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14 C 在海洋有机地球化学中的应用

14 C 在海洋有机地球化学中的应用. 岳宏伟 2007.4.23. 1 天然放射性碳同位素的来源及循环 碳具有3种同位素： 12 C（98.8%）、 13 C（1.1%） 和微量的 14 C， 其中只有 14 C 具有放射性 。 天然 14 C 主要源于高层大气层中的宇宙射线产生的中子与稳定氮同位素（ 14 N） 的反应，所产生的 14 C 又被氧化为二氧化碳（ 14 CO 2 ） 进入低层大气层。 除宇宙射线产生的 14 C 外，人类核试验也是 14 C 的另一重要来源。.

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14 C 在海洋有机地球化学中的应用

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  1. 14C在海洋有机地球化学中的应用 岳宏伟 2007.4.23

  2. 1 天然放射性碳同位素的来源及循环 碳具有3种同位素：12C（98.8%）、13C（1.1%）和微量的14C，其中只有14C具有放射性。天然14C主要源于高层大气层中的宇宙射线产生的中子与稳定氮同位素（14N）的反应，所产生的14C又被氧化为二氧化碳（14CO2）进入低层大气层。 除宇宙射线产生的14C外，人类核试验也是14C的另一重要来源。

  3. 海洋中的14C是由大气二氧化碳通过气－海界面交换进入海洋并溶解于海水。海洋浮游植物则通过光合作用将溶解的无机碳转化为有机碳。有机碳中的14C又通过海洋食物链而进入到不同的生物体内。另一方面，有机14C又通过生物、化学及物理过程而分布到不同的存在形态中。海洋中的14C是由大气二氧化碳通过气－海界面交换进入海洋并溶解于海水。海洋浮游植物则通过光合作用将溶解的无机碳转化为有机碳。有机碳中的14C又通过海洋食物链而进入到不同的生物体内。另一方面，有机14C又通过生物、化学及物理过程而分布到不同的存在形态中。

  4. 2 加速质谱仪的应用及14C的测定 加速器质谱仪（AMS）是用于测定具有较长半衰期的天然放射性核素（如14C和10Be, 等）的新型仪器。 AMS测定天然样品中的14C，通常表述为样品与现代碳标准的比值（F）为结果（1950年定为现代年龄）： （1）

  5. 根据测定的F比值，样品的14C年龄可通过公式（2）根据测定的F比值，样品的14C年龄可通过公式（2） 计算得到[2]： 14C年龄T=-8033×lnF（2） 通常，地球化学家们习惯将14C的测定值以千分之 （‰）表示： △14C(‰)（3） 这样，样品的14C年龄可通过公式（4）计算得到： T= -8033×ln(1+ △14C/1000)（4）

  6. 3 天然14C在海洋有机地球化学中的应用[1] • 3.1大洋中碳循环的研究 1987年，美国Scripps海洋研究所著名海洋化学家Peter Williams 和其博士后Ellen Druffel 合作，首先在《自然》杂志上发表了北太平洋DIC及有机碳中天然14C的分布[3]。他们发现海水中溶解碳的14C年龄具有很大的差别。 北太平洋表层海水中的DOC的14C年龄在1300a左右，但在5700m深处其14C年龄高达约6000a；同时，DOC的14C年龄远远高于DIC。

  7. 1992年，Druffel等[4]在《地球物理研究》杂志上发表了《大洋中溶解及颗粒碳的循环》一文，较全面地总结了他们多年来应用14C研究大洋中碳循环的结果。图1显示了天然14C在北太平洋DOC、DIC、悬浮颗粒物及沉降颗粒物中的分布。从14C在不同形态碳中的断面分布，Druffel等得到以下结论：1992年，Druffel等[4]在《地球物理研究》杂志上发表了《大洋中溶解及颗粒碳的循环》一文，较全面地总结了他们多年来应用14C研究大洋中碳循环的结果。图1显示了天然14C在北太平洋DOC、DIC、悬浮颗粒物及沉降颗粒物中的分布。从14C在不同形态碳中的断面分布，Druffel等得到以下结论： (1) 14C在表层DIC中接近大气14C值，说明表层溶解的DIC是由大气CO2通过海表面气液交换溶于海水的。

  8. 图1 北太平洋溶解无机碳（DIC）、溶解有机碳（DOC）及颗粒有机碳（POC）、沉降颗粒有机碳中天然14C含量分布及相应的14C年龄分布[4]

  9. （2）悬浮颗粒物及沉降颗粒物中的有机碳14C基本与表层DIC的14C值相同。 • （3）DOC的14C年龄在1.6-6.0ka之间。 图2显示了北太平洋和北大西洋中DOC及DIC的14C的断面分布比较。

  10. 图2 北太平洋和北大西洋溶解有机碳（DOC）、溶解无机碳（DIC）中天然14C含量分布及相应的14C年龄的垂直分布比较[4]

  11. 3.2 不同形态碳中有机化合物组分的研究 图3总结了北太平洋不同样品中总水合氨基酸（THAA）、总糖类（TCHO）、总脂肪类（Lipid）化合物组分和剩余酸不溶有机组分（HCl-insoluble）中的天然14C含量。

  12. 图3 北太平洋浮游生物、沉积颗粒有机物（POM，采自3450m水深处）、碎屑凝聚物（DA）及沉积物中总水解氨基酸（THAA）、总糖类（TCHO）、总脂类（Lipid）及酸不溶（HCl-insolute）有机化合物组分天然14C含量分布及相应的14C年龄[5]

  13. 3.3 海洋沉积物中单一分子化合物的研究 1997年，Eglinton等[6]在《科学》杂志上发表了其研究成果，他们通过气相色谱对海洋沉积物中单一有机化合物进行了分离与富集并成功地测定了在沉积物中几十种长链烷、烯烃化合物和脂肪酸中天然14C的含量。

  14. 4 展望 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。

  15. 参考文献： [1] 王旭晨, 戴民汉. 天然放射性碳同位素在海洋有机地球化学中的应用 . [J]. 地球科学进展. 2002. 17（3）: 348-354. [2] Stuiver M, Polach H A. Discussion:reporting of 14C data . [J]. Radiocarbon. 1997. 19: 355-363. [3] Williams P M, Druffel E R M.Radiocarbon in the dissolved organic matter in central north Pacific Ocean. [J]. Nature. 1987. 330: 246-248. [4] Druffel E R M,Williams P M,Bauer J E, et al.Cycling of dissolved and particulate organic matter in the open ocean. [J]. J Geophysical Research. 1992. 97: 15639-15659. [5] Wang X-C, Druffel E R M,Griffin S, et al. Radiocarbon studies of organic compound classes in plankton and sediment of the northeastern Pacific Ocean. [J]. Geochimica et Cosmochimica Acta. 1998. 62: 1365-1378. [6]Eglinton T I,Benitez-Nelson B C,Pearson A, et al.Variability in radiocarbon ages of individual organic compounds from marine sediments. [J].Sciense. 1997. 227: 796-799.

  16. 谢谢!

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