Биогеохимия изотопов кремния

Рисунок 1: Схематическая иллюстрация биогеохимического цикла Si и значений стабильных изотопов Si (δ ³⁰ Si), связанные с конкретными резервуарами и процессами (в скобках — в промилях). Данные на иллюстрации основаны на дополнительной базе данных Sutton et al. (2018).

Биогеохимия изотопов кремния - это изучение процессов окружающей среды с использованием относительного содержания Si изотопов . Поскольку относительное содержание стабильных изотопов Si варьируется в зависимости от природных материалов, различия в содержании можно использовать для отслеживания источника Si и для изучения биологических, геологических и химических процессов. Изучение биогеохимии стабильных изотопов Si направлено на количественную оценку различных потоков Si в глобальном биогеохимическом цикле кремния, на понимание роли биогенного кремнезема в глобальном цикле Si, а также на исследование применения и ограничений осадочной записи Si как фактора окружающей среды. и палеоокеанографический прокси .

Фон

Кремний в природе обычно связан с кислородом в четырехвалентной степени окисления. Основными формами твердого кремния являются силикатные минералы и аморфный кремнезем, тогда как в водных растворах преобладают ортокремниевая кислота и ее диссоциированные формы. Существует три стабильных изотопа Si , которым соответствует следующее среднее естественное содержание: ²⁸ Si – 92,23%, ²⁹ Si – 4,67%, и ³⁰ И – 3,10%. Изотопный состав Si часто формулируется в дельта-обозначении следующим образом:

$\delta ^{30}Si={({^{30}Si \over ^{28}Si})_{sample} \over ({^{30}Si \over ^{28}Si})_{standard}}-1$

Стандартный образец (стандарт) для определения δ ³⁰ Si образца представляет собой кварцевый песок 28 Национального бюро стандартов (NBS), который был сертифицирован и распространен Национальным институтом стандартов и технологий (NIST) и также имеет название NIST RM 8546. В настоящее время существует четыре основных аналитических метода измерения изотопов Si: масс-спектрометрия изотопного отношения газового источника (GC-IRMS), масс-спектрометрия вторичных ионов несколькими коллекторами (SIMS), масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой с (MC-IPC-MS). ) и лазерная абляция MC–ICP–MS.

Изотопы Si в биогеохимическом цикле Si

Смотрите также: Цикл кремнезема

Первичные минералы и выветривание

Первичные минералы — это минералы, кристаллизующиеся при образовании земной коры , и их типичные δ ³⁰ Изотопное значение Si находится в диапазоне −0,9‰ – +1,4‰. Земная кора постоянно подвергается процессам выветривания, в результате которых кремний растворяется и одновременно образуется вторичные минералы кремния. Образование вторичного Si дискриминирует тяжелый изотоп Si ( ³⁰ Si), создавая минералы с относительно низкими δ ³⁰ Значения изотопов Si (-3 ‰ – + 2,5 ‰, среднее: -1,1 ‰). Было высказано предположение, что это изотопное фракционирование контролируется кинетическим изотопным эффектом Si адсорбции на гидроксидах алюминия , который имеет место на ранних стадиях выветривания. В результате внедрения более легких изотопов Si во вторичные минералы оставшийся растворенный Si будет относительно обогащен тяжелым изотопом Si ( ³⁰ Si) и связан с относительно высоким δ ³⁰ Значения изотопов Si (-1 ‰ – +2 ‰, среднее: +0,8 ‰). Растворенный кремний часто переносится реками в океаны.

Наземная растительность

Поглощение кремния растениями обычно дискриминирует легкий изотоп Si, образуя ³⁰ Растения, обогащенные Si (δ ³⁰ Si 0–6‰). Причина такого относительно большого фракционирования изотопов остается неясной, главным образом потому, что механизмы поглощения Si растениями еще предстоит понять. Кремний у растений можно найти в ксилеме , что связано с исключительно высоким δ ³⁰ Значения Си. Фитолиты , микроскопические структуры кремнезема в тканях растений, имеют относительно более низкое δ. ³⁰ Значения Си. Например, сообщалось, что среднее значение δ ³⁰ Si фитолитов в различных органах пшеницы составлял -1,4–2,1‰, что ниже типичного диапазона для растительности (δ ³⁰ Si 0–6‰). Фитолиты относительно растворимы, и по мере разложения растений они вносят свой вклад в баланс растворенного кремния на Земле.

Биоминерализация в водной среде

Рисунок 2: Типичные значения стабильных изотопов кремния (Si) (δ ³⁰ Si) различных резервуаров Si (в промилях). Белые квадраты обозначают среднее значение, столбцы обозначают диапазон между минимальным и максимальным значениями в соответствии с дополнительной базой данных, опубликованной Sutton et al. (2018).

В водной среде (реки, озера и океан) растворенный Si используется диатомовыми водорослями , диктиохалами , радиоляриями и губками для образования твердых структур bSiO ₂ . Биоминерализованный структуру, поэтому его свойства кремнезем имеет аморфную могут различаться у разных организмов. Биоминерализация диатомовыми водорослями вызывает самый большой поток Si в океане и, таким образом, играет решающую роль в глобальном цикле Si. Во время поглощения Si диатомовыми водорослями происходит изотопная дискриминация тяжелого изотопа, образующая ³⁰ минералы, обедненные кремнием Биогенные кремнеземные . В результате оставшийся растворенный Si в окружающей воде ³⁰ Si-обогащенный. диатомеи используют солнечный свет Поскольку для фотосинтеза , они обитают в поверхностных водах, и поэтому поверхностные воды океана обычно ³⁰ Si-обогащенный. Хотя имеется меньше данных о фракционировании изотопов во время биоминерализации радиоляриями , было высказано предположение, что радиолярии также дискриминируют тяжелый изотоп ( ³⁰ Si), и что величина изотопного фракционирования находится в том же диапазоне, что и биоминерализация диатомовыми водорослями. Губки также демонстрируют изотопное предпочтение ²⁸ Ты закончил ³⁰ Si, но величина их изотопного фракционирования зачастую больше (Количественное сравнение см. на рисунке 2).

Гидротермальные источники

Гидротермальные жерла переносят растворенный кремний в океанский резервуар кремния. В настоящее время определить величину гидротермальных потоков Si затруднительно из-за отсутствия данных о δ ³⁰ Значения Si, связанные с этим потоком. Есть только две опубликованные точки данных δ. ³⁰ Значение Si гидротермальных источников (-0,4 ‰ и -0,2 ‰).

Диагенез

д ³⁰ На значение Si поровой воды осадка может влиять постседиментационное ( диагенетическое ) осаждение или растворение Si. Важно понимать масштабы и изотопное фракционирование этих процессов, поскольку они изменяют δ ³⁰ Значения Si первоначально отложившихся отложений и определить δ ³⁰ Си сохранился в наскальной летописи. Обычно при осаждении Si отдается предпочтение легкому изотопу ( ²⁸ Si) и приводит к ³⁰ Обогащенный Si растворенный Si в растворе-хозяине. Изотопный эффект растворения Si в поровой воде еще не ясен, поскольку в некоторых исследованиях сообщается о предпочтении ²⁸ Si при растворении, в то время как другие исследования подтверждают, что изотопное фракционирование не было выражено при растворении осадков.

Палеоокеанографические прокси

Гипотеза утечки кремниевой кислоты

Гипотеза утечки кремниевой кислоты (SALH) – это предполагаемый механизм, целью которого является объяснение изменений содержания CO ₂ в атмосфере между ледниковыми и межледниковыми периодами. Эта гипотеза предполагает, что во время ледниковых периодов в результате усиленного осаждения пыли в южном океане диатомовые водоросли потребляют меньше кремния по сравнению с азотом. Уменьшение соотношения поглощения Si:N приводит к избытку Si в южном океане, который просачивается в более низкие широты океана, где доминируют кокколитофоры . По мере роста концентрации Si популяция диатомовых водорослей может вытеснить кокколитофоры , уменьшая количество осадков CaCO ₃ и изменяя щелочность океана и карбонатный насос . Эти изменения вызовут новое устойчивое состояние океан-атмосфера с более низкими концентрациями CO ₂ в атмосфере , что соответствует сокращению выбросов CO _2, наблюдавшемуся в последний ледниковый период. д ³⁰ Si и δ ¹⁵ Для проверки этой гипотезы были использованы значения изотопов N, заархивированные в диатомовых отложениях южного океана. поскольку на основе этой записи можно было интерпретировать динамику поставок и использования Si и N во время последней дегляциации. В соответствии с гипотезой утечки кремниевой кислоты эти изотопные архивы предполагают, что использование Si в южном океане увеличилось во время дегляциации.

Изотопная палеотермометрия Si

Были попытки реконструировать палеотемпературы океана по изотопным данным кремнистого кремния, которые предполагали, что архейские температуры морской воды были значительно выше современных (~ 70 ° C). Однако последующие исследования ставят под сомнение этот метод палеотермометрии и предлагают альтернативное объяснение δ. ³⁰ Значения Si архейских пород. Эти сигналы могут быть результатом процессов диагенетических изменений, которые накладываются на исходный δ. ³⁰ Значения Si, или подумать, что архейские кремни состояли из разных источников кремния. Вполне вероятно, что в течение архея доминирующими источниками кремниевых отложений были выветривание, эрозия, окремнение обломочных отложений или гидротермальная деятельность. в отличие от обширной биоминерализации SiO ₂ в современном океане.

Концентрации Палео Si

Согласно эмпирическим калибровкам, разница δ ³⁰ Si (обозначается как Δ ³⁰ Si) между губками и принимающей их водой коррелирует с концентрацией Si в растворе-хозяине. Поэтому было высказано предположение, что концентрации Si в придонных водах древних океанов можно интерпретировать исходя из δ ³⁰ Si сосуществующих спикул губок , сохранившихся в наскальной летописи. Было высказано предположение, что эта зависимость определяется скоростью роста и кинетикой поглощения Si губками: но нынешнее понимание путей биоминерализации губок ограничено. Хотя механизм этой связи еще не ясен, она, по-видимому, согласуется с различными лабораторными экспериментами, современной средой и верхними отложениями керна. Однако есть также свидетельства того, что δ ³⁰ Si плотоядных губок может существенно отличаться от ожидаемой корреляции.

См. также

• Изотопы кремния
• Изотопная геохимия
• Соотношение стабильных изотопов
• Масс-спектрометрия изотопного отношения