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DaKohlenstoffinderNaturindreiWertig-
keitsstufen (- IV in Methan und Organika, 0 in
GraphitundDiamantsowie+IVinKarbona-
ten) vorkommt und in Fest-, Flüssig- und Gas-
phasen vorliegt, gibt es reichlich Möglichkeiten
der Isotopenfraktionierung.
Anorganisch
ge-
schieht die Fraktionierung überwiegend zwi-
schen festem Karbonat, in Wasser gelöstem Hy-
drogenkarbonat (HCO
3
-
)undgasförmigemCO
2
aus der Luft. Die drei wichtigsten Reaktions-
schritte bei der Auflösung von Kalk involvieren
all diese Phasen und Spezies, und stellen die
wichtigste Quelle der anorganischen Isotopen-
fraktionierung dar. Es sind
CO
2
(g) = CO
2
(aq)
CO
2
(aq) + H
2
O(l) = H
+
(aq) + HCO
3
-
(aq)
CaCO
3
(s) + H
+
(aq) = Ca
2+
(aq) + HCO
3
-
(aq).
Diese ergeben die Gesamtreaktion
CO
2
(g) + H
2
O(l) + CaCO
3
(s) = Ca
2+
(aq)
+2HCO
-
(aq)
Bei den Temperaturen der Erdoberfläche liegt
alsoinWassergelösterKohlenstoffimneutra-
len pH-Bereich überwiegend als
Hydrogenkar-
bonat
vor. Die experimentell bestimmten Frak-
tionierungskurvenfürdieandieserReaktion
beteiligten Spezies sind in Abb. 4.93 als Funk-
tion der Temperatur abgebildet, bei 20 °C sind
die
a
-Werte in Tabelle 4.14 angegeben.
Marine Karbonate
haben häufig
d
13
C-Werte
um + 4 bis + 5 ‰. Dies lässt sich anhand der
Fraktionierungsfaktoren leicht erklären:
Luft-
CO
2
hat einen Isotopenwert von
d
13
C=-9‰
(vor einigen Jahrzehnten war er noch - 7 ‰, in
Ballungsräumen
(a)
Temperatur (°C)
1000
300 200
100
50
25
20
Aragonit
Dolomit
10
Calcit
0
Diamant
Graphit
-10
-20
-30
-40
-50
CH
4
-60
-70
-80
0
2
4
6
8
10
12
10
6
/T
2
(K
-2
)
(b)
Temperatur (°C)
0
20
40
60
80
12
10
8
6
4
2
erreicht
er
heute
schon
0
- 12 ‰). Ein willkürliches Beispiel:
3,6
3,4
3,2
3,0
2,8
10
3
/T (K
-1
)
Tabelle 4.14
Fraktionierungsfaktoren a für Koh-
lenstoffisotopengleichgewichte zwischen Calcit,
CO
2
und Hydrogenkarbonat bei 20°C
Isotopenaustausch
4.93
(a) Kohlenstoffisotopen-Fraktionierung zwi-
schen Methan bzw. verschiedenen Mineralen und
CO
2
bei verschiedenen Temperaturen. Nach Cha-
cko et al. (2001). (b) Kohlenstoffisotopen-Fraktio-
nierung zwischen Calcit, CO
2
und Hydrogenkarbo-
nationen bei 0 bis 80°C. Nach Emrich et al. (1970).
Man beachte die unterschiedlichen Steigungen!
a bei 20°C
CaCO
3
-HCO
3
-
1,00185 ± 0,00023
HCO
3
-
-CO
2
1,00838 ± 0,00012
CaCO
3
-CO
2
1,01017 ± 0,00018
