氧同位素标准样品组成课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,回顾,13,C,与人类饮食结构分析的基本原理,1,）三种,C3,、,C4,、,CAM,同化途途径,.,C3,植物,-26,-,人体,(,富集,6,）,-,-20,C4,植物,-13,-,人体,(,富集,6,）,-,-7,-13.5,2,）,人类,-20 -7,骨胶原,100% 100%,C3 C4,C3/C4 50%,回顾13C与人类饮食结构分析的基本原理,C3,和,C4,的叶片结构不一致,叶肉细胞,叶肉细胞和维管束鞘细胞,（含叶绿体）,维管束鞘细胞,（无叶绿体）,C3和C4的叶片结构不一致叶肉细胞叶肉细胞和维管束鞘细胞（含,X,=,C4,的比例（,%,）,食物结构分析公式,X =C4的比例（%）食物结构分析公式,氮同位素,空气中含有大约,78%,的氮气，占有绝大部分的氮元素。,氮是许多生物过程的基本元素；它存在于所有组成蛋白质的氨基酸中，是构成诸如,DNA,等的核酸的四种基本元素之一。在植物中，大量的氮素被用于制造可进行光合作用供植物生长的叶绿素分子。,氮主要有两种同位素,14,N,和,15,N,，均为稳定同位素。,Natural abundance of,15,N = 0.366%,14,N = 99.634%,氮同位素空气中含有大约78%的氮气，占有绝大部分的氮元素。N,氮同位素的国际标准为大气,N,2,，其“绝对”同位素比值为,15,N/,14,N=(3676.58.1)10,-6,(Hayes, 1982),，定义其,15,N=0,。,氮同位素样品的制样方法多为燃烧法,(Combustion),，,15,N,分析精度为,0.10.2,。,15,N,的表示方法及测定,氮同位素的国际标准为大气N2，其“绝对”同位素比值为15N/,氮固化,99%,的氮是以大气中的,N,2,或溶解在海洋中,N,2,的形式存在的，只有少部分的氮可以以多种价态的形式与其他元素结合形成不同的化合物，形成不同的氮源。,氮气分子十分安定，大多数生物体没办法直接利用。,把空气中的氮气转化成为铵盐（,NH,4,+,）,或硝酸盐（,NO,3,-,）、亚硝酸盐（,NO,2,-,）,就是氮的固化,.,Lightning Fixation,（闪电固定）,Bacteria Fixation,（细菌固定）,自然界固定氮,氮固化99%的氮是以大气中的N2或溶解在海洋中N2的形式存在,闪电固定,闪电以其巨大的能量，把在大气中的氮分子解离，并继续与氧分子反应产生氮的氧化物（,N,2,与,O,2,反应生成,NO,），这些氧化物会溶于雨水，生成,硝酸根（,NO,3,-,）而渗入土壤中。虽然世界上到处常有闪电，但是闪电固氮却不是一个产生含氮化合物有效的方法；每年经由闪电固氮所得的含氮化合物，顶多只占总量的,10%,。,闪电固定闪电以其巨大的能量，把在大气中的氮分子解离，并继续与,细菌固定,这是固定氮的最重要途径，须借助于或独自存在于土壤中，或与动植物共生，拥有,固氮酵素,的某些固氮细菌，如与豆类植物共生的根瘤菌。它们能吸收大气中的氮气分子，将其转变成氨（,NH3),及铵离子,(NH,4,+,),。每年经由细菌固定氮所得的含氮化合物，约占总量的,65%,。 其余,25%,的固定氮，来自于工业途径（合成氨）。,细菌固定这是固定氮的最重要途径，须借助于或独自存在于土壤中，,固氮微生物,将大气中的,N,2,还原为,NH,3,的过程。,共生固氮微生物,自生固氮微生物,根瘤菌豆科植物,放线菌非豆科植物,蓝藻水生蕨类等,圆褐固氮菌（好氧）,梭菌（厌氧）,鱼腥藻等为代表的固氮蓝藻,固氮微生物的种类,固氮微生物将大气中的N2还原为NH3的过程。共生固氮微生物根,工业合成,目前工业上最常用的哈柏法（,Haber-Bosch process,）；在高温（约摄氏,400,度）高压（约,250,大气压）下，用精研的铁粉当催化剂，促使氮与氢产生反应生成氨。工业固氮是将所得的氨，再进一步制成氮肥，如硝酸铵与磷酸铵，然而此法成效不佳（产率仅约,20%,）且极耗能源。,工业合成目前工业上最常用的哈柏法（Haber-Bosch p,化学肥料,尿素,尿素在肝合成，是哺乳类动物排出的体内含氮代谢物。,工业上用液氨,(NH,3,),和二氧化碳,(CO,2,),为原料，在高温高压条件下直接合成尿素。,尿素是有机态氮肥，经过土壤中的脲酶作用，水解成碳酸铵,(NH,4,),2,CO,3,或碳酸氢铵,NH,4,HCO,3,后，才能被作物吸收利用。,化学肥料尿素尿素在肝合成，是哺乳类动物排出的体内含氮代谢,高能固氮,生物固氮,工业固氮,氨化作用,反硝化作用,硝化作用,氮循环（,固氮作用,生物体内有机氮的合成,氨化作用,硝化作用,反硝化作用,）,铵盐,硝酸盐,高能固氮生物固氮工业固氮氨化作用反硝化作用硝化作用氮循环（固,氮的分馏,生物利用不同来源的氮，也造成了氮在生物圈中的同位素分馏。,大气中的氮通常很难被生物直接吸收，绝大多数的植物都是靠吸收土壤中的氮化合物,(NO,3,-,和,NH,4,+,),来获取氮源的，这个过程中就会发生同位素分馏，其,15,N,值约为,3%,。,只有一些植物，主要是豆科植物，依靠与其共生于根部的根瘤菌，可以直接把大气中的氮,(N,2,):,转化为,NH,3,，然后将其吸收。此过程基本上没有同位素的分馏，因此,豆科植物的,15,N,值较小，约为,0%,。,水中的蓝藻门植物既能自生固氮，又能与其他植物共生固氮。鱼类以藻类为食，故含有较高的,15,N,。,氮的分馏生物利用不同来源的氮，也造成了氮在生物圈中的同位素分,氮的营养富集,氮在不同的营养级之间存在着同位素的富集现象，营养级每升高一级，,15,N,大约富集,3,4,。,即食草类动物骨胶原中的,15,N,比其所吃的植物富集,3,4,，以食草类动物为食的食肉类动物骨胶原中的,15,N,又比食草类动物富集,3,4,。（,Bocherens 1994),氮的营养富集氮在不同的营养级之间存在着同位素的富集现象，营养,15,N (2-3),13,C (0-1),湿地生态系统,15N (2-3) 13C (0-1) 湿地生态系统,据,15,N,值的不同，所有生物大体上可以分为,5,类,:,豆科植物，最低约为,0,。,陆生非豆科植物，约为,2,3,左右,;,食草类动物，为,3,7,。,一级食肉类动物以及各种鱼类，为,9,12,。,二级食肉类动物，其值更高。,杂食性动物的,15,N,值应该处于这五类中食草动物和一级食肉动物之间，大约为,7,9,。,海洋中含有大量的硝酸根离子团，动、植物以其为氮源，它们的,15,N,值一般高于同一营养级的陆生生物。,据15N值的不同，所有生物大体上可以分为5类:,氮同位素分析原理,生物体内的氮主要从蛋白质中摄取，氮反映了食物中蛋白质的来源。蛋白质丰富的食物主要是肉类，虽然不同植物中蛋白质的含量高低有所不同，但总体来说植物中的蛋白质含量相对较低，因此，食物中植物比例的增大对骨胶原中的,15,N,加值没有太大影响。而肉类尽管在食物中所占比例不大，却对骨胶原中的,15,N,值贡献很大，故而骨胶原中的,15,N,值与食物中肉类的,15,N,值有着密切的联系,vanKlinken2000,。根据骨胶原中的,15,N,值，即可判断该动物是食肉类动物还是非食肉类动物。,氮同位素分析原理生物体内的氮主要从蛋白质中摄取，氮反映了食物,海生与陆生食谱区别,Stable Nitrogen Isotope Ratios of Bone Collagen Reflect Marine and Terrestrial Components of Prehistoric Human Diet. Science, New Series, Vol. 220, No. 4604 (Jun. 24, 1983), pp. 1381-1383.,The,15,N values of bone collagen from Eskimos and from Northwest Coast Indians dependent on salmon fishing are about +10 more positive than those from agriculturalists in historic times.,海生与陆生食谱区别Stable Nitrogen Isoto,现生动物测试,现生动物测试,15,N,能区分,15N能区分,1,3C,不能区分,13C不能区分,Human bone collagen stable isotope analysis of humans from coastal Mesolithic sites in,Scotland,Denmark, France and Portugal,indicates the importance of marine foods in the diet. We dene the expected human,13,C and,15,N values of 100% marine and 100% terrestrial diets and conclude that at most sites isotope variability is due to differing proportions of these dened marine and terrestrial diets, rather than due to differences in the actual types of marine and terrestrial foods exploited. By comparing the European human values with marine faunal values, and values of marine-diet humans from North America, we propose that the marine component of human diet in the Late European Mesolithic was based mainly on marine sh, with only minor contributions from shellsh or marine mammals.,Human bone collagen stable iso,Average,15,N values of modern and archaeological marine fauna.,Average 15N values of modern,Four (theoretical) extreme human dietary types, and their associated bone collagen stable isotope values.,Four (theoretical) extreme hum,氧同位素标准样品组成课件,不同类型,饮食结构,The carbon and nitrogen isotope compositions of various types of diets are known and can be compared to the compositions of your fingernails. Hence, the graphs of your fingernail d,15,N and d,13,C values can help to identify your diet.,不同类型饮食结构The carbon and nitrog,氧同位素标准样品组成课件,尼安得特人,(PNAS, 2000,7663-7666),牛,鹿,熊,尼安得特人(PNAS, 2000,7663-7666)牛鹿,食草动物,食草动物,氢氧同位素,氢氧同位素,氧同位素,自然界中,氧,以,16,O,、,17,O,、,18,O,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,18,O/,16,O,比值确定的,18,O,来描述,.,氧同位素自然界中氧以16O、17O、18O三种同位素的形式存,氢同位素,自然界中氢以,1H,（氕，,H,），,2H,（氘，,D,），,3H,（氚，,T,）三种同位素的形式存在，相对丰度分别为约,99.985%,、约,0.015%,、低于,0.001%,，其中氚具放射性，半衰期为,12.33,年。,氢同位素自然界中氢以1H（氕，H），2H（氘，D），3H（氚,氢、碳、氧同位素标准样品组成,元 素,标准,缩 写,同位素比值,H,平均大洋水标准,standard mean oceanic water,SMOW,D/H=,0.0001558,C,南卡罗来纳州白垩纪皮迪建造,（,Pee Dee formation,）中的箭石,PDB,13,C/,12,C=,0.0112372,O,SMOW,18,O/,16,O=,0.0020052,平均大洋水标准,standard mean oceanic water,1967,年，,VSMOW(,维也纳标准平均海洋水,Vienna standard mean oceanic water,),是原始的,SMOW,定义的重新校准和被创造,.,氢、碳、氧同位素标准样品组成南卡罗来纳州白垩纪皮迪建造（Pe,氧同位素数值转换,在骨化学研究中，有时，我们需要测量骨骼或者沉积物碳酸盐（,CaO,3,）中的,18,O,，需要以,PDB,为标准，那么此时,SMOW,与,PDB,有换算关系,，如下：,氧同位素数值转换在骨化学研究中，有时，我们需要测量骨骼或者沉,氧同位素标准样品组成课件,氧同位素标准样品组成课件,瑞利分馏,在自然界存在一种特殊的体系，在一定物理化学条件下发生物相分离。分离前不同物相之间保持着热力学平衡并处于封闭体系状态，但分离之后一相物质不断离开体系，不再与另一相保持平衡。这种在开放体系中进行的过程称之为,瑞利过程。,在瑞利过程中发生的同位素分馏称之为瑞利分馏。例如在海水蒸发、雨滴从云中不断凝结出来并落下等过程中，均伴有,瑞利分馏,。,瑞利分馏在自然界存在一种特殊的体系，在一定物理化学条件下发生,氢氧同位素分馏,水的分子式是,H,2,O,，氢有两种同位素,H,和,D,，而氧的两个主要稳定同位素是,16,O,和,18,O,，所以大自然中的水组成有：,1,H,2,16,O,、,1,H,2,18,O,、,2,D,2,16,O,、,2,D,2,18,O,等，原子量的差异造成了他们的质量不同。,氢氧同位素分馏水的分子式是H2O，氢有两种同位素H和D，而氧,氢氧同位素的分馏主要在于水,蒸发（,Evaporation,）,凝聚（,Condensation,）,一般来讲，在空中水蒸气凝聚成雨滴过程是平衡同位素分馏过程，因为水蒸气是在饱和（相对湿度,100,）的状态下凝聚为水。生成的雨水相对水蒸气富集重同位素，而在降水过程中首先是富集重同位素水先降落。,氢氧同位素分馏,氢氧同位素的分馏主要在于水氢氧同位素分馏,氢氧同位素分馏,18,O,比,16,O,重，因此,H,2,18,O,比,H,2,16,O,重。,H,2,16,O,比,H,2,18,O,更容易蒸发。,H,2,18,O,比,H,2,16,O,更容易沉降。,coldest snow is lightest (less heavy,18,O isotopes, more lighter,16,O isotopes),氢氧同位素分馏18O比16O重，因此H218O 比H216O,氧同位素组成分布,地球上的蒸发，主要发生在热带地区，而且水蒸气基本都向极地运动。,赤道附近的水相当重,18,O,0,温带和近极地的水是轻的,18,O,-5-15,极地的冰非常轻,18,O,-20-55,氧同位素组成分布地球上的蒸发，主要发生在热带地区，而且水蒸气,氧同位素组成分布,Spatial distribution of ,18,O in meteoric precipitation,，,Gabriel et al. Geology; April 2002; v. 30; no. 4; p. 315318,氧同位素组成分布Spatial distribution o,Predicted oxygen isotope ratios of plant leaf water (credit: J. West ),Predicted oxygen isotope ratio,氧同位素标准样品组成课件,影响雨水,D,值及,18,O,值的因素,纬度（愈高）、温度（愈低）、高度（愈大）、离海岸线距离（愈远）均影响大气降水的氢氧同位素组成（,D,及,18,O,值愈负）。,上述因素决定了大陆上每一地点的雨水都有它特定的同位素值，为探讨复原古代环境提供重要线索。,影响雨水D值及18O值的因素纬度（愈高）、温度（愈低）、,纬度效应,随着从海面蒸发的水汽根据纬度增加不断降雨的过程中，剩余的水汽中越来越亏损,D,和,18,O,，其雨水和雪水中的,D,和,18,O,值也越低。,纬度效应随着从海面蒸发的水汽根据纬度增加不断降雨的过程中,n =1000,100 H,2,18,O,900 H,2,16,O,RAIN,n =100,20 H,2,18,O,80 H,2,16,O,n = 900,80 H,2,18,O,820 H,2,16,O,RAIN,n =100,10 H,2,18,O,90 H,2,16,O,n = 800,70 H,2,18,O,730 H,2,16,O,R= 0.111,R= 0.0975,R= 0. 095,R= 0.25,R= 0.11,EVAP.,n =1000,n = number of H,2,O molecules,cloud = diminishing reservoir,n =1000RAIN 20 H218On = 900RAI,降雨,18,O,高纬度地区的雨水,18,O,值偏低,（更负）,降雨18O高纬度地区的雨水,18O值偏低（更负）,氧同位素分馏因素,heavy,light,heavy,light,从赤道到高纬度地区、从海洋到大陆内部、从低海拔到高海拔地区，重同位素的亏损依次递增，构成所谓的,温度效应,、,纬度效应,，,大陆效应,和,高度效应,，以及,季节效应,，,降水量效应,等。,越来越负,氧同位素分馏因素heavylightheavylight从赤,温度效应,Temperature affects,18,O/,16,O ratio:,Colder temperatures, more,negative values for ,18,O,Warmer temperatures,18,O values that are less negative (closer to the standard ratio of ocean water),在中高纬度大陆内部,降水中稳定同位素具有显著的温度效应即降水中稳定同位素比率与温度之间存在显著的正相关关系,.,在中低纬度海洋或季风区,尤其在亚洲季风区降水中稳定同位素具有显著的降水量效应,即降水中稳定同位素比率与降水量之间存在显著的负相关关系,.,（受降水量效应影响）,温度效应Temperature affects 18O/16,全球雨水线,水循环过程中，在稳定同位素成分的平行分馏作用下，全球降水中,D,和,18,O,存在一种线性关系，,Craig,（,1961,）,将这种关系定义为全球大气降水线,（,Global,Meteoric Water Line，,G,MWL,）,。,Craig, H. (1961) Isotopic variations in meteoric waters: Science, 133, 1702-1703.,全球雨水线水循环过程中，在稳定同位素成分的平行分馏作用下，全,Rozanski,（,1993,）,Isotopic patterns in modern global,precipitation: In: Climate Change in Continental Isotopic Records,Rozanski（1993）Isotopic pattern,大气降水的氢、氧同位素组成是研究水文学,冰川学及古气候学等地球学科所必须的重要资料,同时亦为岩石和矿床稳定同位素化学提供背景值。在全球尺度上,受地理因素和气候条件影响,降水中稳定同位素含量一定程度上反映了天气气候与区域性特征,4 ,。因此,60,年代以来雨水同位素组成已成为地球化学的研究热点之一。国际原子能委员会,( IAEA),与世界气象组织,(WMO),自,1961,年以来,已在全球各地设立,100,多个观测点,对大气降水中的稳定同位素进行连续监测,以建立全球降水模型。,大气降水的氢、氧同位素组成是研究水文学 ,冰川学及古气候学等,（中国现代大气降水线）,中国现代大气降水的氢氧同位素组成关系,（据郑淑蕙，1983,，科学通报，第,13,期，,801-,）,（中国现代大气降水线）中国现代大气降水的氢氧同位素组成关系（,温度效应公式,温度效应公式,大气降水中的同位素组分与年平均气温之间的相关关系为古气候研究提供了独特的方法，其中，区域多年平均,18,O,与平均气温之间相关关系以及特定地区年平均,18,O,与气温之间相关关系是古气候重建研究的一种独特方法。,大气降水中的同位素组分与年平均气温之间的相关关系为古气候研究,我国大气降水稳定同位素监测数据统计特征,大气降水同位素监测数据的统计内容，主要包括年和月降水同位素平均值、降水,D,与,18,O,关系。,-,我国的大气降水线方程为,D= 7.8 ,18,O+ 6.95,与全球降水线基本吻合，受各地区气候的区域性特征影响，局地雨水线方程各有差异。,我国大气降水稳定同位素监测数据统计特征 大气降水同位素监测数,月降水稳定同位素,18,O,与月平均气温的关系,月降水稳定同位素18O 与月平均气温的关系,氧同位素标准样品组成课件,年际尺度降水,18,O,与年平均气温的关系,年际尺度降水18O 与年平均气温的关系,结论,在空间尺度上，受地形和季风气候的影响，,我国北方中高纬度地区降水,18,与气温的正相关系明显,，而南方低纬度地区则显示出明显的季风（降水）效应，温度效应被季风降水效应被掩盖。在年际或更长时间尺度上，我国北方降水,18,O,与平均气温相关关系明显，并且年际时间尺度的,18,O,温度梯度比月时间尺度的温度梯度大，这种相关关系将为进一步深入了解我国不同时间尺度的气候变化和水文循环规律提供重要的参考,。,结论在空间尺度上，受地形和季风气候的影响，我国北方中高纬度地,大陆效应,从海洋开始，越向内陆，大气降水的,D,和,18,O,值越降低。位于内陆的台站,雨水的,18,O,值比海岛台站及沿海岸台站偏低。,例如，广州，昆明和拉萨的年平均降雨的,D,值分别为,29,，,76,和,131,大陆效应从海洋开始，越向内陆，大气降水的D和18O值越降,高度效应,从海平面到最高的青藏高原，随着海拔高度的增加，大气降水,D,和,18,O,值也在一直降低。一般每升高,100m,，对于,D,值降低,1.2,4,；对于,18,O,值降低,0.15,0.5,。,高度效应实际上是复合的凝结效应。当湿空气团被抬升时,伴随凝结现象的产生,水汽中的氧稳定同位素被贫化。其结果,降水中的氧稳定同位素也不断地被贫化。,高度效应从海平面到最高的青藏高原，随着海拔高度的增加，大气降,季节效应,季节不同，大气降水中同位素也不是同一样的。冬季相对夏季，大气降水就要亏损重同位素。这主要是温度效应引起。夏季温度高，海水蒸发及云团形成（凝聚）过程同位素分馏小，因而造成夏季比冬季相对富集重同位素。,季节效应季节不同，大气降水中同位素也不是同一样的。冬季相对夏,降水量效应（可能掩盖,温度效应,）,在大多数中纬度大陆地区明显地出现降水量效应，降水中,D,和,18,O,值与降水量大小呈相反关系。,18,O,数值越负，降水量越大,在中低纬度海洋或季风区,尤其在亚洲季风区，温度效应受降水量效应干扰而不能辨认出来，这一现象在世界其他纬度较低温度较高的地区常有发生，一般高纬度地区特别是两极区温度效应较为明显。,降水量效应（可能掩盖温度效应）在大多数中纬度大陆地区明显地出,不受降水量效应影响,遵循温度效应,无降水量效应,不受降水量效应影响遵循温度效应无降水量效应,氧同位素与古气候,冰芯,-,冰芯中氢、氧同位素比率是度量气温高低的指标；净积累速率是降水量大小的指标；冰芯气泡中的气体成分和含量可以揭示大气成分的演化历史；宇宙成因的同位素可以提供宇宙射线强度变化、太阳活动和地磁场强度变化的证据；冰芯中微粒含量和各种化学物质成分的分析结果，可以提供不同的时期大气气溶胶、沙漠演化、植被演替、生物活动、大气环流强度、火山活动等信息；同时，冰芯也记录了人类活动对气候环境影响和各种信息等等。,海相沉积物,-Organisms that live in the oceans incorporate both isotopes of oxygen into their shells as they grow (with the ratio depending on the temperature of the water where they lived),When the organisms die, their shell material falls to the seafloor and is incorporated into the sediments. By examining the isotopic changes in cores recovered from the sediments, we can examine past climate changes,氧同位素与古气候冰芯-冰芯中氢、氧同位素比率是度量气温高低,Glacial Climates,冰河时代气候,Evaporation of O,16,Ocean,O,18,left behind,Glacier,Precipitation of O,16,O,16,doesnt get back,to the oceans, but is,instead “locked up” in,the glacier,Glacial Climates冰河时代气候Evaporat,Evaporation of O,16,Precipitation of O,16,Ocean,O,18,left behind,Non-glacial (warm) climates,非冰河时期,Evaporation of O16Precipitatio,冰芯研究,冰芯研究,Antarctic/Greenland Ice Core Records,Oxygen isotopes of the ice (H,2,O),CO,2,trapped in air bubbles,Antarctic/Greenland Ice Core R,Neumayer,德国南极考察站,Neumayer德国南极考察站,Georg-von-Neumayer-Station 1981-1992,Georg-von-Neumayer-Station 198,Georg-von-Neumayer Station during polar night,Georg-von-Neumayer Station dur,Neumayer Station 1992-2008,Neumayer Station 1992-2008,Glacial Ice Cores,In addition to oxygen isotopes, ice cores record aerosol content (dust, ash, etc), greenhouse gas (GHG) concentration and past climate variability,Vostok Ice Core, Antarctica:,climate data record of four interglacial-glacial cycles over the past 420,000 yrs. Some findings:,Climate variability with periodicities that correlate well with those of the Earth,s orbital parameters,Strong correlation between temperature fluctuations and greenhouse gas concentrations,See Petit, J.R., et al., 1999. Climate and atmospheric history of the past 420,000 years from the Vostok ice core, Antarctica. Nature 399: 429-436.,Dome C, East Antarctica:,record extended back to 800,000 yrs before present in Luthi et al., (2008),See Luthi et al., 2008. High-resolution carbon dioxide concentration record of 650,000-800,000 years before present. Nature 453:379-382.,Glacial Ice CoresIn addition t,annual mean of,d,18,O and air temperature,d,18,O T - relationship,温度效应,annual mean of d18O and air te,海相沉积物研究,As climate,cools, marine carbonates record an,increase in,d,18,O,.,Warming,yeilds a,decrease in,d,18,O,of marine carbonates.,JOIDES Resolution,Scientists examining core from the ocean floor.,海相沉积物研究 As climate cools, mari,氧同位素标准样品组成课件,古海洋的温度测定基本原理,碳酸盐沉积物的碳、氧同位素组成与沉淀介质的同位素组成有关，在,CaCO,3,-CO,2,-H,2,O,系统中，有以下同位素交换反应：,在碳酸盐与周围环境平衡时沉淀的贝壳碳酸盐，其稳定同位素组成同水中的,18,O,含量和介质的温度和盐度有关，因此通过贝壳碳酸盐同位素的研究，可以分析介质的性质。,古海洋的温度测定基本原理碳酸盐沉积物的碳、氧同位素组成与沉淀,古海洋的温度测定基本原理,古海洋的温度测定基本原理,氧同位素标准样品组成课件,O isotopes during the last 3 m.y.,Kump et al.,The Earth System,Fig. 14-4,Climatic cooling,accelerated,during the last 3 m.y.,Note that the cyclicity changes around 0.8-0.9 Ma, 41,000 yrs prior to this time, 100,000 yrs after this time,O isotopes during the last 3 m,Bassinot et al. 1994,O isotopesthe last 900 k.y.,Bassinot et al. 1994O isotopes,碳酸盐,磷酸盐,氧同位素生物来源,骨骼或牙齿的无机质：主要成分为羟磷灰石,Ca,10,(PO4),6,(OH),2,，血液中的碳酸根离子置换氢氧根离子或磷酸根离子，被称为结构碳酸盐：,Ca,10,(PO4,，,CO,3,),6,(OH,，,CO,3,),2,。,18,O,碳酸盐磷酸盐氧同位素生物来源骨骼或牙齿的无机质：主要成分为羟,18,O,来自磷酸盐 表示为,18,Op,18,O,来自碳酸盐 表示为,18,Oc,磷酸盐和碳酸盐氧同位素换算,18O来自磷酸盐 表示为18Op磷酸盐和碳酸盐氧同位素换,骨骼氧同位素与饮用水的关系,1984,年，,Longinelli,分析了人和猪血液和骨骼磷酸盐中,18,O,与引用水的,18,O,的关系。,245,次引用,骨骼氧同位素与饮用水的关系1984年，Longinelli分,优点,人体体温基本恒定，不受气候的改变。,人体大约有,65%,的水分。,人体的水主要来自环境中的水。,人体磷酸盐的沉积是在相同物理化学条件下。,基于上述考虑，,Longinelli,推测人体骨骼中磷酸盐的,18,O,与环境水的,18,O,的因该有良好的相关性。,为什么不考虑碳酸盐？,优点人体体温基本恒定，不受气候的改变。基于上述考虑，Long,人血液中的数据与环境中的水数据关系,人血液中的数据与环境中的水数据关系,血液中的水与大气降水的线性关系图,血液中的水与大气降水的线性关系图,猪血液中的数据与环境中的水数据关系,猪血液中的数据与环境中的水数据关系,氧同位素标准样品组成课件,人骨骼中的数据与环境中的水数据关系,人骨骼中的数据与环境中的水数据关系,猪骨骼中的数据与环境中的水数据关系,猪骨骼中的数据与环境中的水数据关系,氧同位素标准样品组成课件,动物与人类骨骼磷酸盐差别？,动物骨骼中的,18,O,值比人体稍高。,One possible explanation is that animals watered at ponds (more sensible to seasonal effects), which particularly in,arid areas,can be,18,O enriched by evaporation effects, while humans drank river water which is,normally, isotopically more negative than local rain water.,Moreover, in the case of herbivores, at least a part of the daily water intake is related to,grass water,. While the evapotranspiration processes cause an,18,O enrichment of grass and leaf water.,动物与人类骨骼磷酸盐差别？动物骨骼中的18O值比人体稍高。,利用牙釉质氧同位素计算年平均温度,利用哺乳动物骨骼或牙齿釉质中的磷酸盐的氧稳定同位素来定量研究陆地古气候,作为一种新的方法,最近越来越得到重视。哺乳动物骨骼或牙齿化石的,18,O,po4,能代表这些动物生活时期的原始数值,我们就可以利用现生哺乳动物的经验方程来计算地质历史时期的年平均温度。,利用牙釉质氧同位素计算年平均温度利用哺乳动物骨骼或牙齿釉质中,氧同位素标准样品组成课件,氧同位素标准样品组成课件,马科动物牙釉质,18,O,与降水,18,O,的关系,第一个公式根据,10,个样品得到第二个公式根据,6,个样品得到,邓涛根据,16,个样本的数据重新计算得到：,的关系,马科动物牙釉质18O与降水18O的关系第一个公式根据10个样,氧同位素标准样品组成课件,邓涛推导出下列公式,邓涛推导出下列公式,氧同位素标准样品组成课件,氧同位素与迁徙,The efficaciousness of using ,18,O isotoperatios in human bone for anthropological studies focusing on migratory behavior was shownby White et al. (1998) who compared the bone oxygen isotope signatures in archaeological remains to those characteristic for a specific geological region to trace geographical origins in the Valley of Oaxaca in Mexico.,Evans et al. (2006) examined two burials from Amesbury England, one of which is known as the “Amesbury Archer”, and found that this individuals 18O composition is not characteristic for Britain but rather central Europe, implying that the“Archer” was a non-local. The ,18, values from the second burial indicated that the individual was probably from southern England or Ireland.,氧同位素与迁徙The efficaciousness of,Scientists analyzing the remains of the 5300 year old Neolithic “Iceman” mentioned earlier, which was discovered in Northern Italy, found the bones to be significantly lighter in,18,O compared to the tooth enamel,indicating that the Iceman spent his childhood at lower altitudes,(Mller et al. 2005,Hoogewerff et al. 2001).,Scientists analyzing the remai,锶稳定同位素,锶稳定同位素,回顾,氮稳定同位素,_,骨胶原,氮稳定同位素,15,N/,14,N,与食物链营养级相关,反映了肉食资源的摄入情况,-,食草类动物，为,3,7,-,杂食类动物，为,7,9,一级食肉类动物以及各种鱼类，为,9,12,。,二级食肉类动物，其值更高。,回顾氮稳定同位素_骨胶原氮稳定同位素15N/14N与,回顾,氢氧稳定同位素,_,骨骼系统,氢氧稳定同位素分馏,水的蒸发和凝聚,不同地区的大气降水的,18,O,和,D,不同。,温度效应,在中高纬度大陆内部,（正关系）,在中低纬度海洋和季风区,（副关系）,纬度效应,由低到高，数值逐渐降低,季节效应,夏季高，冬季低,高度效应,海拔高数值低，海拔低数值高,解决问题：迁移和环境温度、降雨量等,回顾氢氧稳定同位素_骨骼系统氢氧稳定同位素分馏水的蒸,假设，我们的饮水来自大气降水,区域多年平均,18,O,与平均气温之间相关关系以及特定地区年平均,18,O,与气温之间相关关系是古气候重建研究的一种独特方法。,我国北方年平均降水与年平均气温的关系,18,O=0.52T-14.03,张琳 等（,2008,）第,31,卷 第,9,期 核技术，我国不同时间尺度的大气降水氧同位素与气温的相关性分析,假设，我们的饮水来自大气降水区域多年平均 18O 与平均气,降水与骨骼磷灰石的关系,Longinelli,推测人体骨骼中磷酸盐的,18,O,与环境水的,18,O,的因该有良好的相关性。,邓涛马科动物牙釉质,18,Ow,指大气降水,降水与骨骼磷灰石的关系Longinelli推测人体骨骼中磷酸,锶同位素,在许多矿物中,Sr,+,可以置换,Ca,+,，所以,Sr,也是一个分散元素，并出现在含,Ca,的矿物中，如斜长石、磷灰石和碳酸钙矿物。,锶同位素在许多矿物中Sr+可以置换Ca+，所以Sr也是一个分,Sr,稳定同位素,Sr,有,23,个同位素，其中,4,个天然存在的稳定同位素及其平均相对丰度为：,88,Sr,82.53%,87,Sr,7.04%,（放射线成因）,86,Sr,9.87%,84,Sr,0.56%,（,Faure, 1986,）。,Sr稳定同位素Sr有23个同位素，其中4个天,放射线成因的,87,Sr,87,Rb,87,Sr,-,Q,87,Rb,半衰期为,4.8810,10,年（,Steiger & Jager, 1977,）,由于,87,Rb,衰变形成,87,Sr,，故,Sr,同位素丰度是变化的。因此，一含,Rb,矿物或岩石中,Sr,同位素相对丰度取决于该矿物或岩石的年龄及其,Rb/Sr,比值。,放射线成因的87Sr87Rb87Sr-Q,Rb,Sr,同位素年代学,矿物中 其中，,87,Sr,为矿物中现今的,87,Sr,的原子数总量，,87,Sr,i,为矿物中,87,Sr,的初始原子数值，衰变常数,1.4210,-11,a,-1,，,t,为矿物形成以来所经历的时间。,RbSr同位素年代学矿物中,锶稳定同位素与人群迁徙,研究古人栖息地的迁徙有相当重要的考古意义。,外来人口的比例， 女性世袭的母系社会还是男性世袭从外地娶女成家的父系社会。,早期人群是否是外来人口，可以提供关于目的所属氏族是否从外地迁徙过来,新疆小河,。,早在,20,世纪,80,年代,Ericson,（,1985,）就提出，分析史前人骨的锶同位素组成可能获得关于古人栖息地变动的信息。,锶稳定同位素与人群迁徙研究古人栖息地的迁徙有相当重要的考古意,为什么选择锶？,锶、铅和钕是,3,种其同位素组成在自然界有显著地区和矿源涨落的中等重量以上的元素，不同地区可能具有不同的锶同位素组成。,锶能以较高的含量结合进入人体组织的羟基磷灰石中。,铅,青铜器矿料溯源。,为什么选择锶？锶、铅和钕是3种其同位素组成在自然界有显著地区,锶稳定同位素分析原理,4,种稳定同位素在地球物质中分布不均匀：,1.,相同时间不同区域形成的岩石具有不同的锶同位素组成。,2.,同一区域不同时期，甚至同一时期形成的岩石，锶同位素的组成也存在明显的差异。这种差异性为研究人类的迁徙提供了可靠的基础。,当岩石风化形成土壤时，生长在这些土壤中的植物就会获得这些岩石的,87,Sr/,86,Sr,比值,食草动物,食肉动物（或人体）,保留在骨骼系统中。,锶稳定同位素分析原理4种稳定同位素在地球物质中分布不均匀：1,锶稳定同位素分析原理,骨骼和牙齿中,90%,都是无机物，主要由钙羟磷灰石组成,Ca,10,(PO,4,),6,(OH),2,。,锶的化学性质和原子半径与钙相似，在骨骼和牙齿形成过程中，锶可以取代晶格中的钙离子，浓度可达,10,2,-10,3,ppm,数量级。,骨骼中的锶浓度明显高于牙釉质，可能因为人类幼年所吃的食物中乳汁占有相当大的比例有关，而乳汁中锶浓度低引起的。,锶稳定同位素分析原理骨骼和牙齿中90%都是无机物，主要由钙羟,锶稳定同位素分析原理,骨骼,不断地与外界物质发生交换，不同的部位具有不同的转换率，骨密质中的转换率大约是,3%,每年，骨松质的大约是,26%,每年，因此可以记录个体最后,2,年,-20,年生活地区的锶同位素特征。,牙齿,在个体幼年期就形成了，而且其结构不再发生变化，即使个体死亡之后