Δ13C

En geoquímica, paleoclimatologia i paleoceanografia, δ¹³C (pronunciat «delta C tretze») o delta-C-13, és un isòtop traçador, una mesura de la proporció dels dos isòtops estables del carboni (¹³C i ¹²C) en parts per mil (‰). La mesura també s'utilitza àmpliament en arqueologia per a la reconstrucció de dietes passades, especialment per veure si es consumien aliments marins o certs tipus de plantes.

Mostres de foraminífers

La definició és (en per mil):

$\delta {\ce {^{13}C}}=\left({\frac {\left({\frac {{\ce {^{13}C}}}{{\ce {^{12}C}}}}\right)_{\mathrm {mostra} }}{\left({\frac {{\ce {^{13}C}}}{{\ce {^{12}C}}}}\right)_{\mathrm {estandard} }}}-1\right)\times 1000$

on l'estàndard és un material de referència establert.

δ¹³C varia en el temps en funció de la productivitat, la signatura de la font inorgànica, l'enterrament del carboni orgànic i el tipus de vegetació. Els processos biològics prenen preferentment l'isòtop de menor massa mitjançant el fraccionament cinètic. Tanmateix, alguns processos abiòtics fan el mateix. Per exemple, el metà de les fumaroles hidrotermals es pot esgotar fins a un 50%.

Referència estàndard

Belemnitella americana. Museu de Geologia Rutgers

L'estàndard establert per al treball del carboni 13 va ser el Pee Dee Belemnite (PDB) i es basava en un fòssil marí del Cretaci, Belemnitella americana, que era de la Formació Peedee a Carolina del Sud (Estats Units d'Amèrica). Aquest material tenia una relació ¹³C:¹²C anormalment alta ($0,0112372$) i es va establir com un valor δ¹³C de zero. Com que l'espècimen PDB original ja no està disponible, la seva relació ¹³C:¹²C es pot calcular a partir d'un estàndard de carbonat NBS-19 àmpliament mesurat, que té un valor δ¹³C de +1,95 ‰.

La relació ¹³C:¹²C de NBS-19 es va informar que valia $0,011078/0,988922=0,011202$. Per tant, es podria calcular la relació ¹³C:¹²C de PDB derivada de NBS-19 com $0,011202/(1,95/1000+1)=0,011202/1,00195=0,01118$.

S'ha de tenir en compte que aquest valor difereix de la relació PDB ¹³C:¹²C àmpliament utilitzada de $0,0112372$ que s'utilitza en la investigació forense d'isòtops i els científics ambientals.

L'ús de l'estàndard PDB dóna a la majoria dels materials naturals un δ¹³C negatiu. Un material amb una proporció de $0,010743$, per exemple, tindria un valor δ¹³C de -44‰ de $(0,010743\div 0,01124-1)\times 1000$.

Els estàndards s'utilitzen per verificar la precisió de l'espectroscòpia de masses; a mesura que es feien més habituals els estudis d'isòtops, la demanda de l'estàndard va esgotar l'oferta. Altres estàndards calibrats a la mateixa proporció, inclòs un conegut com VPDB (per a «Vienna PDB»), han substituït l'original.

La relació ¹³C:¹²C per a VPDB, que l'Agència Internacional d'Energia Atòmica (OIEA) defineix com a valor δ¹³C de zero és $0,01123720$.

Causes de la variació de δ¹³C

El metà (CH₄) té una signatura δ¹³C molt lleugera: metà biogènic de −60‰, metà termogènic −40‰. L'alliberament de grans quantitats de clatrat de metà (8CH₄·46H₂O) pot afectar els valors globals de δ¹³C, com al màxim tèrmic del Paleocè-Eocè.

Més comunament, la proporció es veu afectada per les variacions en la producció primària i l'enterrament orgànic. Els organismes prenen preferentment el ¹²C lleuger i tenen una signatura δ13C d'uns -25‰, depenent de la seva ruta metabòlica. Per tant, un augment de δ¹³C en fòssils marins és indicatiu d'un augment de l'abundància de vegetació.

Un augment de la producció primària provoca un augment corresponent en els valors de δ¹³C a mesura que s'emmagatzema més ¹²C a les plantes. Aquest senyal també és una funció de la quantitat d'enterrament de carboni; quan el carboni orgànic està enterrat, queda més ¹²C fora del sistema als sediments que la relació de fons perquè el carboni orgànic és més lleuger.

Importància geològica de les excursions de δ¹³C

Les plantes C3 i C4 tenen diferents signatures, cosa que permet detectar l'abundància d'herbes C4 a través del temps al registre δ¹³C. Mentre que les plantes C4 tenen un δ13C de -16 a -10‰, les plantes C3 tenen un δ13C de -33 a -24‰.

Les extincions massives sovint estan marcades per una anomalia negativa de δ¹³C que es creu que representa una disminució de la producció primària i l'alliberament de carboni vegetal. Per contra, les excursions positives de δ¹³C s'interpreten com el resultat de l'augment de la fixació del carboni per part dels productors primaris i l'enterrament posterior d'aquest carboni orgànic a les roques sedimentàries, cosa que significa la proliferació de la vida.

L'evolució de les grans plantes terrestres a finals del Devonià va provocar un augment de l'enterrament de carboni orgànic i, en conseqüència, un augment de δ¹³C.

Principals esdeveniments d'excursions de δ¹³C

• Esdeveniment de Lomagundi-Jatuli (2.300–2.080 Ma) Paleoproterozoic - Excursió positiva
• Esdeveniment de Shunga-Francevillian (2.080 Ma) Paleoproterozoic - Excursió negativa
• Excursió de Shuram-Wonoka (570–551 Ma) Neoproterozoic - Excursió negativa
• Excursió d'isòtops de carboni positiva de Steptoean (494,6-492 Ma) Paleozoic - Excursió positiva
• Esdeveniment Cenomià-Turonià (93,9 Ma) Mesozoic - Excursió positiva
• Màxim tèrmic del Paleocè-Eocè (55,5 Ma) Cenozoic - Excursió negativa

Bibliografia

• Brand, Willi A.; Coplen, Tyler B.; Vogl, Jochen; Rosner, Martin; Prohaska, Thomas «Assessment of international reference materials for isotope-ratio analysis (IUPAC Technical Report)» (en anglès). Pure and Applied Chemistry, 86(3), març 2014. DOI: 10.1515/pac-2013-1023. ISSN: 1365-3075.
• Canfield, Donald E.; Ngombi-Pemba, Lauriss; Hammarlund, Emma U. «Oxygen dynamics in the aftermath of the Great Oxidation of Earth's atmosphere» (en anglès). Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 110(42), octubre 2013. Bibcode: 2013PNAS..11016736C. DOI: 10.1073/pnas.1315570110. PMC: 3801071. PMID: 24082125.
• Craig, Harmon «Isotopic standards for carbon and oxygen and correction factors for mass-spectrometric analysis of carbon dioxide» (en anglès). Geochimica et Cosmochimica Acta, 12(1), gener 1957. Bibcode: 1957GeCoA..12..133C. DOI: 10.1016/0016-7037(57)90024-8. ISSN: 0016-7037.
• Libes, Susan M. Introduction to Marine Biogeochemistry (en anglès). Nova York: Wiley, 1992. 
• McDermott, J. M.; Seewald, J. S.; German, C. R.; Sylva, S. P. «Pathways for abiotic organic synthesis at submarine hydrothermal fields» (PDF) (en anglès). Proceedings of the National Academy of Sciences, 112(25), 2015..
• Meier-Augenstein, Wolfram. Stable isotope forensics: methods and forensic applications of stable isotope analysis (en anglès), setembre 2017. ISBN 978-1-119-08022-0. OCLC 975998493. 
• Meija, Juris; Coplen, Tyler B.; Berglund, Michael; Brand, Willi A.; De Bièvre, Paul «Isotopic compositions of the elements 2013 (IUPAC Technical Report)» (en anglès). Pure and Applied Chemistry, 88(3), gener 2016. DOI: 10.1515/pac-2015-0503. ISSN: 1365-3075.
• Michener, Robert; Lajtha, Kate. Stable Isotopes in Ecology and Environmental Science (en anglès). Oxford, UK: Blackwell Publishing Ltd, 2007. DOI 10.1002/9780470691854. ISBN 978-0-470-69185-4. 
• Miller, Charles B.; Wheeler, Patricia A. Biological Oceanography (en anglès). Oxford: John Wiley & Sons, 2012. ISBN 978-1-4443-3301-5. 
• Mook, W. G.; Tan, F. C. «Stable carbon isotopes in rivers and estuaries» (en anglès). Biogeochemistry of major world rivers, 42, 1991, pàg. 245-264.
• O'Leary, M. H. «Carbon Isotopes in Photosynthesis» (en anglès). BioScience, 38(5), 1988. DOI: 10.2307/1310735. JSTOR: 1310735.
• Panchuk, K.; Ridgwell, A.; Kump, L. R. «Sedimentary response to Paleocene-Eocene Thermal Maximum carbon release: A model-data comparison» (en anglès). Geology, 36(4), 2008. Bibcode: 2008Geo....36..315P. DOI: 10.1130/G24474A.1.
• Retallack, G. J. «Cenozoic Expansion of Grasslands and Climatic Cooling» (en anglès). The Journal of Geology, 109(4), 2001. Bibcode: 2001JG....109..407R. DOI: 10.1086/320791.
• Schwarcz, Henry P.; Schoeninger, Margaret J. «Stable isotope analyses in human nutritional ecology» (en anglès). American Journal of Physical Anthropology, 34(S13), 1991. DOI: 10.1002/ajpa.1330340613.

Vegeu també

• Anàlisi isotòpica
• Geoquímica d'isòtops
• Isòtops del carboni