碳同位素分馏

地球上碳同位素分馏主要发生在如下一些反应和过程中：

光合作用，是碳同位素的一种动力分馏，也是碳的还原反应，其反应方程为：

6CO2＋6H2O→C6H12O6＋6O2

其动力学机制是 12CO2 比 13CO2 优先被溶解到植物细胞中，优先转化为磷酸甘油酸，使得细胞质中剩余溶解的 CO2 相对富 13C，植物或者从根部、或者在夜间通过叶子的吸呼将富 12C 的 CO2 排走，经过多级的分馏过程使得光合作用形成的化合物中富集 12C。大多数陆生植物的δ13C 在-24‰～-34‰左右，水生植物在-16‰～-19‰左右，因此根据沉积物中的有机质碳同位素组成可以推测其为海相或陆相成因。

氧化还原反应，是自然界无机碳同位素分馏的主要机制，其方程为：

CH4+2H2O→CO2+4H2

该反应在 150—600℃温度范围内有很高的分馏系数，α在 1.010～1.035 之间。在各种还原条件下可以发生这种由 CH4→CO2 的反应，如在陨石中、岩浆过程、火山喷气过程等。反应结果 CO2 富集 13C，CH4 则富集 12C。类似的反应还有石墨→CO2，金刚石→CO2，元素碳（金刚石、石墨）的 13C 值介于 CH4 和CO2 之间。

除对HCO1- - CO

体系进行过大量实验外，其余各种碳化合物的平衡分

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馏很少进行实验研究，其分馏系数是通过理论计算而获得的。各种碳化合物达到同位素平衡分馏时，δ13C 的增加顺序如下：CH4，石墨 C，金刚石 C，

HCO1- ，MCO 3，表明随价态升高，重同位素富集。低温下对于气态CO 2 、

水溶含碳原子团和 CaCO3 之间的同位素平衡交换，其δ13C 的增加顺序为：

CO2 （气）≈CO2 （液）、H 2CO3（液）、CO2- （液）、HCO1− （液）、

CaCO3 ，而在温度较高时情况正好相反，CaCO3和CO 2 （气）、HCO1- 和

CO2 气分馏的换向温度分别为 193℃和 148℃。这种分馏反应的分馏系数都很小，由于大气圈 CO2 是一个巨大的碳储库，因此对于各种条件下形成的碳酸盐的碳同位素起到缓冲作用，致使各种沉积碳酸盐有相近的δ13C 值。另外水溶液中含碳原子团的存在形式和相对比例取决于溶液的 pH 值。海水的 pH 值一般在7.5—8.4，海水中HCO1− 离子几乎占含碳组份的99％，淡水的pH值比较偏向于 6—7，含碳组份主要为 H2CO3 和 CO，由于二者碳化合物的存在形式的差异，它们与大气中 CO2 的碳同位素分馏也不同，所以海水通常要比淡水富 13C。海水较淡水富 13C 的另一个原因是淡水中更易混入富 12C 的生物有机碳。