酸盐岩石的碳同位素组成的变化不但可以作为古海水温度和盐度变化的函数，而且还可以

作为海相碳酸盐岩地层的划分标志[13-16]

。

4 其他方面的研究应用

在海洋科学研究中，14C 多年来一直被用于测定沉积物的沉积速率及沉积年代。天然14C 的应用开辟了海洋有机地球化学的一个全新的研究领域， 这对我们从宏观和微观上认识碳在海洋中的循环都具有极大的实际意义，其研究前景

极为广阔[17]

。

稳定碳、氮同位素作为一种有效的手段在在生物地球化学研究中有着广泛的应用。将稳定碳、氮同位素法应用于生态系统研究中，可以帮助人们更清楚的认识我们周围的生存

环境[18]

。

5 结语

碳同位素的分析研究已成为地球化学中重要而不可替代的技术手段，从油气地球化学到环境地球化学，从无机地球化学到有机地球化学，都可以看到碳同位素的身影。在今后研究应用中针对各种问题还会出现新的研究方向及其最新的研究进展。

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量中所占的比重也随增压比的增加而减小，所以两种系统对排气能量的利用效果将随增压比的提高而逐渐接近。一般而言，当增压比小于2.5时，采用脉冲增压系统对排气能量的利用比较好。

3. 2 扫气作用

在内燃机气门叠开扫气期间，脉冲系统的排气管压力PT 正好处于波谷，因此即使在部分负荷工况下，仍能保持足够的扫气压力差Pb-Pt ，以保证气缸有良好的扫气，达到提高充量系数、减小燃烧室中受热零件热负荷的目的。而在定压系统中由于排气管压力Pt 波动小，扫气压力差小，不容易保证气缸内的扫气质量。

3.3 增压器的效率

从排气涡轮的效率来看，脉冲系统的平均等熵效率比定压系统略低。脉冲系统在内燃机开始排气时，排气以很高的流速进入涡轮，流动损失增加；涡轮前的排气温度和压力都是周期性脉动的，进入工作轮叶片的排气流动方向也是周期性地改变，这使得气流的撞击损失增加；脉动压力有时还造

成涡轮机的部分进气现象，因此脉冲系统的热效率较低。定压系统的涡轮前压力恒定，涡轮的效率较高。

3.4 增压系统结构

与定压系统相比，脉冲系统的尺寸较大，排气管结构也比较复杂。

4 结束语

综上所述，内燃机在低增压时宜采用脉冲增压系统，高增压时两种系统均可采用。车用发动机大部分时间是在部分负荷下工作，对加速性能和转矩特性要求较高，故多采用脉冲增压系统。

参考文献

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作者简介：范洋洋（1987-），男，山东省潍坊人，助理工程师，现主要从事矿用汽车发动机的管理工作。