14C 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：

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。

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。

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 ）

14 12

14 12

( C/ )

( C/ )

CF

C 样品

标准

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 ）

14 12

14 12

( C/ )1 1000

( C/ )

C

C

样品

标准

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 。

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。

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]

（ 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。

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]

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。

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。

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。

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.

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