д ¹³С

В геохимии , палеоклиматологии и палеоокеанографии δ ¹³C (произносится как «дельта с тринадцать») — это признак , мера соотношения двух стабильных изотопов углерода изотопный — ¹³С и ¹²C — указывается в тысячных частях (промилле, ‰). ^{[ 1 ]} Эта мера также широко используется в археологии для реконструкции диеты прошлого, в частности, для того, чтобы выяснить, употреблялись ли морские продукты или определенные виды растений. ^{[ 2 ]}

Определение в промилле :

\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 стандарт является установленным эталонным материалом .

д ¹³C меняется во времени в зависимости от продуктивности, характера неорганического источника, захоронения органического углерода и типа растительности. Биологические процессы преимущественно поглощают изотопы 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 ]}

Эталонный стандарт

Стандартом, установленным для работы с углеродом-13, был белемнит Пи-Ди (PDB) и был основан на меловом морском ископаемом Belemnitella americana , которое было из формации Пиди в Южной Каролине . Этот материал имел аномально высокий ¹³С: ¹²Коэффициент C (0,0112372 ^{[ 4 ]}), и был установлен как δ ¹³Значение C равно нулю. Поскольку исходный образец PDB больше не доступен, его ¹³С: ¹²Коэффициент C можно рассчитать обратно по широко используемому карбонатному стандарту NBS-19, который имеет δ ¹³Значение C +1,95‰. ^{[ 5 ]} ¹³С: ¹²Коэффициент C NBS-19 был указан как $0.011078/0.988922=0.011202$ . ^{[ 6 ]} Следовательно, можно было вычислить ¹³С: ¹²Коэффициент C PDB, полученный из NBS-19, как $0.011202/(1.95/1000+1)=0.011202/1.00195=0.01118$ . Обратите внимание, что это значение отличается от широко используемого PDB. ¹³С: ¹²Коэффициент C 0,0112372, используемый в изотопной криминалистике. ^{[ 7 ]} и ученые-экологи; ^{[ 8 ]} это несоответствие ранее было объяснено автором Википедии ошибкой знака при взаимном преобразовании стандартов, но ссылка не была предоставлена. Использование стандарта PDB дает большинству натуральных материалов отрицательное значение δ. ¹³С. ^{[ 9 ]} Например, материал с коэффициентом 0,010743 будет иметь δ ¹³Значение C −44 ‰ от $(0.010743\div 0.01124-1)\times 1000$ . Стандарты используются для проверки точности масс-спектроскопии ; поскольку изотопные исследования стали более распространенными, спрос на стандарт исчерпал предложение. Другие стандарты, откалиброванные по тому же соотношению, в том числе известный как VPDB (от «Венский PDB»), заменили оригинал. ^{[ 10 ]} ¹³С: ¹²Коэффициент C для VPDB, который Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) определяет как δ. ¹³Нулевое значение C составляет 0,01123720. ^{[ 11 ]}

Причины δ ¹³Варианты C

Метан имеет очень легкий δ ¹³Сигнатура C: биогенный метан -60‰, термогенный метан -40‰. Выброс большого количества клатрата метана может повлиять на глобальное δ ¹³Значения C соответствуют палеоцен-эоценовому термическому максимуму . ^{[ 12 ]}

Чаще всего на соотношение влияют различия в первичной продуктивности и органическом захоронении. Организмы преимущественно поглощают свет ¹²C и имеют δ ¹³Сигнатура C около -25 ‰, в зависимости от пути метаболизма . Поэтому увеличение δ ¹³C в морских окаменелостях указывает на увеличение обилия растительности. ^{[ нужна ссылка ]}

Увеличение первичной продуктивности вызывает соответствующий рост δ ¹³Значения C как более ¹²C заключен в растениях. Этот сигнал также является функцией количества захороненного углерода; когда органический углерод захоранивается, более ¹²C блокируется из системы в отложениях, чем фоновое соотношение.

Геологическое значение δ ¹³С экскурсии

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

Положительные и отрицательные экскурсии

Положительное δ ¹³Экскурсии углерода интерпретируются как увеличение захоронения органического углерода в осадочных породах после резкого увеличения первичной продуктивности, снижения степени разложения в бескислородных условиях океана или того и другого. ^{[ 15 ]} Например, эволюция крупных наземных растений в позднем девоне привела к увеличению захоронения органического углерода и, как следствие, к увеличению δ ¹³С. ^{[ 16 ]}

Отрицательный δ ¹³Аномалии углерода, которые, как считается, представляют собой снижение первичной продуктивности и выброса растительного углерода, часто знаменуют собой массовое вымирание .

Озерная среда

Другие важные применения δ ¹³C предполагает понимание его признаков в мягких отложениях, особенно в озерной среде. Это зависит от системы, из которой он извлекается (открытая система, закрытая система и т. д.). Временные изменения $δ$ ¹³На C в органическом веществе влияют разнообразные внутренние и внешние процессы: ^{[ 17 ]}

Изменения в доминирующем источнике растворенного неорганического углерода. В стратифицированных озерах накопление углерода, обедненного 13C, в глубокой воде является обычным явлением, поскольку в этот пул вносят свой вклад тонущие и разлагающиеся клетки фитопланктона. Рециркуляция этой воды на поверхность может привести к значительному снижению $δ.$ ¹³С. Длительная стратификация обогащает пул растворенного неорганического углерода (DIC) в эпилимнионе 13С. Долгосрочные изменения факторов, влияющих на интенсивность или глубину апвеллинга, таких как ветер, температура воды или стратификация, связанная с соленостью, проявляются как сдвиги между более отрицательными и положительными $δ.$ ¹³ С. Значения
Изменения в продуктивности/эвтрофикации: Повышенная продуктивность ускоряет перенос органических веществ с отрицательным $δ.$ ¹³Значения C в гиполимнионе, влияющие на $δ$ ¹³C остаточного эпилимнетического ДВС-синдрома. Это воздействие в сочетании с эффектами смешивания приводит к изменениям $δ$ ¹³ С. Сигнал
Изменения в метаболических путях фиксации углерода: Серьезные изменения в щелочности озера влияют на первичную продукцию бентоса и планктона. Сдвиги в доминирующем источнике DIC для фотосинтеза, вызванные изменениями pH, могут привести к тенденциям к более положительному $δ.$ ¹³C , особенно в озерах, в которых преобладает автохтонное органическое вещество и наблюдается высокая щелочность.
Изменения в наличии растворенного CO ₂ : Холодная вода может растворять более высокие концентрации CO _2, чем более теплая вода, что влияет на $δ.$ ¹³C в органических веществах во время похолоданий. в атмосфере _{CO 2} Изменения концентрации $также влияют на δ$ ¹³C , с более низким pCO ₂ во время ледниковых периодов, вызывающим изотопную дискриминацию у растений, использующих растворенный CO ₂ .
Изменения в доминирующей растительности в пределах водораздела: Изменения в растительности водораздела, особенно переходы между путями фотосинтеза C3 и C4, существенно изменяют изотопный состав углерода в озерных отложениях. Эти изменения могут указывать на более широкие палеоклиматические сдвиги.
Диагенетические тенденции: Диагенетические процессы, такие как потеря реактивных компонентов, таких как аминокислоты, приводят к устойчивым сдвигам $δ.$ ¹³С в органических веществах. Болотные отложения, богатые углеродом, демонстрируют сдвиг в сторону более отрицательного содержания органического вещества. Эти диагенетические тенденции следует учитывать при интерпретации изотопных изменений, сопровождающих основные изменения общего органического углерода (ТОС) или метаногенеза.

Понимание этих процессов имеет решающее значение для интерпретации $δ.$ ¹³Вариации углерода в озерных отложениях и реконструкция палеоэкологических условий.

Основные экскурсионные мероприятия

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

Шунгино-франвильское событие (2080 млн лет назад) Палеопротерозой - Отрицательный экскурс

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

Ступенчатый положительный экскурс изотопов углерода (494,6-492 млн лет назад) Палеозой - Положительный экскурс

Иревикенское событие (433,4 млн лет назад) Палеозой - Положительный экскурс

Событие Мулде (427 млн лет назад) Палеозой - Положительный экскурс

Событие Лау (424 млн лет назад) Палеозой - Положительный экскурс

Пограничное событие сеномана и турона (93,9 млн лет назад) мезозой - Положительный экскурс

Палеоцен-эоценовый термальный максимум (55,5 млн лет назад) кайнозой - отрицательный экскурс

См. также

Ссылки

^ Либес, Сьюзен М. (1992). Введение в морскую биогеохимию, 1-е издание . Нью-Йорк: Уайли.
^ Шварц, Генри П.; Шёнингер, Маргарет Дж. (1991). «Анализ стабильных изотопов в экологии питания человека» . Американский журнал физической антропологии . 34 (С13): 283–321. дои : 10.1002/ajpa.1330340613 .
^ МакДермотт, Дж. М., Зеевальд, Дж. С., Герман, К. Р. и Сильва, С. П., 2015. Пути абиотического органического синтеза на подводных гидротермальных полях . Труды Национальной академии наук, 112 (25), стр. 7668–7672.
^ Крейг, Хармон (1 января 1957 г.). «Изотопные стандарты углерода и кислорода и поправочные коэффициенты для масс-спектрометрического анализа углекислого газа» . Geochimica et Cosmochimica Acta . 12 (1): 133–149. Бибкод : 1957GeCoA..12..133C . дои : 10.1016/0016-7037(57)90024-8 . ISSN 0016-7037 .
^ Брэнд, Вилли А.; Коплен, Тайлер Б.; Фогль, Йохен; Рознер, Мартин; Прохаска, Томас (20 марта 2014 г.). «Оценка международных эталонных материалов для анализа изотопных отношений (Технический отчет ИЮПАК)». Чистая и прикладная химия . 86 (3): 425–467. дои : 10.1515/pac-2013-1023 . hdl : 11858/00-001M-0000-0023-C6D8-8 . ISSN 1365-3075 . S2CID 98812517 .
^ 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 .
^ Мейер-Огенштейн, Вольфрам (28 сентября 2017 г.). Судебная экспертиза стабильных изотопов: методы и судебно-медицинские применения анализа стабильных изотопов (Второе изд.). Хобокен, Нью-Джерси. ISBN 978-1-119-08022-0 . OCLC 975998493 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
^ Миченер, Роберт; Лайта, Кейт , ред. (14 июля 2007 г.). Стабильные изотопы в экологии и науке об окружающей среде . Оксфорд, Великобритания: Blackwell Publishing Ltd. doi : 10.1002/9780470691854 . ISBN 978-0-470-69185-4 .
^ Обзор исследований стабильных изотопов . Лаборатория стабильных изотопов/биологии почвы Института экологии Университета Джорджии.
^ Миллер и Уиллер, Биологическая океанография , с. 186.
^ «Справочные материалы и материалы взаимного сравнения стабильных изотопов легких элементов» (PDF) . Международное агентство по атомной энергии. 1995.
^ Панчук К.; Риджвелл, А.; Кумп, ЛР (2008). «Осадочная реакция на палеоцен-эоценовый термический максимум выброса углерода: сравнение модельных данных». Геология . 36 (4): 315–318. Бибкод : 2008Geo....36..315P . дои : 10.1130/G24474A.1 .
^ Реталлак, Дж.Дж. (2001). «Кайнозойское расширение лугов и похолодание климата». Журнал геологии . 109 (4): 407–426. Бибкод : 2001JG....109..407R . дои : 10.1086/320791 . S2CID 15560105 .
^ О'Лири, Миннесота (1988). «Изотопы углерода в фотосинтезе». Бионаука . 38 (5): 328–336. дои : 10.2307/1310735 . JSTOR 1310735 .
^ Кэнфилд, Дональд Э.; Нгомби-Пемба, Лаурисс; Хаммарлунд, Эмма У. (15 октября 2013 г.). «Динамика кислорода после Великого окисления земной атмосферы» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 110 (42): 16736–16741. Бибкод : 2013PNAS..11016736C . дои : 10.1073/pnas.1315570110 . ПМК 3801071 . ПМИД 24082125 .
^ Иоахимск, ММ; Буггиш, В. «МАССОВОЕ ВЫМИРАНИЕ ПОЗДНЕГО ДЕВОНА – ВОЗДЕЙСТВИЕ ИЛИ ЗЕМНОЕ СОБЫТИЕ?» (PDF) . Лунно-планетарный институт .
^ Коэн, Эндрю С. (08 мая 2003 г.), «Геологическая эволюция озерных бассейнов» , Палеолимнология , Oxford University Press, doi : 10.1093/oso/9780195133530.003.0006 , ISBN 978-0-19-513353-0 , получено 19 декабря 2023 г.

Дальнейшее чтение

Миллер, Чарльз Б.; Патрисия А. Миллер (2012) [2003]. Биологическая океанография (2-е изд.). Оксфорд: Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-1-4443-3301-5 .
Мук, В.Г. и Тан, ФК (1991). Стабильные изотопы углерода в реках и эстуариях. Биогеохимия крупнейших рек мира, 42, 245–264.

[1] Либес, Сьюзен М. (1992). Введение в морскую биогеохимию, 1-е издание . Нью-Йорк: Уайли.

[2] Шварц, Генри П.; Шёнингер, Маргарет Дж. (1991). «Анализ стабильных изотопов в экологии питания человека» . Американский журнал физической антропологии . 34 (С13): 283–321. дои : 10.1002/ajpa.1330340613 .

[3] МакДермотт, Дж. М., Зеевальд, Дж. С., Герман, К. Р. и Сильва, С. П., 2015. Пути абиотического органического синтеза на подводных гидротермальных полях . Труды Национальной академии наук, 112 (25), стр. 7668–7672.

[4] Крейг, Хармон (1 января 1957 г.). «Изотопные стандарты углерода и кислорода и поправочные коэффициенты для масс-спектрометрического анализа углекислого газа» . Geochimica et Cosmochimica Acta . 12 (1): 133–149. Бибкод : 1957GeCoA..12..133C . дои : 10.1016/0016-7037(57)90024-8 . ISSN 0016-7037 .

[5] Брэнд, Вилли А.; Коплен, Тайлер Б.; Фогль, Йохен; Рознер, Мартин; Прохаска, Томас (20 марта 2014 г.). «Оценка международных эталонных материалов для анализа изотопных отношений (Технический отчет ИЮПАК)». Чистая и прикладная химия . 86 (3): 425–467. дои : 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-Огенштейн, Вольфрам (28 сентября 2017 г.). Судебная экспертиза стабильных изотопов: методы и судебно-медицинские применения анализа стабильных изотопов (Второе изд.). 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. (14 июля 2007 г.). Стабильные изотопы в экологии и науке об окружающей среде . Оксфорд, Великобритания: Blackwell Publishing Ltd. doi : 10.1002/9780470691854 . ISBN 978-0-470-69185-4 .

[UGa-9] Обзор исследований стабильных изотопов . Лаборатория стабильных изотопов/биологии почвы Института экологии Университета Джорджии.

[BO_186-10] Миллер и Уиллер, Биологическая океанография , с. 186.

[IAEA-11] «Справочные материалы и материалы взаимного сравнения стабильных изотопов легких элементов» (PDF) . Международное агентство по атомной энергии. 1995.

[Panchuk2008-12] Панчук К.; Риджвелл, А.; Кумп, ЛР (2008). «Осадочная реакция на палеоцен-эоценовый термический максимум выброса углерода: сравнение модельных данных». Геология . 36 (4): 315–318. Бибкод : 2008Geo....36..315P . дои : 10.1130/G24474A.1 .

[Retallack2001-13] Реталлак, Дж.Дж. (2001). «Кайнозойское расширение лугов и похолодание климата». Журнал геологии . 109 (4): 407–426. Бибкод : 2001JG....109..407R . дои : 10.1086/320791 . S2CID 15560105 .

[14] О'Лири, Миннесота (1988). «Изотопы углерода в фотосинтезе». Бионаука . 38 (5): 328–336. дои : 10.2307/1310735 . JSTOR 1310735 .

[15] Кэнфилд, Дональд Э.; Нгомби-Пемба, Лаурисс; Хаммарлунд, Эмма У. (15 октября 2013 г.). «Динамика кислорода после Великого окисления земной атмосферы» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 110 (42): 16736–16741. Бибкод : 2013PNAS..11016736C . дои : 10.1073/pnas.1315570110 . ПМК 3801071 . ПМИД 24082125 .

[16] Иоахимск, ММ; Буггиш, В. «МАССОВОЕ ВЫМИРАНИЕ ПОЗДНЕГО ДЕВОНА – ВОЗДЕЙСТВИЕ ИЛИ ЗЕМНОЕ СОБЫТИЕ?» (PDF) . Лунно-планетарный институт .

[17] Коэн, Эндрю С. (08 мая 2003 г.), «Геологическая эволюция озерных бассейнов» , Палеолимнология , Oxford University Press, doi : 10.1093/oso/9780195133530.003.0006 , ISBN 978-0-19-513353-0 , получено 19 декабря 2023 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]