碳、硫元素的地球化学性质
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- 2025-05-06 23:00:49
碳元素的原子序数为6，原子量为12.011，在宇宙中丰度最高，但碳在地球上的含量有限，地壳和地幔的碳平均含量仅有万分之几，大量的碳同位素研究主要集中于石油、天然气地质、沉积环境及探讨生命起源等方面。
自然界的碳，包括无机碳和有机碳两大类。其中，无机碳往往以石墨、金刚石、碳酸盐等形式出现。碳在自然循环过程中，同位素分馏很大且变化范围很宽，碳酸盐的变化达10‰，甲烷的δ13C值变化超过90。无机碳和有机碳是可以相互转化的，植物的光合作用可以将大气圈的CO2转化为有机碳，而氧化和生命的呼吸作用又可将有机碳转化为CO2，CO2溶于地表水，生成HCO－3与Ca2+结合为碳酸盐。
碳有3种同位素:12C、13C和14C，其中14C是放射性同位素，半衰期为(5568±30)年。碳的稳定同位素丰度为:12C，98.892%;13C，1.108%。植物的光合作用是碳同位素分馏的一种特殊而重要的分馏方式，它可以产生很大的同位素分馏。
硫元素的原子序数为16，原子量为32.06，它几乎存在于所有的天然物质中。
硫有4种稳定同位素，其相对丰度为:32S，95.0%;33S，0.76%;34S，4.22%;36S，0.074%(布雷肯、莫勒，1956)。地外物质经受过高能粒子的照射，通过核反应会产生33S、36S，所以，33S/32S和36S/32S比值只在研究地外物质时才使用。目前发现，最富34S的硫化物是俄罗斯哲兹卡兹甘的层状铜矿床中的胶状黄铜矿，其δ34S值为70‰。最贫34S的硫化物是同一矿区中的维杰斯基统砂岩里的黄铁矿结核，其δ34S值为－52‰。最富δ34S的硫酸盐矿物是德国维斯罗兹矿床中的重晶石，其δ34S值高达94‰，最贫34S的硫酸盐矿物是俄罗斯堪察加半岛自然硫矿床中的明矾石［KA13(SO4)2(OH)6］，其δ34S值仅有－10.8‰。由此可见，硫同位素的变化范围高达150‰。不过，98%的样品的δ34S值的变化是在－40‰～40‰之间，所以，硫同位素的典型变化范围是80‰。硫同位素有这样大的变化范围，这与硫同位素的质量差和一系列化学性质有关。硫是一种变价元素，在不同环境下，可形成负价的硫化物、自然硫直至正六价的硫酸盐。一方面，这些不同的含硫化合物之间有明显的硫同位素分馏;另一方面，各种含硫化合物的稳定性和溶解度也各不相同。例如，冷水中金属硫化物很难溶解，但硫酸盐的溶解度却很大，在循环水的作用下，硫酸盐会被溶解并被带走，导致轻同位素的硫与重同位素的硫发生空间上的分离。在地质作用过程中，由于物理化学条件的变化，会产生局部地区堆积硫化物或硫酸盐，再一次使重硫和轻硫发生分离。
碳、硫均为变价元素，在同位素分馏方面有许多相似之处。
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