실리콘 동위원소 생물 지구 화학

Silicon isotope biogeochemistry
그림 1: 특정 저장고 및 프로세스와 관련된 Si 생체 지구화학적 사이클과 Si 안정 동위원소 값(θSi30)의 개략도(괄호 안, 퍼밀 단위)그림의 데이터는 Sutton 등(2018)[1]의 보충 데이터베이스에 기초한다.

실리콘 동위원소 생물 지구 화학은 Si 동위원소의 상대적 풍부함을 이용한 환경 과정의 연구이다.Si 안정 동위원소의 상대적 풍부성은 천연 [2]물질에 따라 다르기 때문에, 그 풍부성의 차이는 Si의 근원을 추적하고 생물학적, 지질학적,[1] 화학적 과정을 연구하는 데 사용될 수 있다.Si의 안정적인 동위원소 생물 지구 화학 연구는 지구 생물 지구 화학 실리콘 사이클의 다양한 Si 플럭스를 정량화하고, 지구 Si 사이클 내의 생물 발생 실리카의 역할을 이해하며, 환경 및 고생해양학 [1]대리로서의 퇴적 Si 기록의 적용과 한계를 조사하는 것을 목적으로 한다.

배경

자연에서 실리콘은 일반적으로 4가 산화 상태에서 산소와 결합됩니다.고체 Si의 주요 형태는 규산염 광물과 비정질 실리카인 반면, 수용액에서 지배적인 형태는 오르토실산과 그 해리된 [3]종이다.Si에는 세 가지 안정 동위원소가 있으며, 다음과 같은 평균 자연 함유량과 관련이 있다.28Si – 92.23%, Si – 4.67%, Si – 3.10%.[2]Si의 동위원소 구성은 종종 다음과 같이 델타 표기법으로 공식화된다.

샘플의 µSi를30 정의하기 위한 기준물질(표준)은 국립표준국(NBS) 28 Sand Quartz로, 국립표준기술원(NIST)에 의해 인증 및 배포되었으며 NIST RM [3]8546으로도 명명되었다.현재 Si 동위원소 측정에는 가스원 동위원소-비율 질량분석(GC-IRMS), 2차 이온 질량분석(SIMS), 다중 수집기 유도 결합 플라즈마 질량분석(MC-IP-MS), 레이저 절제(Laser Ablation)의 4가지 주요 분석 방법이 있다.

Si 생물 지구 화학적 순환의 Si 동위원소

다음 항목도 참조하십시오.실리카 사이클

일차 광물 및 풍화

1차 광물은 지각 형성 중에 결정화되는 광물로, 전형적인 【Si30 동위원소 값은 -0.9㎜~+1.4㎜[1] 범위이다.지구의 지각은 끊임없이 풍화 과정을 거치고 있는데, 이것은 Si를 녹이면서 동시에 2차 Si 광물을 생산한다.2차 Si의 형성은 무거운 Si 30동위원소(Si)를 구별하여 상대적으로 낮은 δSi30 동위원소 값(-3µ – +2.5µ, 평균: -1.1µ)[4]을 가진 광물을 생성한다.이러한 동위원소 분화는 풍화 [5]초기 단계에서 일어나는 수소화 알루미늄에 대한 Si 흡착의 운동 동위원소 효과에 의해 제어된다고 제안되었다.2차 광물에 더 가벼운 Si 동위원소가 결합되면 나머지 용해된 Si는 무거운 Si 30동위원소(Si)에서 상대적으로 농축되며 상대적으로 높은 δSi30 동위원소 값(-1µ – +2µ, 평균: +0.8µ)[4]과 관련된다.용해된 Si는 종종 강을 통해 바다로 운반된다.

육생 식물

식물에 의한 실리콘 흡수는 일반적으로 가벼운 Si 동위원소를 구별하여 Si가 풍부한 식물(siSi30 of 0–6µ)[1]을 형성한다.이 비교적 큰 동위원소 분화의 이유는 주로 식물에 의한 Si 흡수 메커니즘이 아직 이해되지 않았기 때문에 여전히 불분명하다.식물의 실리콘은 목질에서 찾을 수 있으며, 이는 매우 높은30 δSi [6]값과 관련이 있습니다.식물 조직에 있는 실리카의 미세한 구조인 피톨리스는 상대적으로 낮은 δSi30 [6]값을 가지고 있다.예를 들어, 다양한 밀 기관의 피토리스 평균은 -1.4~2.1㎜[7]로30 일반적인 식생 범위([Si30 of 0~6])보다 낮은 것으로 보고되었다.식물석은 비교적 용해성이 높으며 식물이 부패함에 따라 육지 용해 Si 예산에 [1]기여합니다.

수생환경에서의 생물미네랄화

그림 2: 다른 Si 저장소의 전형적인 실리콘(Si) 안정 동위원소 값(δSi30) (페밀 단위)Sutton 등(2018)에 발표된 [1]보충 데이터베이스에 따라 흰색 사각형은 평균값을 나타내고 막대는 최소값과 최대값 사이의 범위를 나타낸다.

수생 환경(강, 호수 및 해양)에서 용해된 Si는 고체2 bSiO 구조를 생성하기 위해 디아톰, 딕토칼레스, 방사극자 및 스펀지에 의해 사용된다.생물미네랄화 실리카는 비정질 구조를 가지고 있기 때문에 [8]생물마다 특성이 다를 수 있다.규조류에 의한 생물광물화는 바다 내에서 가장 큰 Si 플럭스를 유도하기 때문에 지구 Si [9]사이클에서 중요한 역할을 한다.규조류에 의한 Si 흡수가 이루어지는 동안 무거운 동위원소에 대한 동위원소 판별이 있어 Si 결핍 생물 실리카 [10]광물을 형성한다.그 결과, 주변수중에 남아 있는 용존 Si가 Si농축된다.규조류는 광합성을 위해 햇빛에 의존하기 때문에 지표수에 서식하며, 따라서 바다의 지표수는 전형적으로 시농축된다.[1]방사선에 의한 생물광물화 중 동위원소 30분화에 대한 데이터는 적지만 방사선에 의한 중동위원소(Si)에 대해서도 구별하며, 동위원소 분화의 크기는 [11]규조에 의한 생물광물화와 유사한 범위라고 제안되었다.스펀지는 또한 Si보다 Si에 대한 동위원소 선호도를 나타내지만, 종종 동위원소 분화의 크기가[1] 더 크다(정량 비교는 그림 2 참조).

열수 분출구

열수 분출구는 용해된 Si를 해양 Si 저수지에 기여한다.현재 열수성 Si 플럭스의 크기를 결정하는 것은 [1]이 플럭스와30 관련된 δSi 값에 대한 데이터가 부족하기 때문에 어렵다.「열수 분출구의 Si 값(-0.4㎜ 및 -0.2㎜)」[12]에30 대해서는, 공표된 데이터 포인트는 2개 뿐입니다.

진단법제네시스

침전물 기공수의 δSi30 값은 퇴적 후(유전성) 침전 또는 Si의 용해에 의해 영향을 받을 수 있다.이러한 과정은 원래 퇴적된 퇴적물의 δSi30 값을 변경하기 때문에 범위와 동위원소 분화를 이해하고 [1]암석 기록에 보존된30 δSi를 결정하는 것이 중요하다.일반적으로 Si의 침전은 광동위원소(28Si)를 선호하며, [13]수용액 중 Si 농후 용해 Si로 이어진다.공극수에서 Si 용해의 동위원소 효과는 아직 명확하지 않다. 일부 연구는 용해 [14]중 Si 선호도를 보고하는 반면,[15] 다른 연구는 침전물 용해 시 동위원소 분화가 발현되지 않았다고 보고하고 있다.

고생양학 대리

규산 누출 가설

규산누출가설(SALH)은 빙하기와 간빙기 [16]사이의 대기 중 CO2 변화를 설명하기 위해 제안된 메커니즘이다.이 가설은 빙하기 동안, 남쪽 바다의 먼지 퇴적량이 증가했기 때문에, 규조류가 질소에 비해 더 적은 Si를 소비한다는 것을 암시한다.Si:N 흡수율의 감소는 남쪽 바다에서 Si 과잉으로 이어지고, 이는 콕콜리소포어가 지배하는 바다의 저위도로 누출된다.Si 농도가 상승함에 따라 규조류가 콕콜리소포체를 능가하여 CaCO3 침전을 줄이고 해양 알칼리성과 탄산펌프를 [17]변화시킬 수 있습니다.이러한 변화는 지난 빙하기 [16]동안 관측된 CO의2 감소와 일관되게 낮은 대기2 CO 농도의 새로운 해양 대기 안정 상태를 유도할 것이다.이 [18]가설을 검토하기 위해 남해 규조 퇴적물에 보관된 δSi 및 δN3015 동위원소 값이 사용되었는데, 이는 마지막 탈착 시 Si 및 N 공급 및 이용의 역학을 이 기록에서 해석할 수 있기 때문이다.규산 누출 가설과 일치하여, 이러한 동위원소 아카이브는 탈글리세이션 [18]동안 남해에서 Si 이용률이 증가했음을 시사한다.

Si 동위원소 고온도 측정

시생대 바닷물의 온도가 현대(70°[19]C까지)보다 상당히 높았음을 시사하는 처트 Si 동위원소 기록에 의해 해양 고생황제를 재구성하려는 시도가 있었다.그러나 후속 연구는 이 고열측정법에 의문을 제기하고 시생 암석의 [3]δSi30 값에 대한 대체 설명을 제공한다.이러한 신호는 원래의 µSi30 [20]값을 오버프린트하는 약성 변경 프로세스에서 발생할 수 있습니다.또한 시생의 셰르트가 다른 Si 소스로 구성되었음을 반영할 수 있습니다.현대 해양의 광대한2 SiO 생물광물화와는 대조적으로, 시대에서 Si 퇴적물의 주요 공급원은 풍화, 침식, 쇄설 퇴적물의 규화 또는 열수 [21]활동이었다.

Paleo Si 농도

실증교정에 따르면 스폰지와 그 수용수의 δSi30(δSi로30 표시)의 [22]차이는 수용액의 Si 농도와 상관관계가 있다.따라서 고대 바다 밑바닥의 Si 농도는 암석기록에 [22]보존되어 있는 스펀지 스파이큘 공존의30 δSi로 해석할 수 있다는 의견이 제시되었다.이러한 관계는 스펀지의 [22]성장률과 Si 흡수 동태에 의해 결정된다고 제안되었지만, 스펀지 생미네랄화 경로에 대한 현재의 이해는 [1]제한적이다.이 관계의 메커니즘은 아직 명확하지 않지만, 다양한 실험실 실험, 현대 환경 및 핵심 상부 [1]퇴적물 사이에서 일관되게 나타납니다.그러나 육식성 스펀지의 δSi가30 예상 [23]상관관계와 크게 다를 수 있다는 증거도 있다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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