文章编号:1000-2634(2003)01-0012-04
碳酸盐岩碳、氧同位素分析激光微取样技术
Ξ
何道清
(西南石油学院电子信息工程学院,四川南充637001)
氧同位素分析激光微取样技术是利用高能聚焦激光束与碳酸盐岩样品作用,热分解产生CO 2气同位素值。其空间分辨率优于20μm ,能有效地对碳酸盐岩各细微组
以满足同位素地质学研究的需要。经标样测定,δ13C 和δ18
O 的最好分析精度可达±0.22‰(
σ),与,δ18O 分馏明显关键词:激光微取样;碳酸盐岩;同位素分析
中图分类号:TE122.221; TN249 文献标识码:A
碳酸盐岩稳定同位素(δ13C 和δ18
O )分析是碳酸
盐岩地球化学研究的一个重要组成部分[1]。C 、O 同位素分析资料在碳酸盐岩含油气地质研究中有着广泛的应用。然而,碳酸盐岩碳、氧同位素分析的常规磷酸溶解法受到手工和钻具取样的限制,其空间分
辨率一般大于500μm ,所需样品量大于10mg 。而反映碳酸盐岩成因的结构组分(鲕粒、沙屑、胶结物等)一般情况下都小于500μm ,通常不能分别对碳酸盐岩的结构组分进行C 、O 同位素分析。这就使其在碳酸盐岩同位素地质学和油气储层地质学的研究中受到很大的限制。因此,提高碳酸盐岩碳、氧同位素分析的空间分辨率变得越来越重要。Jones (1986)提出用激光束(激光探针)来取代钻具,因为激光探针有较高的空间分辨率(10～20μm )[3]。然而,激光取样代替磷酸溶解法将会带来一系列的问题。激光取样法是热分解产生CO 2,而磷酸分解法是化学作用过程,两者之间会产生同位素分馏的差异,怎样进行实验对比及其地质应用?20世纪80年代末至90年代初,许多研究者在这方面进行过一些研究,并取得一定成果[5,9,11]。
1 激光微取样碳酸盐岩碳、氧同位素
分析原理和实验装置
碳酸盐岩碳、氧同位素分析的常规方法是McMree (1950)提出的磷酸法,即将岩样与磷酸作用生成CO 2气样(CaCO 3+H 3PO 4→Ca 3(PO 4)2+H 2O +CO 2),送气体质谱仪分析测定其C 、O 同位素值[2]。该方法的不足之处主要是:分析的岩矿样品须进行繁琐的岩矿分离且所需样品量较大(>10mg ),空间分辨率低(>500μm ),不能满足油气勘探及其它地质需要;反应时间长;同位素分析结果受磷酸浓度、反应温度和反应时间等因素影响。鉴于此,20世纪90年代以来,国外一些研究者[3,4,6,9,10]提出并进行激光微取样稳定同位素分析。该方法是将高能量的聚焦激光束(激光探针)对碳酸盐岩样品高温加热分解产生CO 2气体(CaCO 3→CaO +CO 2),送质谱仪分析测定其C 、O 同位素值,实现“微区”原位取样以达到对C 、O 同位素分析具有较高的空间分辨率和与常规分析方法相当的精度。激光微取样稳定同位素分析系统主要由激光器、显微镜及影像系统、样品盒与真空提纯线、质谱仪等部分组成(如图1所示)。将Nd ∶YA G 激光器与改装后的显微镜同轴安装,高能量的激光束经显微镜物镜聚焦(约20μm )在真空样品盒内的薄片样品上,以足够的能量对碳酸盐岩样品高温加热分解产生CO 2气体,再经真空冷冻提纯线净化后,纯净
第25卷 第1期 西南石油学院学报
Vol.25 No.1 2003年 2月 Journal of S outhwest Petroleum Institute Feb 2003
Ξ收稿日期:2002-05-09
基金项目:国家专利部分内容(Z L 206066.6)。
作者简介:何道清(1947-),男(汉族),四川南充人,副教授,从事检测技术及仪器仪表教学、科研工作。
的CO 2气样送质谱仪(MA T251/252等)微进样系统供质谱分析测定其C 、O 同位素值(δ13C 和δ18
O )
。
图1 激光微取样稳定同位素分析系统示意图
激光器是同位素分析系统的关键设备,其作用主要是对样品“微区”加热分解取样;其性能和质量决定同位素分析的空间分辨率和精度;其技术关键
是:聚焦激光束斑要小(<20μm ),输出激光束的能量足够高(聚焦激光束照射到样品表面要有适当的温度(约2000K )使样品瞬间加热分解
。
图2 激光束在岩石样品薄片上烧蚀的痕迹,SEM 照片
鉴于此,选用Nd ∶YA G 固体激光器作为对样品
“微区”加热分解取样的激光能源(取样激光器),它输出波长为1064nm 的近红外相干激光束,容易用一般光学透镜聚焦。利用小孔光栏(Φ3mm )选模,使其输出激光模式为基模(TEM 00),增加YA G 激光晶体的长径比(YA G 晶体长为120mm ,直径Φ4mm ,长径比为30∶1)和加6×扩束镜以提高输出激
光束的平行度(发散角<3mrad ),这些技术措施有利于激光束的聚焦,实际聚焦束斑优于20μm (通过测量激光束与岩石样品作用产生的熔坑尺寸来确定,如图2所示)。使用氪灯作为Nd ∶YA G 激光器的泵浦能源,工作电流7～30A 连续可调,产生5～50W 的输出能量。激光能量输出有连续(CW )和脉冲(Q 开关)两种方式,CW 方式用以对一般岩石样品取样,Q 开关方式输出比平均功率高几千倍的脉冲峰值功率,有利于对吸收性差(透明晶体)和难熔样品的加热分解取样。
Nd ∶YA G 激光器产生的激光束处于近红外区,是不可见光。为了使激光束准确地聚焦在选取的样品靶位上,配备低能(1mW )He 2Ne 准直激光器与Nd ∶YA G 激光器同轴安装进行导光。He 2Ne 激光器输出632.8nm 的可见红光,可以在显微镜下看到它聚焦在样品靶位上的一个小红点,这也就是YA G 激光束在样品上的取样点。
2 激光微取样实验方法
激光微取样稳定同位素分析过程包括样品制
备、激光取样净化和质谱分析三部分。2.1 样品制备
岩石样品应切割磨制成50～100μm 的薄片,只一面抛光,取样表面以不抛光为好。在激光取样之前,须除去样品中的有机质和水份。其方法是利用烘箱加热到100℃进行烘烤1小时左右;或者在样
3
1第1期 何道清等: 碳酸盐岩碳、氧同位素分析激光微取样技术
品盒内利用激光器连续工作方式的低能量激光束或散焦状态,缓慢地对样品加热到约400℃。薄片样品应避免使用环氧树脂或其它粘接剂粘接,因为它们会在真空系统中放出气体,并且可能影响C同位素的分析结果。因此,应将未染色的样品薄片静放(不粘接)在样品盒内的玻璃载片上适当位置,并用小钢体固定。
2.2 取样净化
在激光取样之前,首先在显微镜下对样品薄片进行岩石学观察,确定结构组分、胶结物和交代物世代,在此基础上选取需分析的区域或结构,并用He2 Ne激光束聚焦定位;其次在显微镜下观察、监控YA G激光束相对于一定样品的最佳工作条件(工作方式、Q开关脉冲频率、输出能量功率,以及载物台移动速率等)的试验,以保证最佳取样分析;然后再将YA G取样激光束聚焦在选取的样品靶位上加热分解取样。若对生长带取样,则还应在显微镜下调节样品方位,使其生长带平行于显微镜载物台的X 轴或Y轴,激光取样时按一定速率沿X或Y方向移动载物台,激光束便沿生长带扫描取样。一般情况下,束班直径约20μm,穿透深度30～50μm,如果取样区域长度为1mm,则对应约10μg碳酸盐岩样品,这样便能产生足够的CO2气体(约2μL)供质谱分析。颗粒样品可以仿上尺度估计取样量。
对于光亮或难熔岩矿样品,如石英、方解石、白云石等,它们对YA G激光器输出的1064nm的激光束透射率高、吸收少,不易于热分解取样。克服办法除尽可能提高激光器的输出能量(氪灯电流可调到约25A)和选取Q开关方式(脉冲频率以1kHz为好)外,主要有:(1)对光亮样品进行染色处理,以提高其对激光的吸收性能;(2)使激光束在裂缝或包体处开始熔化(一旦激光束“着火”熔解样品,当激光束再沿着带扫描时,通常会继续熔化)[9];(3)在激光热分解取样之前,用连续工作方式较低功率(14～18 A)激光束对需要分析区域作一通道,这种方法很容易引起微裂纹扩展,把透明晶体变成半透明晶体,这样随后就容易产生样品吸热熔解的现象;(4)使取样表面粗糙,即在样品制备时,使其取样表面不抛光。
整个取样过程应在高真空状态(好于3×10-2 Pa)下进行,对热分解取样过程中产生的气体必须进行真空液氮冷冻提纯,以去除可能产生的CO、H2O、O2等污染物,获取纯净的CO2气样供分析。
2.3 质谱分析
将取样管收集的CO2气体导入气体同位素质谱仪(MA T251/252)的微量进样系统,通过毛细管进入质谱仪分析测试系统,选择合适的分析方法,采用国家一级标准物质G BW4406和威117井纯白云岩作为测试标准物质,测定CO2气样的C、O同位素组成,一般表示成δ13C PDB和δ18O PDB[1]。
3 激光微取样系统性能指标
由于激光微取样稳定同位素分析是利用激光的热作用使CaCO3样品分解产生CO2,而常规分析方法是CaCO3样品与H3PO4作用产生CO2。两种过程的同位素分馏效应是有差别的。因此,激光微取样方法获得的C、O同位素值与常规方法所获得的C、O同位素值存在对比、校正问题。
激光热作用时,CaCO3熔解成为CO2和CaO。所有的C都转化成CO2,这表明C的同素位分馏作
这就表明它会引起O同素位,[7]
致。来自激光作用的CO2的δ18O与原生CaCO3的δ18O值有一个差值,大约1.59‰～1.72‰。这与文献[5]的值(δ18O的分馏效应在1.67‰～1.81‰之间,平均1.71‰)相近。
为了保证分析的准确性和可靠性,我们选用标准物质G BW4406化学纯CaCO3粉末和威117井纯白云岩对该系统进行标定,并建立一套标准化分析程序。标定结果如表1所示。
从表1所示标准物质标定结果可见,两种标样中,δ13C的值符合很好,测试标准偏差分别为0.22‰和0.24‰;测试值与公认值比较,偏差0.27‰和0.07‰。δ18O的测试标准差为0.38‰和0.57‰,但与公认值比较存在分馏效应,G BW4406的δ18O偏负1.72‰,威117井纯白云岩的δ18O偏负1.59‰,它们的分馏效应比较接近,可以进行同位素校正。这种标定结果与实验室常规分析方法的精度和文献[5,6,8]报导的激光微取样分析方法的结果相当,该系统测试的重复精度和准确度完全可以满足同位素地质学研究的需要。
41西南石油学院学报 2003年
对碳酸盐岩作C同位素分析时无明显分馏效应,可以直接利用激光微取样测试结果,而不必进行校正;作O同位素分析时,存在分馏效应,但其分馏效应对同种矿物是一个常量,容易校正,只要对方解石质碳酸盐给以1.7‰的分馏校正而对白云石质碳酸盐给以1.6‰的分馏校正后,便可直接采用。
表1 标准物质激光微取样同位素分析值
标样名称Q开关
/kHz
氪灯功率
(电流/A)
δ13C
(PDB,‰)
δ18O
(PDB,‰)
G BW4406
(δ13C=
-10.85±0.05;
δ18O=
-12.40±0.15)1.020-10.959-14.113 CW22-10.497-14.458 CW23-10.754-14.005 1.021-10.615-13.553 1.021-10.415-14.070 1.022-10.531-14.050 CW23-10.601-14.672 1.023-10.642-13.438 1.022-10.390-14.449 1.022-10.337-14.398 1.022-10.634-14.172
平均 -10.58±0.22-14.12±0.38△ 0.27 1.72
威117井
白云岩(δ13C=-0.46δ18O=-12.36)CW23-0.353-14.687 1.021-0.102-14.130 CW23-0.435-14.619 CW23-0.419-14.181 1.022-0.026-13.116 1.020-0.731-13.510 1.022-0.383-13.423 1.022-0.641-13.930
平均 -0.39±0.24-13.95±0.57
△ 0.07 1.59
注: CW—激光连续输出方式;△=测量值—公认值
标定中还发现,激光器的工作方式对C、O同位素的测定几乎没有影响,δ18O的分馏效应也与激光器的工作方式无关。这种分馏效应可能是由于激光与样品高温瞬间作用产生的一种温度效应。
4 结 论
碳酸盐岩碳、氧同位素分析激光微取样是一种利用很少样品产生CO2的有效方法,其空间分辨率优于20μm;δ13C和δ18O的最好分析精度可达±0.22‰(σ),与常规分析方法的精度相当;激光微取样过程碳同位素没有显著的分馏,而氧同位素分馏明显,但对同种矿物是一个常量,容易校正(经标样测试,对方解石质碳酸盐校正1.7‰,白云石质碳酸盐校正1.6‰)。激光微取样能有效地对碳酸盐岩各细微结构组分世代胶结物和交代物分别取样测定C、O同位素值,提供碳酸盐沉积物沉积后的成岩作用过程中的同位素准确信息,从而促进对碳酸盐岩油气储层孔隙演化及成岩过程的研究,它在油气勘探和同位素地质学研究中具有非常重要的实际意义和很好的应用前景。
本文受到西南石油学院院206项目资助。
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第1期 何道清等: 碳酸盐岩碳、氧同位素分析激光微取样技术
JOURNAL OF SOUTHWEST PETROL EUM INSTITUTE Vol.25 No.1 Feb2003
[ABSTRACT]
THE CHARACTERISTICS OF FAU LT SYSTEM AN D ITS CONTR OL R OLE T O PETR OLEUM Z ONE IN Q AIDAM BASIN
LUO Qun(University of Petroleum,Changping Beijing 102200,China),PAN G Xiong2qi.JOU RNAL O F S OU T H2 W ES T PET ROL EU M IN S TI TU T E,V OL.25,N O.1,1-5, 2003(ISS N1000-2634,IN CHIN ES E)
Because of the differences of the basement fault and base2 ment lithology as well as stress environment,three distinctive kinds of fault systems are developed respectively during evolu2 tion history of Qaidam basin,which are northern margin,mid2 dle region of the basin and north Kunlun Mount.They domi2 nate seven petroleum zones-northern margin,Y ili Ping to G ansheng Lake,middle region,middle2south rift,hero peak to Mangya depression,south Arjin Mountain and north Kunlun Mount,different in hydrocarbon accumulation and formation. The middle2south rift region is the sole one district where no petroleum pool has been found so far.In this paper,we believe that in the middle2south rift region there are better conditions of formation of petroleum reservoir and it will be a strategically im2 portant breakthrough region for oil and gas exploration.
K ey w ords:Qaidam basin;fault system;petroleum zone; reservoir formation
A NEW WE LL LOGGING INTERPRETATION MODE L E2 VA L UATING FRACTURE PARAMETER OF CAR
B ONATE RESERV OIR
CHEN K e2gui(S outhwest Petroleum Institute,Nanchong Sichuan637001,China),MU Shu2guang,WEI Cai2ru,et al. JOU RNAL O F S OU T HW ES T PET ROL EU M IN S TI TU T E, V OL.25,N O.1,6-8,2003(ISS N1000-2634,IN CHI2 N ES E)
The structure feature,fractural feature and fracture devel2 opment law in middle-deep target formations in Tertiary car2 bonate gas condensate reservoir in Nanyishan structure are stud2 ied and evaluated in detail by means of drillingdata and multiple2 well logging data correlation,evaluation of fracture parameter of fractured carbonate by logging data is worked out,and well log2 ging in terpretation model is put forward for evaluating fracture porosity and permeability based on structural position character2istics,The result is coincident with drilling data and well testing data.
K ey w ords:carbonate rock;fracture evaluation;well log2 ging;interpretation model
APPL ICATION OF SONIC LOGGING IN AVERAGE VE2 LOCIT Y FIE LD
XIE Rui2jie(University of Petroleum,Changping Beijing 102200,China),ZHU Guang2sheng,Q I Jia2fu,et al.JOU R2 NAL O F S OU T HW ES T PET ROL EU M IN S TI TU T E,V OL. 25,N O.1,9-11,2003(ISS N1000-2634,IN CHIN ES E) S onic logging has been seldom applied in average velocity field,owing to some limits of data collection and defection of sonic logging.S onic logging can be adjusted to VSP through drift calculation of sonic logging,drift correction of sonic log2 ging and calculation of compensation time of shallow layer. Therefore acoustic logging is used to correct velocity spectrum in average velocity field.The average velocity field with maximum absolute error of54m/s and maximum relative error of less than2%in X J area is tested by using VSP of two new wells.
K ey w ords:sonic logging;drift of sonic logging;compen2 sation time of the shallow layer;average velocity field;X J area
THE LASER MICR O2SAMPL ING TECHNIQUE FOR ANA L2 YSIS OF C AN D O ISOT OPE IN CARB ONATE
HE Dao2qing(S outhwest Petroleum Institute,Nanchong Sichuan637001,China),JOU RNAL O F S OU T HW ES T PET ROL EU M IN S TI TU T E,V OL.25,N O.1,12-15, 2003(ISS N1000-2634,IN CHIN ES E)
The process of laser micro2sampling for analysis of C and O isotope in carbonate minerals is to focus a high2power laser beam on a carbonate sample to liberate CO2gas.Then the CO2gas is purified and sent into a mass spectrometer for isotope analysis of C and O,and its spatial resolution rate is more than20μm.It is an effective way of separately producing CO2gas from all kinds of fine structure composition in carbonate to meet the need of isotope geology studies.Fractionation and reproducibility are characterized by analyzing carbonate standards:the optimal pre2 cision is approximately±0.22‰(σ)for bothδ13C andδ18O in
Ⅰ
No1 Journal of S outhwest Petroleum Institute
carbonate standards,which is the same as what is gained in conventional acid dissolution method;δ13C is not evident in fractionation during laser micro2sampling,whileδ18O is.This precision is constant(calcite,- 1.72‰;dolomite,- 1.59‰) for the same mineral and it can thus easily be corrected.The laser micro2sampling has been mainly used to analyze the iso2 topes of C and O in carbonate reservoir rocks and the isotope values.Meanwhile it can well explain the diagenesis process and porosity evolution of container rock.
K ey w ords:laser micro2sampling;carbonate;isotope anal2 ysis
THE RE LATIONS BETWEEN THE ACTION OF THERMA L F L UID IN FORMATION AN D ORG ANISM EV OL UTION
ZEN G Zhi2ping(China University of G eosciences,Wuhan Hubei430074,China),N I Jian2hua,WAN G Min2fang,et al. JOU RNAL O F S OU T HW ES T PET ROL EU M IN S TI TU T E, V OL.25,N O.1,16-19,2003(ISS N1000-2634,IN CHI2 N ES E)
Thermal fluid in formation is a geologic concept and is the function of pressure and temperature in a basin.Concerning thermal fluid in formation,abnormal temperature field and ab2 normal pressure field are studied,then the influence of thermal fluid on organism evolution is considered.Basedon existed re2 search achievement to thermal fluid,it is pointed out that ther2 mal fluid can act as promotion and encumbrance when it act on organism in formation.
K ey w ords:thermal fluid in formation;temperature filed; pressure field;hydrocarbon evolution
STU DY OF SE DIMENTAR Y FACIES OF BIOC LASTIC L IMEST ONE MEMBER,CARB ONIFER OUS,TARIM BASIN
MA Qing(S outhwest Petroleum Institute,Nanchong Sichuan637001,China),WAN G Zhen2yu,WAN G Xing2zhi, et al.JOU RNAL O F S OU T HW ES T PET ROL EU M IN S TI2 TU T E,V OL.25,N O.1,20-24,2003(ISS N1000-2634, IN CHIN ES E)
The sedimentary facies of Carboniferous Bioclastic Lime2 stone Member is mainly classified into shore and carbonate plat2 form facies in Tarim basin.In the paper,two depositional mod2 els are established by comprehensive analysis:they are the clas2 tic shore to carbonate platform model and the carbonate in2 traplatform model.Terrigenous clastic and mixed shore facies are mainly distributed in the north of Tarim basin.Evaporate platform facies are spread in the east of the4wells in middle Tarim and in Qikuqiake area,and the best dolostone reservoirs are largely located there,too.In other areas the restricted and semi2restricted platform facies are distributed.At the end of the paper,we discuss the sedimentary facies evolution in Carbonif2 erous Bioclastic Limestone Member.
K ey w ords:Tarim basin;carboniferous;carbonate rock; sedimentary facies;sedimentary model
A STU DY ON THE RECOGNITION METHE D OF TIGHT SAN DST ONE G AS LAYERS
L I Yun2sheng(S outhwest Petroleum Institute,Nanchong Sichuan637001,China),ZEN G Yuan2qi,TIAN Jian2bo,et al.JOU RNAL O F S OU T HW ES T PET ROL EU M IN S TI2 TU T E,V OL.25,N O.1,25-28,2003(ISS N1000-2634, IN CHIN ES E)
It is more difficult to recognize a tight sandstone gas layer than a regular sandstone gas layer.The extremely poor porosity and permeability of the tight sandstone makes many traditional recognition methods less satisfying.Based on the well log mate2 rials from a gas field in northwestern Sichuan,This paper makes a detailed analysis of the recognition effects of several common methods as well as the factors affecting the results. S ome relatively reasonable proposals are presented for the refer2 ence of the trade.
K ey w ords:tight sandstone;gas reservoir recognition; well log;methods
NEW ADVANCES OF MODERN RESERV OIR AN D F L UID F LOW IN POR OUS ME DIA
Y AN Ji2sheng(Department of Rural and S ocial Develop2 ment,Ministry of Science and Technology of People’s Republic of China,Beijing100862,China),GE Jia2li.JOU RNAL O F S OU T HW ES T PET ROL EU M IN S TI TU T E,V OL.25, N O.1,29-32,2003(ISS N1000-2634,IN CHIN ES E) This paper discusses the new advances of the theory in two aspects,the essential non2Darcy’s state of fluid flow and the disorder in fluid flow studied by means of the fractal geometry. Based on the discussion and combination with other subjects,a new theory of syncretizing fluid flow in porous media with intel2 ligence technology is put forward,and then the basic regularity of intelligence technology propagation is thoroughly discussed. The research results are significant in crosslinking fluid flow in porous media with other subjects.
K ey w ords:fluid flow in porous medium;non2Darcy’s law;fractal geometry;intelligence technology;distribution;
ⅡAbstract 2003
第22卷 第4期世 界 林 业 研 究Vol.22 No.4 2009年8月World Forestry Research Aug12009 氢氧碳稳定同位素在植物水分利用策略研究中的应用3 徐 庆1 冀春雷1 王海英1 李 旸2 (1中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所,北京100091; 2中国林业科学研究院木材工业研究所,北京100091) 摘要:综述了氢氧碳稳定同位素的概念、示踪原理及其应用于定量确定植物水分来源、水分利用格局和水分利用效率等方面研究进展。同时展望了全球气候变化条件下,氢氧碳多种稳定同位素联合示踪先进技术在定量研究植物水分利用策略以及植被对全球气候变化的响应机制研究中的应用前景。 关键词:氢氧碳稳定同位素,植物水分来源,水分利用效率,水分利用策略 中图分类号:S718.51 文献标识码:A 文章编号:1001-4241(2009)04-0041-06 Use of St able Isotopes of Hydrogen,O xygen and Carbon to I den ti fy W a ter Use Stra tegy by Pl an ts Xu Q ing1 J i Chunlei1 W ang Haiying1 L i yang2 (1Research I nstitute of Forest Ecol ogy,Envir on ment and Pr otecti on,Chinese Academy of Forestry,Beijing 100091,China;2Research I nstitute of Wood I ndustry,Chinese Academy of Forestry,Beijing100091,China) Abstract:Stable is ot op ic technol ogy is a ne w method t o deter m ine s ources and utilizati on patterns of p lant water.The main advantage of this technol ogy is that it can p r ovide results of relatively high ac2 curacy and sensitivity.The pur pose of this paper is t o p resent an overvie w of the concep ts and theory of stable is ot ope tracing,and the methods of using stable is ot opes of hydr ogen,oxygen and carbon t o quantify s ources of p lant water and pattern and efficiency of p lant water use.This paper uses s ome exa mp les t o demonstrate how the stable is ot op ic technol ogy may be used t o address different issues re2 lated t o p lant water use strategies,and p r ovides s ome pers pectives on app licati ons of the advanced technol ogy of si m ultaneously tracing multi p le stable is ot opes(hydr ogen,oxygen and carbon)in stud2 ying mechanis m s of potential vegetati on res ponses t o gl obal cli m ate change. Key words:stable is ot opes of hydr ogen,oxygen and carbon,water s ource of p lant,water use effi2 ciency,water use strategy 水是植物生命活动中最活跃的成分之一,对植物生长发育、数量和分布具有显著影响,尤其在干旱和半干旱地区,水成为植物生长的主要限制因子[1]。全球气候变化的一个重要方面是区域降雨格局的变化[2],植物吸收和利用水分的模式一定程度上决定了生态系统对环境水分状况发生改变时的响应结果[3],因此,对植物水分利用策略及水分来源的了解,将有助于我们了解和预测降雨格局变化导致未来植被时空变化的规律[4],有助于林业科技人员根据生境选择合适的造林树种进行植被建设和恢复工作。氢氧碳稳定同位素示踪技术有较高的灵敏度与准确性,为定量研究植物水分来源,水分利用格局和水分利用效率等提供了新的技术手段。 3收稿日期:2009-04-30 基金项目:国家自然基金项目(30771712);“十一五”林业科技支撑项目(2006BAD03A04);948项目(2006-4-04) 作者简介:徐庆,女,中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所副研究员,博士,研究方向:稳定同位素生态学,E-mail:xu2 qing@https://www.doczj.com/doc/ca18502736.html,
碳稳定性同位素分析食物网中能量流动 YKK standardization office【 YKK5AB- YKK08- YKK2C- YKK18】
碳稳定性同位素分析食物网中能量流动 摘要：随着科学技术发展，稳定性同位素已经广泛应用在生态学研究的诸多领域。在研究食物网中能量流动关系时，稳定性同位素能提供更迅速、客观的分析。此次实验利用碳稳定性同位素技术对受到人类破坏或其他因素影响的选定区域分析其食物网中的能量流动，旨在研究该区域生物之间的能量流动关系，从而对该区域采取合理的保护措施。 关键词：碳稳定性同位素；食物网；能量流动；δ13C值 Carbon Stable Isotopeanalyzes Studies Energy Flux in Food Web ABSTRACT: Stable isotopehas been widely used in various fields in ecology studieswith the development of science and isotope can provide rapider and more objective analysis when researching energy flux relationship in the food web. In the process of this experiment, we analyze the energy flux relationship in the food web of the chosen areas that are destroyed by human beings or affected by other factors by means of carbon stable isotope technology, with the aim of researching the energy flux relationship among population in this area, consequently we can adopt reasonable protective measures in this areas. KEY WORDS: Carbon stable isotope；food web；energy flux；δ13C 一．研究背景 随着世界人口的持续增长和人类活动范围与强度的扩展和增加，地球上的生物多样性逐渐降低。例如，持续不断地砍伐树木已经导致世界上大量树木物种面临灭种的危险；环境污染使得动植物的栖息地环境遭到严重的破坏，致使物种数量锐减[1]。在某一区域中，动植物数量的减少还有一个很重要的原因，即某些因素（例如栖息地减少和改变、滥捕乱猎、外来物种的引入、污染等[2]）导致该区域部分动植物数量的减少，而这进一步通过该区域的食物网影响到区域中其他动植物的种类和数量，进而对整个区域各种生物体造成影响。 食物网是在生态系统中的生物成分之间通过能量传递关系存在着一种错综复杂的普遍联系，直接反映生态系统的结构和功能[3]。生产者制造有机物，各级消费者消耗这些有机物，生产者和消费者之间相互矛盾，又相互依存。不论是生产者还是消费者，其中某一种群数量突然发生变化，必然牵动整个食物网。食物网是生态系统长期发展的进化过程中形成的。人类活动使生态系统中某一生物体种群数量遭到破坏，将使生态平衡失调，甚至是生态系统崩溃[2]。因此，研究食物网中生物的能量流动关系，对于维持生态系统的稳定、利用动物间的相互制约来减缓人类活动对生态系统的破坏具有重要的意义。
MV_RR_CNG_0398地质样品有机地化测试有机质稳定碳同位素组成分析方法 1.地质样品有机地化测试有机质稳定碳同位素组成分析方法说明 2.地质样品有机地化测试有机质稳定碳同位素组成分析方法摘要 1 范围 本标准规定了有机质稳定碳同位素组成分析中质谱计的技术性能指标、样品制备、质谱分析的方法及精密度等。 本标准适用于原油及其各族组分、干酪根、煤、岩石沥青等各种沉积有机质和一切生物体有机质的稳定碳同位素组成分析。
本标准不适用含有碳酸盐矿物的有机物样品的稳定碳同位素组成分析。 2 方法提要 试样在流动氧同位素制样装置中分解燃烧，并进一步氧化，充分转化为CO2，所生成的H2O用冷冻法除去，在真空状态下去除杂质气体，经纯化后的CO2收集到样品管中，在气体稳定同位素比值质谱计上进行稳定碳同位素组成分析。 3 仪器和设备 3.1 气体同位素比值质谱计：具双进样系统、三束离子接收器的质谱计，要求具备技术性能指标如下： 3.1.1 灵敏度：S＞10 A/Pa(0.1 A/mbar)； 3.1.2 工作分辨率：M/ΔM＞95(10％峰谷)； 3.1.3 丰度灵敏度：A. S＜5×10-6； 3.1.4 测量精度：E. P＜0.04(‰)。 3.2 流动氧有机质碳同位素制样装置〔示意图见附录A(提示的附录)〕： 3.2.1 机械真空泵一台； 3.2.2 热偶真空计一台； 3.2.3 加热炉温度控制仪二台：温控范围室温～1 100℃； 3.2.4 带真空活塞的玻璃真空系统一套。 4 试剂和材料 4.1 线状氧化铜：分析纯。 4.2 无水乙醇：分析纯(或化学纯)。 4.3 高纯氧：纯度优于99.99％钢瓶氧气。 4.4 液氮：保存在杜瓦瓶中。 4.5 真空硅脂：7501型。 5 分析步骤 5.1 样品制备 5.1.1 燃烧样品：取原油样约1 mg～2 mg置于石英小舟中，燃烧生成的H2O由冷阱10在-45℃～-60℃的低温下捕集而除去。CO2由冷阱12在液氮低温(-196℃)下收集。 5.1.2 抽除氧气：当真空度约1 Pa，抽氧结束。 5.1.3 CO2转移：真空度约6 Pa，CO2转移结束。 5.1.4 抽除杂气。 5.2 质谱分析 5.2.1 开机：质谱计进样系统，分析系统抽真空。 5.2.2 预热：灯丝发射部件、离子加速电压(高压)部件、磁铁电流部件通电预热约1h，使其工作稳定。 5.2.3 “零”富集测试：样品(SA)及标样(ST)两个储样器中放进同一个工作标准ST-8301钢瓶CO2气，作“零”富集测试。 5.2.4 样品分析：进样系统样品SA一路引入样品CO2，标准ST一路引入工作标准ST-8301钢瓶CO2气，在已设定好实验条件下，作样品测量。测量前调整储样器中样品的压力，使样
2015年3月第35卷第1期 四川地质学报 Vol.35 No.1 Mar.，2015 157 川东南-湘西志留系砂岩胶结物碳、氧同位素特征 安 倩，黄 迪，朱志军，贾永斌，魏志崇，方鸿飞 （东华理工大学地球科学学院，江西 南昌 330013） 摘要：测试分析结果表明：川东南-湘西地区氧稳定同位素相对较轻，而碳同位素变化相较于氧同位素变化大，这种变化与水介质性质、古气候及沉积有机质来源量有关；研究区志留系小河坝组砂岩形成胶结物的孔隙流体与海相环境中保存下来的底水密切相关；碳酸盐胶结物中的碳来源于与甲烷细菌作用生成生物气有关的碳酸盐。 关键字：志留系；小河坝组；胶结物；碳氧同位素 中图分类号：P597 文献标识码：A 文章编号：1006-0995（2015）01-0157-04 DOI：10.3969/j.issn.1006-0995.2015.01.037 砂岩储层中碳酸盐胶结和溶解是影响储集层物性的重要因素之一。碳酸盐胶结物在碎屑岩储层中既是最常见的成岩产物，又是重要的自生矿物，具有成因多样性、分布普遍性、形成多期性等重要特点。不同期次的碳酸盐胶结物的形成可以有效的记录流体组分特征在成岩过程中的变化，尤其是胶结物中碳稳定同位素组成可以用来指示成岩流体中碳的来源，而氧稳定同位素可以用来估算其结晶时的温度和流体成分。碳酸盐胶结物中碳氧稳定同位素组成可以为判断其形成时的物质来源和地球化学特征等提供重要信息，进而有利于阐明成岩过程中孔隙流体演化史、次生孔隙形成机理和流体-岩石相互作用机制等基本的地质问题。因此，通过运用岩石学、矿物学和地球化学等多学科交叉渗透的方法来分析砂岩储集 层中碳酸盐胶结物的氧、碳同位素组成特 征，对研究碳酸盐胶结物的来源和成因具有一定的理论意义和实践意义，进而正确的评价砂岩储层的储集性能。本文对川东南-湘西志留系小河坝组砂岩中碳酸盐胶结物的碳、氧同位素特征进行研究，来探讨其形成环境及碳的来源。 1 地质背景 川东南-湘西地区主要位于四川盆地东南部油气地质条件优越的有利天然气富 收稿日期：2014-05-23 基金项目：国家自然科学基金项目（41362008）和江西省教育厅科技项目（GJJ14475）联合资助 作者简介: 安倩（1990－），女，江西九江人，硕士研究生，主要从事沉积地球化学研究工作 通讯作者：朱志军（1976－） ，男，博士，主要从事沉积学研究工作 图2 采样位置分布图 图1 研究区位置图(据王根海,2001）
新元古代极大无机碳同位素（δ13Ccarb）负漂移事件的最新 进展 摘要：新元古代晚期发生了地质历史上全球范围内最大的无机碳同位素（δ13Ccarb）负漂移事件，也被定义为“Shuram曲线（SE）事件”。传统观点认为SE事件反映了这一时期海洋碳循环的异常波动，极有可能源于海洋中超大型溶解有机碳库的氧化。然而，此种机制难以解释SE事件中部分现象如全球有机碳同位素（δ13Corg）较大的差异性。近几年来，不断有学者质疑上述观点，并认为SE事件遭受了成岩作用而不能反映原始的海洋碳循环过程。这一机制得到该时期碳酸盐岩氧同位素（δ18Ocarb）与δ13Ccarb间线性关系的支持，但难以解释SE事件中部分特征如SE事件的全球性。因此，目前关于SE事件的两种机制均具有一定的合理性但也存在一定程度的缺陷。 关键词：SE事件；超大型溶解有机碳库；成岩作用；新元古代 引言 过去几十年内，碳同位素地层学已作为全球地层对比的重要手段之一。前寒武纪，特别是新元古代化石的极度贫乏，导致生物地层学的缺失，进而导致这一时期碳同位素地层学被广泛的用于区域甚至全球地层划分和对比（Halverson et
al.，2005）。此外，碳与生命的新陈代谢密切相关。自养生物的代谢作用将无机碳转变为有机碳，而异养生物的代谢作用又将有机碳转变为无机碳。需要指出的是，光合自养生物易繁盛于氧化的沉积环境，而化能自养生物和异养生物则易繁盛于缺氧的沉积环境。因此，碳同位素也被用来示踪地质历史时期海洋化学的演化过程。 在新元古代化学地层学不断深入研究的过程中，一个非同寻常的碳同位素曲线首次报道于阿曼地区埃迪卡拉纪Shuram组（Burns and Matter，1993）。这一碳同位素曲线已被命名为“Shuram曲线（SE）事件”。在等级次序上，1000 Myr（百万年）内碳同位素曲线及其量级的记录显示最负的碳同位素发现于新元古代地层（图1）。 目前为止，两种机制被用来解释SE事件：（1）SE事件记录的是原始的碳同位素信号，可能源于埃迪卡拉纪超大型溶解有机碳库的氧化（Rothman et al.，2003；Fike et al.，2006；McFadden et al.，2008）；（2）SE事件记录的是遭受成岩作用的碳同位素信号（Derry，2010）。在前人研究的基础上，本文将着重评述和分析SE事件的两种机制。 1. Shuram曲线（SE）事件 SE事件主要表现为以下6个特征：（1）极大的波动幅度，从+6‰到-12‰；（2）δ13Ccarb在地层上发育不对称，从+6‰迅速下降到-12‰，然后其缓慢恢复；（3）δ13Ccarb值在连
第十讲 地质常用主要稳定同位素简介 18O Full atmospheric General Circulation Model (GCM) with water isotope fractionation included.
内容提要 ●基本特征●氢同位素●碳同位素●氧同位素●硫同位素
10.1. 传统稳定同位素基本特征 ?只有在自然过程中其同位素分馏变化为可测量范围的元素，才能应用于地质研究用途，这些元素的质量范围多<40； ?多为能形成固、气、液多相态物质的元素，其稳定同位素组成可发生较大程度变化。总体上，重同位素趋于在结合紧密的固相物质中富集；重同位素趋于在氧化价态最高的物相中富集； ?生物系统中的同位素变化常用动力效应来解释。在生物作用过程中(如光合作用、细菌反应及其它微生物过程)，相对于反应初始组成，轻同位素趋于在反应生成物中富集。
10.2. 氢(hydrogen) ?直到1930年代，人们才发现H不是由1 个同位素，而是由两个同位素组成： 1H：99.9844% 2H(D)：0.0156% ?在SMOW中D/H=155.8 10-6 ?氢还有一个同位素氚(3H)，但为放射性核素，半衰期仅为~12.5y。
10.2.1 氢同位素基本特征 ?与多数重元素的同位素组成不同，太阳系物质具有高度不均一的氢(氧)同位素组成，尤其是内地行星与彗星之间； ?1H与D同位素间质量相对差最大，在地球样品中表现出最大的稳定同位素变化(分馏)范围； ?从大气圈、水圈直至地球深部，氢总是以H O、OH-， 2 H2、CH4等形式存在，即在各种地质过程中起着重要作用； ?氢同位素以 D表示，其同位素测量精度通常为0.5‰至2‰(相对其它稳定同位素偏低)。
碳、氧同位素含量偏移的地质意义研究在学习地球化学之前，我曾加入一个科研立项小组的科研工作中。这个科研项目的主题是“晚泥盆世弗拉斯—法门期之交( Fr/ Fa 界线) 所发生的全球性生物大绝灭事件”，我们对此项工作主要从牙形石分带，微球粒的基础研究及对碳酸盐含量，碳、氧同位素的含量偏移等方向展开。在加入到这个工作开始到学习完地球化学这门课止，我阅读了关于“碳、氧同位素含量偏移在重大地质事件中的指示意义”这一知识点的文献约十余篇。这些文献除了有部分对F—F事件的碳、氧同位素的规律总结之外，更有一部分是对其他重大地质事件诸如中元古代海平面变化、河南地区震旦系碳酸盐沉积、早寒武世黑色页岩、奥陶系—三叠系古环境变化、白垩纪缺氧事件等的系统归纳。本文即是对这些重大地质事件运用同位素含量分析的方法，对以往做过此方面工作的文献进行一次系统的梳理。 碳酸盐和有机物碳同位素组成的分析已成为推断全球碳循环变化的有力工具，碳循环的变化通常与生物集群灭绝事件有关。碳同位素的正偏移，在一些地质学家看来被认为是有机碳埋藏速率增强的结果。而这种变化被许多科学家认为是由于海平面的变化或者海水温度的变化导致大量暖盐水体的形成，诱导海水缺氧，使得海水中有机物氧化速率降低，有机碳埋藏速率增加，导致CO2浓度降低，全球变冷，这一系列变化又导致了生物的大量灭绝。 在对北京十三陵地区中元古代雾迷山组海平面变化的分析中，李任伟等人对白云岩进行了取样，分析以及检验发现：北京十三陵地区雾迷山组(1310～1207 Ma) 白云岩的δ13C 数值范围-1.5 ‰～1. 5 ‰(PDB) ，δ18O 数值范围一般为- 4 ‰～- 5 ‰(PDB) 。它们碳同位素组成具有旋回性变化的特征。δ13C 从地层层序的边界发生正偏移，至1. 5 ‰(PDB) ，然后发生负偏移至- 1. 5 ‰(PDB) 。有时，在δ13C 为负值的层段δ18O 数值较高，约为- 4. 0 ‰(PDB) 。 中元古代雾迷山时期碳酸盐岩相对具有重碳同位素组成的层段与海侵相关。可以在新元古代，也可以在显生宙找到类似的例子。在白垩纪森诺曼阶-土仓阶、早侏罗世、中奥陶世晚期以及晚寒武世，人们都可以在海侵时期沉积的碳酸盐岩地层中发现δ13C数值的正偏移。原因在于此时的海洋有较高的有机产率和高的有机碳埋藏速率，由于沉积有机质从海洋中选择地吸收了轻碳同位素(12C)，结果造成海洋碳酸盐库对重碳同位素(13C) 的相对富集。雾迷山组这种碳、氧同位素组成特征可以反映海平面的变化。在海侵体系域时期海水有相对高的有机产率和有机碳埋藏速率，在高位体系域时期的碳酸盐台地可能为滞流和蒸发环境，海水中微生物因呼吸而消耗有机质的作用比较强烈。 河南汝州、鲁山一带罗圈组冰积层之上的东坡组以页岩、粉砂质页岩及粉砂岩为主。而在对河南汝州一鲁山一带震旦系东坡组碳酸盐沉积的研究中，杜远生及张良等人发现了白云岩透镜体及白云质粉砂岩、砂岩。白云质粉砂岩具有与东坡组页岩不协调的软沉积变形。白云岩透镜体和白云质粉砂岩具有明显的δ13C 负偏。白云岩透镜体的δ13C为一4．19‰～一6．18‰。白云质粉砂岩的占δ13C 大部分为一2‰～一4‰之间。因此认为，东坡组的白云岩透镜体及白云质粉砂岩、砂岩与华南震旦纪盖帽白云岩及南华纪Sturtian冰期冰积层之上的碳酸盐丘和菱锰矿类似，为冰积层中的天然气水合物泄漏释放的CO2和海水中的Mg+发生快速反应快速沉淀而成的，即东坡组的白云岩、白云质粉砂岩、砂岩为冷泉成因。 而陈兰等人对扬子地台湘黔地区旱寒武世黑色页岩有机碳同位素的组成变化进行野外地质观察与室内分析研究表明：研究区灯影组白云岩主要为碳酸盐台
二里头遗址出土陶容器内残余物的碳同位素分析 赵春燕赵海涛陈国梁许宏 （北京，王府井大街27号，中国社会科学院考古研究所，100710） 摘要：考古出土陶容器内残余物的分析与鉴别对于探讨古代人类饮食结构、生存状况及周围环境等问题具有特别重要的意义.依据残余物的碳同位素分析可以区分食物的种类，因而碳同位素分析是最重要的方法之一. 对二里头遗址出土的11份陶容器内残余物进行的碳同位素分析结果表明，二里头遗址居民食物中兼具C3类和C4类植物，而且，C4类植物也就是粟的比例可能更高一些。 关键词：二里头遗址，残余物，碳同位素 考古出土陶容器内残物的分析与鉴别对于探讨古代人类饮食结构、生存状况及周围环境等问题具有特别重要的意义。人类在学会制作陶器以后,生活方式发生了质的改变。蒸煮等烹调方式的使用改善了古人类的生活,使得人类对动植物的利用更加充分,吸收更多的营养,身体更加健康。因而,了解古代人类烹饪方式的发生、发展的历史也就是了解人类自身文明发展的历史。一般而言,了解古代人类饮食结构及生存状况所涉及的研究对象主要可以分为两个方面：一是被研究的主体-人类本身，包括对人类骨骼和牙齿遗存的研究；二是人类食用的对象，包括考古遗址中发现的动植物的遗存研究等等。但出土器物中发现的残余物的分析研究，可以帮助考古学家获得更多的不可见的动植物利用信息。 残余物的分析方法比较多, 根据残余物的状态不同相应有不同的方法.其中,碳、氮同位素分析是最重要的方法之一。依据残余物的碳同位素分析可以区分食物的种类。其原理并不复杂: 植物是通过光合作用将空气中的二氧化碳转化为植物组织。到目前为止所发现的光合作用的途径主要三种。一是卡尔文途径。因为它的最初产物是3-磷酸酰甘油酸（3-PGA），这是一种含三个碳原子的化合物，所以又称为C3途径,遵循 C3光合作用途径的一类植物称为C3植物。温和湿润环境下生长的大部分植物都属于C3植物,例如各种乔木、灌木和大部分禾本科的植物。二是哈-斯途径。这种途径的最初产物是含四个碳原子的化合物-草酰乙酸,所以遵循哈-斯光合作用途径的一类植物称为C4植物。 C4植物包括玉米、粟、甘蔗等旱暖开放环境中生长的某些草类。三是少数多汁植物如菠箩、甜菜等所遵循的称为CAM的光合作用途径[1、2]。 自然界的植物因光合作用的途径不同，而导致了最初产物的不同。而不同的最初产物的植物间碳同位素组成是有差别的,可以用δ13C值定量表示。通过对自然界数百种不同科、属、种的植物的研究发现，C3类植物如稻米、小麦、豆类等，其δ13C值范围为 -23‰～-30‰，平均值为-26‰。C4类植物，如玉米、小米、高粱、甘蔗等，δ13C值范围为–8～-14‰，平均值为-11‰。CAM类植物如菠萝、甜菜等，δ13C值范围为–12‰～-23‰，平均值为-17‰。豆科植物可以直接从空气固氮，其δ15N值约为0~1‰；非豆科植物利用土壤中的氮，δ15N 值平均为3~4‰。这些研究结果给后来的研究提供了直接的对比标准。对于出土残余物而言，因炭化过的植物残骸不会再受土壤微生物的影响而改变，一般认为碳氮同位素不会发生分
塔中地区晚寒武—奥陶世碳酸盐岩δ13C同位素组成特征 朱金富于炳松黄文辉初广震吕国 （中国地质大学北京100083） 摘要通过研究、分析塔里木盆地塔中地区寒武系至奥陶系海相碳酸盐岩的碳、氧同位素组成特征，分析和探讨了影响塔中地区寒武系至奥陶系碳酸盐岩碳同位素变化的原因。结果表明，寒武-奥陶系海相碳酸盐岩的碳同位素的变化可能与海平面变化有密切联系，在晚寒武世至早奥陶世晚期为一海退期，有机质产率及有机碳埋藏速率的下降导致了碳酸盐岩δ13C 值的降低；而在早奥陶晚期-中奥陶世为一海侵期，有机质产率及有机碳埋藏速率的增加导致了碳酸盐岩δ13C值的增高；晚寒武世至早奥陶世海水中的硫酸盐含量高,硫酸盐细菌的还原作用使有机质氧化,从而导致碳酸盐岩δ13C值降低。 关键词寒武-奥陶系碳酸盐岩碳同位素海平面变化硫酸盐 第一作者简介：朱金富，男，1978年生，中国地质大学（北京）在读博士，研究方向：含油气盆地沉积学 碳氧稳定同位素是解释碳酸盐岩成因的一种重要的地球化学标志。同时，碳、氧同位素分析是古环境研究中常用的一种手段，它在恢复水体的古温度、古盐度和研究沉积物成岩作用等方面已得到了广泛的应用。近年来，有关碳氧同位素与海平面变换的关系的研究备受关 注（彭苏萍等，2002年；邵龙义，1999年；李儒峰,刘本培，1996年；刘传联，1998年等）。本文通过对塔里木盆地塔中地区寒武系至奥陶系碳酸盐岩中碳同位素的分析，探讨了 碳同位素与沉积环境、相对海平面变化及硫酸盐含量的关系。 塔中低凸起位于塔里木盆地中部，北与满加尔凹陷、南与塘古孜巴斯凹陷、西与巴楚低凸起、东与塔东低凸起相接。东西长约300km，南北宽约160km，面积约4.8ⅹ104km2(图1所示)。它分为塔中?号断裂构造带、塔中北坡及中央垄断垒带三个构造单元。塔中地区地层发育比较齐全，除了缺失侏罗系和大面积缺失震旦系外，寒武系至古-新近系均有分布。
碳氮氢氧稳定同位素示踪技术在生态系统研究案例稳定同位素作为示踪剂广泛应用于生态循环和大气循环中的相关研究。研究人员通过测量空气、植物和土壤中的稳定性同位素组成，进而研究传统生态学无法解释的复杂生态学过程，例如：碳同位素用于分析生态系统CO2循环，区分碳通量研究中各组分的贡献率，确定不同物种对全球生产力的分配和贡献；氢氧同位素用于分析植物对土壤水分的利用效率，进而区分土壤水分的蒸腾与蒸散；氮同位素用于分析植物及生态系统的氮素循环，通过反硝化细菌转化成N2O，根据15N在N2O分子的不同位置，可以示踪N素循环的不同化学反应过程。在这些生态研究中，要求使用的设备同时具备高环境耐受性、高精度、高测量速度及宽量程等特点。 美国Los Gatos公司采用专利的OA-ICOS技术（第4代CRDS技术）设计的一系列稳定同位素分析仪，具有操作温度范围宽、量程宽、高速、高精度的优点。能够满足实验室野外多点长期同步监测、不同高度长期同步监测等研究的需要。其与其他传统测量方法相比，改进了对外界温度、压力变化比较敏感的缺陷，具备无法比拟的优势，适用范围也大大得到扩展。 一、测量原理 LGR：采用OA-ICOAS技术，符合Beer-Lambert定律，通过测量光损失来确定未知物质的浓度；通过改变入射激光的波长，一次扫描测量需要的全部光谱，每秒300次测量，做平均，从而保证了多点连续监测的同步性以及高精度性。 特点：1、测量速度非常快，每秒300次全光谱扫描取平均，测量速度及精度远超传统质谱仪； 2、一次扫描测量全光谱，实时显示光谱曲线，即使温度压力的变化引起峰漂移 也不会影响到峰面积的变化； 3、离轴的光腔设计，避免反射光与入射光直接的相互干扰，信噪比低； 4、通过峰面积来计算位置物质的浓度，所以测量范围很宽； 二、 试验方案 1、碳氧稳定同位素示踪设计方案 1.1土壤-植物根系呼吸的区分 利用土壤、植物根系呼吸产生的CO2中13C同位素信息，可以区分它们各自在总呼吸中所占的比例，同时对18O同位素进行监测，使得多混合源的同位素区分成为可能。
同位素地球化学
目录 一、碳的同位素组成及其特征 (1) 1.碳同位素组成 (1) Ⅰ、碳的同位素丰度 (1) Ⅱ、碳的同位素比值（R） (1) Ⅲ、δ值 (2) 2.碳同位素组成的特征 (2) Ⅰ.交换平衡分馏 (2) Ⅱ.动力分馏 (3) Ⅲ.地质体中碳同位素组成特征 (3) 二、碳同位素在地质科学研究中的应用 (8) 1. 碳同位素地温计 (8) 2．有机矿产的分类对比及其性质的确定 (9) Ⅰ.煤 (9) Ⅱ.石油 (9) Ⅲ. 天然气 (11)
碳同位素组成特征及其在地质科研中的应用 一、碳的同位素组成及其特征 1.碳同位素组成 碳在地球上是作为一种微量元素出现的，但分布广泛，在地质历史中有着重要作用。碳的原子序数为6 ，原子量为12.011，属元素周期表第二周期ⅣA族。碳在地壳中的丰度为2000×10-6，是一个比较次要的微量元素。在地球表面的大气圈、生物圈和水圈中，碳是最常见的元素之一，是地球上各种生命物质的基本成分馏。碳既可以呈固态形式存在，又能以液态和气态形式出现。它既广泛分馏布于地球表面的各层圈中，也能在地壳甚至地幔中存在。总之，碳可呈多种形式存在于自然界中。在有机物质和煤、石油中，以还原碳的形式存在，在二氧化碳气体和水溶液中，以氧化碳形式出现。碳还可呈自然元素形式出现在某些岩石中（如金刚石和石墨）。一般用同位素丰度、同位素比值和δ值来表示同位素的组成。 Ⅰ、碳的同位素丰度 同位素丰度指同位素原子在元素总原子数中所占的百分比，自然界中的碳有2个稳定同位素：12C和13C。习惯采用的平均丰度值分别为98.90%和1.10%。由此可见，在自然界中碳原子主要主要是以12C的形式存在。另外碳还有一个放射性同位素14C，半衰期为5730a。放射性14C的研究，目前已发展成为一种独立的同位素地质年代学测定方法，主要应用于考古学和近代沉积物的年龄测定。适合用于作碳稳定同位素分馏析的样品包括：石墨、金刚石等自然碳矿物，方解石、文石、白云石、菱铁矿、菱锰矿等碳酸盐矿物；石灰岩、白云岩、大理岩等全岩样品；各种矿物包裹体中的C O2和CH4气体以及石油、天然气及有机物质中的含碳组分馏等。 Ⅱ、碳的同位素比值（R） 同位素比值R=一种同位素丰度/另一种同位素丰度 对于非放射性成因稳定同位素比值： R=重同位素丰度/轻同位素丰度 由此可见，碳的同位素比值R=1.1%/98.9%=0.011
石笋记录 一、定义： 石笋（Stalagmite），为碳酸钙石灰岩，位于溶洞洞底的尖锥体，是喀斯特地形的一种自然现象。 二、石笋发育与形成： 饱含着碳酸钙的水通过洞顶的裂隙或从钟乳石上滴至洞底。一方面由于水分蒸发，另一方面，由于在洞穴里有时温度较高，水溶解二氧化碳的量减小，所以，钙质析出，沉积在洞底。自下向上生长的是石笋，从上往下生长的是石钟乳。 三、石笋记录用于气候、环境变化等研究的条件（原因）： 洞穴石笋是由滴水带来碳酸盐矿物沉积形成的，而洞穴滴水是雨水通过石灰岩从地表渗透下来的，必然经过土壤层。由于植物的根呼吸和微生物活动，土壤中的空气含有大量二氧化碳。一方面，土壤二氧化碳的多少受温度的控制；另一方面，土壤二氧化碳的多少又能决定岩石被溶解的多少:二氧化碳含量高，水的酸度就大，被溶蚀的石灰岩就多，沉积到洞里的物质也就多；反之也成立。由此可见，水不但是运输物质的载体，而且也是传递信号的媒介。在从地表向地下传递的过程中，水流不但带有大气温度或降水变化的信号，而且还加入了许多地质、土壤环境变化的信号。当水最后到达洞里，从滴水沉积出来的石笋也就成了一个环境气候变化的记录器。 四、石笋记录用于气候、环境变化等的优势 太阳辐射的变化、海平面的变化及气候系统内部循环的变化都是可能与影响季风的因素。黄土虽然可以清晰地反映季风的变化,但是古环境重建的分辨率难以提高。碳酸盐沉积物具有明显的优势,总结其优势如下：
1.石笋分辨率高，可以达到年际分辨率； 2.石笋代用指标丰富，Th/U比值适合与铀系精确定年，可以进行高精度采样分析； 3.石笋样品分别广泛且时间跨度较大 4.石笋受外界干扰较少，洞穴内部相对封闭的环境是石笋生长受到的影响较小，生长机制对环境敏感、记录比较连续完整； 这对古气候古环境的研究至关重要。因此石笋成为综合研究最近几十万年以来气候与生态环境变化的理想载体。 五、石笋古气候研究中常用代用指标 1.氧同位素 2.碳同位素 3.微量元素 4.灰度 5.微层厚度 6.有机物与分子化石 氧同位素记录 一、定义：自然界中氧以氧-16、氧-17、氧-18三种同位素的形式存在，相对丰度分别为99.756%、0.039%、0.205% ，天然物质的氧同位素组成通常用由18O/16O比值确定的δ(18O)来描述，一般采用标准平均海洋水(SMOW)作为标准品。 二、用途：氧同位素在地球科学中广泛用于确定成岩成矿物质来源及成岩成矿温度。在生物学和医学上有广泛应用前景。氧同位素在地理学中被用作年代确定的参考，常用于冰川的断代。 三、氧同位素的应用原理与部分应用领域
碳酸盐岩碳氧同位素与古气候古环境 在地球科學中碳氧同位素广泛应用于成岩成矿作用、古海洋、石油天然气成因研究。而碳氧同位素在反映古气候古环境中尚属比较新颖的应用，文章在阅读相关文章基础上，进一步阐明了不同环境下碳酸盐岩中的碳氧同位素反映古气候古环境的机理。 标签：碳酸盐岩；碳氧同位素；古气候；古环境 引言 过去的几十年里，碳酸盐岩中的碳氧同位素相关研究日益增加，因为通过对湖相碳酸盐岩中碳氧同位素的数据分析，在一定程度上重新构建过去时期的古气候和古环境方面的变化。文章以湖湘碳酸盐岩，石笋中的碳酸盐岩以及黄土中的碳酸盐岩为例，较为具体说明了三种碳酸盐岩中的碳氧同位素的含量变化对应着怎样的环境气候（温度，蒸发降水量，植物种类茂盛程度）变化。 1 湖相碳酸盐岩中的碳氧同位素 （1）在湖泊沉积中，碳酸盐岩中δ18OPDB与δ13CPDB间的相关性，反映着湖泊水文条件，若δ18OPDB和δ13CPDB之间是呈正相关关系，则反映为封闭性的湖泊，如果它们之间相关系数大于0.70，则湖泊的封闭性是比较好的。例如由于丹麦Bliden Lake沉积碳酸盐岩中δ18O和δ13C之间相关系数为0.4，因此Olsen等认为丹麦Bliden Lake是开放性的。 （2）湖泊中的碳酸盐岩（或泥灰岩）δ13C含量变化主要与气候，蒸发，湖泊生产力有关。对于封闭性较好的湖泊，湖泊生物生产力以及蒸发作用（通过大气中CO2与湖泊水体间的交换）影响着沉积碳酸盐δ13C值。在开放性湖泊中沉积碳酸盐的δ13C的影响因素较多且较复杂，主要与气候，蒸发，湖泊生产力有关。例如青海湖，由于湖中水量远大于入湖水量，而且湖中DIC含量远大于入湖淡水中的DIC含量，故青海湖可以看做封闭性湖泊；水生植物的光合作用和呼吸作用影响着δ13CDIC；蒸发作用下，湖泊水体急剧减小，湖泊深层水与表层水将会加速混合而影响δ13CDIC；由于水体中CO2和大气CO2交换导致湖水δ13CDIC的变化，反映着当时蒸发作用强弱（尤其当湖水CO2分压低于大气CO2分压时）。 （3）对于氧同位素组成的受控因素相关讨论比较少。在湖泊泥灰岩中，δ18O 值的影响因素应该是蒸发，气候，气温，湿度等因素综合作用。a. 降水蒸发：湖泊降雨量和蒸发量与δ18OPDB的值密切联系，当降水充足时，湖水会增加大量贫δ18O的水体，因此湖水δ18OPDB值就较低；相反，如果蒸发量大于降雨量，此时湖水的氧同位素会发生分馏，导致湖水δ18OPDB值增加。例如北京石花洞石笋相关研究表明，在分辨率<10a的时间尺度上，石笋中δ18O的记录主要反映了降雨量的变化，降雨量增加，则δ18O值相应偏低。b. 气温的影响：在较
古生物学报,44(3):472-477(2005年7月) Acta Palaeontologica Sinica ,44(3):472-477(J uly ,2005) 收稿日期:2004210225 3 国家重点基础研究发展规划项目(G2000077700)和中国科学院资源环境领域知识创新工程重大项目(KZCX22116)资助课题。 样品预处理对有机碳同位素分析结果的影响 3 王金权 (中国科学院南京地质古生物研究所,南京 210008) 提要 文中主要阐述样品预处理方法不同对于有机碳同位素分析结果将产生重要影响,并直接关系到由此而得出研究结论的可靠性。分析样品采自扬子地台震旦纪蓝田组剖面,并对相同岩石样品采取两种不同的预处理方法。分析结果显示,得到的两套数据之间存在明显的差值。这种分析差主要是来源于分析样品中残存的碳酸盐。因此,在对全岩分析样品实施有机碳同位素测定之前,务必将分析样品中无机碳除尽。此外,针对目前应用于有机碳同位素分析的样品预处理方法可能存在的问题提出看法。 关键词 有机碳同位素 全岩分析法 样品预处理 碳酸盐 1 前言 近二十年来,稳定性碳同位素在地层划分,以及古环境、古生态和古气候研究中发挥着重要作用,并越来越受到从事前寒武纪-寒武纪研究的科技人员 重视(Walter et al .,2000;Yang et al .,1999;Kauf man et al .,1995;Lambert et al .,1987)。尤 其是碳同位素应用于那些缺乏生物化石地层的划分更加显示它的优越性(Glumac et al .,2002;Shen ,2002;周传明等,2001;Bartley et al .,1998)。 岩石中元素碳是以无机碳或有机碳形式保存在沉积物中。无机碳主要是通过碳酸盐的沉积固定下来,而有机碳则是通过生物体的埋藏得以保存。由于生物在进行光合作用过程中优先吸收12C ,有机质的埋藏使其脱离了碳的循环,从而导致其海洋环境中13C 相对富集。然而,影响有机碳同位素变化的因素较为复杂,生物类型的不同、海洋环境中的物理和化学条件(如深度、水动力、氧含量、温度、CO 2浓度等)以及有机质的分解作用和成岩作用都可能导致有机碳同位素发生较大的变化(Popp et al .,1997;Kenig et al .,1994;Kuypers et al .,1999;Marails et al .,1992)。尽管沉积物中有机碳同位 素影响因素较多,但是从生物化学原理分析,主要受 原生生物及其类型和它们的生存环境控制(Sackett et al .,1965;Dodd et al .,1981)。 沉积岩中有机碳同位素测定值不但受以上因素的控制而且受到分析方法的影响。在某些情况下,相同样品由于采取分析方法不同,其测定值之间可能产生较大差值。由于研究结论很大程度上取决于分析数据的准确性,因此分析方法的可行性就显得尤为重要。目前,应用于有机碳同位素测试的样品预处理方法主要是全岩分析法或干酪根法(Wedek 2ing et al .,1983)。除了样品预处理方法可能不同外,其余有机碳同位素分析步骤基本相同。就‘全岩分析法’而言,由于分析样品可能来自不同时代、不同沉积环境,因此没有统一的样品预处理方法,即使用盐酸(Morante et al .,1996)或盐酸+氢氟酸预处理(Poop et al .,1997),而且使用酸的浓度也可能各有不同,甚至不使用酸处理。本文通过皖南震旦系蓝田组全岩样品使用两种不同的样品预处理方法,阐述两套分析结果之间的分析差产生的原因,以及解决问题的对策。 2 分析方法 方法1
國立臺灣師範大學地球科學系(所)通識課程綱要 科目代碼：ES C0123 科目名稱（中文）：穩定同位素地質學 科目名稱（英文）：Stable Isotope Geology 總學分數： 3 每週上課時數： 3 授課教師：米泓生 教師專長背景： 開課理由： 一、教學目標： 本課程主要介紹穩定同位素在全球變遷，環境地球化學，水文地質學，火成岩與變質岩地質學，碳酸岩地質學，古氣候學，海洋學與古海洋學，以及石油地球化學等研究上的應用。 二、教材內容： 第1週課程簡介 (講義；assigned readings) 第2週同位素的特性，歷史背景 第3週同位素的特性，歷史背景 第4週質譜分析，慣例，符號，和標準 第5週同位素分化作用的理論基礎(一) 第6週氧(18O/16O)和氫(2H/1H)同位素 在自然界的分佈；分化關係 自然界水中的追蹤劑：氧和氫同位素 第7週氧(18O/16O)和氫(2H/1H)同位素 火成岩與變質岩岩石學的應用 第8週氧(18O/16O) 同位素溫度和同位素地層 第9週期中考 第10週碳(13C/12C)同位素 碳循環與地球化學 碳同位素在自然界的變化；分化關係 第11週碳(13C/12C)同位素 有機物質 自然界水─碳循環 沉積碳酸岩─成岩作用，全球地球化學循環 第12週氮(15N/14N)同位素
氮循環和地球化學 第13週氮(15N/14N)同位素 有機物質；食物網 地下水 標本分析(F416R; Stable Isotope Lab) 第14週硫(34S/32S)同位素 硫循環和地球化學 硫同位素在自然界的變化；分化關係 第15週硫(34S/32S)同位素 地下水和孔隙水的硫循環 硫同位素曲線─全球變遷 第16週Student presentation 第17週Student presentation 第18週期末考; 繳交期末報告 三、實施方式： 期中考30%，期末考40%，期末報告20%，其他、作業10% 四、參考書目： 指定用書：1. Sharp, Z., 2007, Principles of stable isotope geochemistry: Pearson Prentice Hall, New Jersey, 344p. 參考書目： 1. Hoefs, J., 1987, Stable isotope geochemistry: Springer-Verlag, New York 2. Faure, G., 1986, Principles of isotope geology: John Wiley & Sons,New York 3. Anderson, T. F., and Arthur, M. A., 1983, Stable isotopes of oxygen and carbon and their application to sedimentologic and paleoenvironmental problems, in M. A., Arthur, eds., Stable isotopesin sedimentary geology: SEPM Short Course no. 10, p,1-151. 4. Mook, W.G. ed., 2001, Environmental Isotopes in the Hydrological Cycle Principles and Applications: UNESCO/IAEA Series, https://www.doczj.com/doc/ca18502736.html,/programmes/ripc/ih/volumes/volumes.htm