Silicon isotope biogeochemistry
સિલિકોન આઇસોટોપ બાયોજિઓકેમિસ્ટ્રી એ સી આઇસોટોપ્સની સાપેક્ષ વિપુલતાનો ઉપયોગ કરીને પર્યાવરણીય પ્રક્રિયાઓનો અભ્યાસ છે. સી સ્થિર આઇસોટોપ્સની સાપેક્ષ વિપુલતા વિવિધ કુદરતી પદાર્થોમાં બદલાય છે, તેથી વિપુલતામાં તફાવતનો ઉપયોગ સી ના સ્ત્રોતને શોધવા અને જૈવિક, ભૌગોલિક અને રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓનો અભ્યાસ કરવા માટે કરી શકાય છે. સી ના સ્થિર આઇસોટોપ બાયોજિઓકેમિસ્ટ્રીના અભ્યાસનો ઉદ્દેશ વૈશ્વિક બાયોજિઓકેમિકલ સિલિકોન ચક્રમાં વિવિધ સી ફ્લક્સનું પ્રમાણ નક્કી કરવાનો, વૈશ્વિક સી ચક્રમાં બાયોજેનિક સિલિકાની ભૂમિકાને સમજવાનો અને પર્યાવરણીય અને પેલિયોઓસનોગ્રાફિક પ્રોક્સી તરીકે સેડિમેન્ટરી સી રેકોર્ડની ઉપયોગિતાઓ અને મર્યાદાઓની તપાસ કરવાનો છે. પૃષ્ઠભૂમિ પ્રકૃતિમાં સિલિકોન સામાન્ય રીતે ટેટ્રાવેલન્ટ ઓક્સિડેશન સ્થિતિમાં ઓક્સિજન સાથે બંધાયેલું હોય છે. ઘન સી ના મુખ્ય સ્વરૂપો સિલિકેટ ખનિજો અને આકારહીન સિલિકા છે, જ્યારે જલીય દ્રાવણમાં પ્રબળ સ્વરૂપો ઓર્થોસિલિક એસિડ અને તેની વિચ્છેદિત પ્રજાતિઓ છે. સી ના ત્રણ સ્થિર આઇસોટોપ છે, જે નીચેના સરેરાશ કુદરતી વિપુલતા સાથે સંકળાયેલા છેઃ 28Si-92.23%, 29Si-4.67%, અને 30Si-3.10%. સીની સમસ્થાનિક રચના ઘણીવાર ડેલ્ટા નોટેશન દ્વારા નીચે મુજબ ઘડવામાં આવે છેઃ નમૂનાના δ30Si ને વ્યાખ્યાયિત કરવા માટે સંદર્ભ સામગ્રી (પ્રમાણભૂત) નેશનલ બ્યુરો ઓફ સ્ટાન્ડર્ડ્સ (એનબીએસ) 28 સેન્ડ ક્વાર્ટઝ છે, જેને નેશનલ ઇન્સ્ટિટ્યૂટ ઓફ સ્ટાન્ડર્ડ્સ એન્ડ ટેકનોલોજી (એનઆઈએસટી) દ્વારા પ્રમાણિત અને વિતરિત કરવામાં આવી છે, અને તેને એનઆઈએસટી આરએમ 8546 પણ નામ આપવામાં આવ્યું છે. હાલમાં, એસ. આઈ. આઇસોટોપોના માપન માટે ચાર મુખ્ય વિશ્લેષણાત્મક પદ્ધતિઓ છેઃ ગેસ સ્રોત આઇસોટોપ-રેશિયો માસ સ્પેક્ટ્રોમેટ્રી (જી. સી.-આઇ. આર. એમ. એસ.), સેકન્ડરી આયન માસ સ્પેક્ટ્રોમેટ્રી (એસ. આઇ. એમ. એસ.), મલ્ટી-કલેક્ટર ઇન્ડક્ટિવલી કપલ્ડ પ્લાઝમા માસ સ્પેક્ટ્રોમેટ્રી (એમ. સી.-આઇ. પી. સી.-એમ. એસ.), અને લેસર એબ્લેશન એમ. સી.-આઇ. સી. પી.-એમ. એસ. સી બાયોજિઓકેમિકલ ચક્રમાં સી આઇસોટોપ્સ પ્રાથમિક ખનિજો અને હવામાન પ્રાથમિક ખનિજો એ ખનિજો છે જે પૃથ્વીના પોપડાની રચના દરમિયાન સ્ફટિકીકરણ કરે છે, અને તેમનું લાક્ષણિક δ30Si આઇસોટોપિક મૂલ્ય − 0.9-+ 1.4 ની શ્રેણીમાં હોય છે. પૃથ્વીનું પોપડું સતત હવામાન પ્રક્રિયાઓમાંથી પસાર થઈ રહ્યું છે, જે સી ને ઓગળી જાય છે અને સાથે સાથે ગૌણ સી ખનિજો ઉત્પન્ન કરે છે. ગૌણ Si ની રચના ભારે Si આઇસોટોપ (30Si) સામે ભેદભાવ કરે છે, જે પ્રમાણમાં નીચા δ30Si આઇસોટોપિક મૂલ્યો (−3Â-+ 2.5Â, અર્થઃ −1.1Â) સાથે ખનિજો બનાવે છે. એવું સૂચવવામાં આવ્યું છે કે આ આઇસોટોપિક અપૂર્ણાંક એલ્યુમિનિયમ હાઇડ્રોક્સાઇડમાં સી એડસોર્પ્શનની ગતિશીલ આઇસોટોપ અસર દ્વારા નિયંત્રિત થાય છે, જે હવામાનના પ્રારંભિક તબક્કામાં થાય છે. ગૌણ ખનિજોમાં હળવા સી આઇસોટોપ્સના સમાવેશના પરિણામે, બાકીના ઓગળેલા સી ભારે સી આઇસોટોપ (30એસઆઈ) માં સાપેક્ષ રીતે સમૃદ્ધ થશે, અને પ્રમાણમાં ઉચ્ચ δ30એસઆઈ આઇસોટોપિક મૂલ્યો (−1Â-+ 2Â, અર્થઃ + 0.8Â) સાથે સંકળાયેલા હશે. ઓગળેલા સીને ઘણીવાર નદીઓ દ્વારા મહાસાગરોમાં પરિવહન કરવામાં આવે છે. સ્થલીય વનસ્પતિ છોડ દ્વારા સિલિકોન ગ્રહણ સામાન્ય રીતે પ્રકાશ સી આઇસોટોપ સામે ભેદભાવ કરે છે, જે 30 સી-સમૃદ્ધ છોડ (0-6 નું δ30Si) બનાવે છે. આ પ્રમાણમાં મોટા સમસ્થાનિક અપૂર્ણાંકનું કારણ અસ્પષ્ટ છે, મુખ્યત્વે કારણ કે છોડ દ્વારા સી ગ્રહણ કરવાની પદ્ધતિઓ હજુ સમજવાની બાકી છે. છોડમાં સિલિકોન ઝાયલેમમાં મળી શકે છે, જે અપવાદરૂપે ઉચ્ચ δ30Si મૂલ્યો સાથે સંકળાયેલ છે. ફાયટોલિથ્સ, છોડની પેશીઓમાં સિલિકાની સૂક્ષ્મ રચનાઓ, પ્રમાણમાં ઓછી δ30Si મૂલ્યો ધરાવે છે. ઉદાહરણ તરીકે, એવું નોંધવામાં આવ્યું હતું કે ઘઉંના વિવિધ અવયવોમાં ફાયટોલિથ્સનો સરેરાશ δ30Si-1.4-2.1 â હતો, જે વનસ્પતિ માટે લાક્ષણિક શ્રેણી (0-6Â ની δ30Si) કરતા ઓછો છે. ફાયટોલિથ્સ પ્રમાણમાં દ્રાવ્ય હોય છે, અને જેમ જેમ છોડ ક્ષીણ થાય છે તેમ તેમ તેઓ પાર્થિવ ઓગળેલા સી બજેટમાં ફાળો આપે છે. જળચર વાતાવરણમાં બાયોમિનરલાઇઝેશન જળચર વાતાવરણમાં (નદીઓ, સરોવરો અને સમુદ્ર), ઓગળેલા સીનો ઉપયોગ ડાયાટોમ્સ, ડિક્ટ્યોચેલ્સ, રેડિયોલેરિયનો અને જળચરો દ્વારા નક્કર bSiO2 માળખાઓનું ઉત્પાદન કરવા માટે થાય છે. બાયોમિનરલાઇઝ્ડ સિલિકા એક આકારહીન માળખું ધરાવે છે અને તેથી તેના ગુણધર્મો વિવિધ સજીવોમાં અલગ અલગ હોઈ શકે છે. ડાયાટોમ્સ દ્વારા બાયોમિનરલાઇઝેશન સમુદ્રની અંદર સૌથી મોટા સી પ્રવાહને પ્રેરિત કરે છે, અને આમ તે વૈશ્વિક સી ચક્રમાં નિર્ણાયક ભૂમિકા ભજવે છે. ડાયાટોમ્સ દ્વારા સી ગ્રહણ દરમિયાન, ભારે આઇસોટોપ સામે આઇસોટોપિક ભેદભાવ હોય છે, જે 30 સી-ક્ષીણ બાયોજેનિક સિલિકા ખનિજો બનાવે છે. પરિણામે, આસપાસના પાણીમાં બાકીનું ઓગળેલું સી 30 સી-સમૃદ્ધ છે. ડાયટોમ્સ પ્રકાશસંશ્લેષણ માટે સૂર્યપ્રકાશ પર આધાર રાખે છે, તેથી તેઓ સપાટીના પાણીમાં રહે છે, અને આમ સમુદ્રનું સપાટીનું પાણી સામાન્ય રીતે 30 સી-સમૃદ્ધ હોય છે. રેડિયોલેરિયનો દ્વારા બાયોમિનરલાઇઝેશન દરમિયાન આઇસોટોપિક અપૂર્ણાંક પર ઓછી માહિતી ઉપલબ્ધ હોવા છતાં, એવું સૂચવવામાં આવ્યું છે કે રેડિયોલેરિયનો પણ ભારે આઇસોટોપ (30Si) સામે ભેદભાવ કરે છે, અને આઇસોટોપિક અપૂર્ણાંકની તીવ્રતા ડાયાટોમ્સ દ્વારા બાયોમિનરલાઇઝેશન જેવી જ શ્રેણીની છે. જળચરો પણ 30Si પર 28Si માટે સમસ્થાનિક પસંદગી દર્શાવે છે, પરંતુ તેમના સમસ્થાનિક અપૂર્ણાંકની તીવ્રતા ઘણીવાર મોટી હોય છે (માત્રાત્મક સરખામણી માટે, આકૃતિ 2 જુઓ). હાઇડ્રોથર્મલ વેન્ટ્સ હાઇડ્રોથર્મલ વેન્ટ્સ સમુદ્રના સી જળાશયમાં ઓગળેલા સીનું યોગદાન આપે છે. હાલમાં, આ ફ્લક્સ સાથે સંકળાયેલા δ30Si મૂલ્યો પર માહિતીના અભાવને કારણે હાઇડ્રોથર્મલ Si ફ્લક્સની તીવ્રતા નક્કી કરવી પડકારજનક છે. જળઉષ્મીય છીદ્રોના δ30Si મૂલ્યના માત્ર બે પ્રકાશિત માહિતી બિંદુઓ છે. ડાયજેનેસિસ સેડીમેન્ટ પોરવોટરનું δ30Si મૂલ્ય પોસ્ટ-ડિપોઝિશનલ (ડાયજેનેટિક) વરસાદ અથવા Si ના વિસર્જનથી પ્રભાવિત થઈ શકે છે. આ પ્રક્રિયાઓની હદ અને સમસ્થાનિક અપૂર્ણાંકોને સમજવું મહત્વપૂર્ણ છે, કારણ કે તેઓ મૂળ જમા થયેલા કાંપના δ30Si મૂલ્યોમાં ફેરફાર કરે છે, અને ખડકના રેકોર્ડમાં સંરક્ષિત δ30Si નક્કી કરે છે. સામાન્ય રીતે, Si નો વરસાદ હળવા આઇસોટોપ (28Si) ને પસંદ કરે છે અને હોસ્ટિંગ સોલ્યુશનમાં 30Si-સમૃદ્ધ ઓગળેલા Si તરફ દોરી જાય છે. પોરવોટરમાં Si વિસર્જનની આઇસોટોપિક અસર હજુ સ્પષ્ટ થઈ નથી, કારણ કે કેટલાક અભ્યાસો વિસર્જન દરમિયાન 28Si માટે પસંદગીની જાણ કરે છે, જ્યારે અન્ય અભ્યાસો દસ્તાવેજ કરે છે કે આઇસોટોપિક અપૂર્ણાંક કાંપના વિસર્જન દરમિયાન વ્યક્ત કરવામાં આવ્યું ન હતું. પેલિઓસીનોગ્રાફી પ્રોક્સી સિલીક એસિડ લિકેજની પૂર્વધારણા સિલીક એસિડ લિકેજની પૂર્વધારણા (એસ. એ. એલ. એચ.) એ એક સૂચવેલ પદ્ધતિ છે જેનો હેતુ હિમનદી અને આંતર-હિમનદી સમયગાળા વચ્ચે વાતાવરણીય CO2ની વિવિધતાઓને સમજાવવાનો છે. આ પૂર્વધારણા સૂચવે છે કે હિમયુગના સમયગાળા દરમિયાન, દક્ષિણ મહાસાગરમાં વધેલા ધૂળના સંચયના પરિણામે, ડાયટોમ્સ નાઇટ્રોજનની તુલનામાં ઓછો સી વપરાશ કરે છે. સીઃ એન ગ્રહણ ગુણોત્તરમાં ઘટાડો દક્ષિણ મહાસાગરમાં સી અધિકતા તરફ દોરી જાય છે, જે સમુદ્રના નીચલા અક્ષાંશો પર લીક થાય છે જે કોક્કોલિથોફોર્સ દ્વારા પ્રભુત્વ ધરાવે છે. જેમ જેમ સી સાંદ્રતામાં વધારો થાય છે તેમ, ડાયાટોમની વસ્તી કોક્કોલિથોફોર્સને પાછળ છોડી શકે છે, જે સી. એ. સી. ઓ. 3 વરસાદને ઘટાડે છે અને દરિયાની ક્ષારતા અને કાર્બોનેટ પંપમાં ફેરફાર કરે છે. આ ફેરફારો છેલ્લા હિમયુગના સમયગાળામાં જોવા મળેલા CO2ના ઘટાડા સાથે સુસંગત વાતાવરણીય CO2ની ઓછી સાંદ્રતા સાથે નવા મહાસાગર-વાતાવરણની સ્થિર સ્થિતિને પ્રેરિત કરશે. દક્ષિણ મહાસાગરના ડાયટમ કાંપમાં સંગ્રહિત δ30Si અને δ15N સમસ્થાનિક મૂલ્યોનો ઉપયોગ આ પૂર્વધારણાની તપાસ કરવા માટે કરવામાં આવ્યો છે, કારણ કે છેલ્લા અધોગતિ દરમિયાન Si અને N પુરવઠા અને ઉપયોગની ગતિશીલતાને આ રેકોર્ડમાંથી અર્થઘટન કરી શકાય છે. સિલિસિક એસિડ લિકેજની પૂર્વધારણા સાથે સંરેખણમાં, આ આઇસોટોપિક આર્કાઇવ્સ સૂચવે છે કે દક્ષિણ મહાસાગરમાં એસ. આઈ. નો ઉપયોગ ડીગ્લેસીએશન દરમિયાન વધ્યો હતો. સી આઇસોટોપ પેલિઓથર્મોમેટ્રી ચેર્ટ સી આઇસોટોપિક રેકોર્ડ દ્વારા સમુદ્રના પેલિયોટેમ્પરેચરનું પુનઃનિર્માણ કરવાના પ્રયાસો કરવામાં આવ્યા છે, જે સૂચવે છે કે આર્કિયન દરિયાઇ પાણીનું તાપમાન આધુનિક (~ 70 ° સે) કરતા નોંધપાત્ર રીતે વધારે હતું. જો કે, અનુગામી અભ્યાસો આ પેલિયોથર્મોમેટ્રી પદ્ધતિ પર સવાલ ઉઠાવે છે અને આર્કિયન ખડકોના δ30Si મૂલ્યો માટે વૈકલ્પિક સમજૂતી આપે છે. આ સંકેતો ડાયજેનેટિક પરિવર્તન પ્રક્રિયાઓમાંથી પરિણમી શકે છે જે મૂળ δ30Si મૂલ્યોને ઓવરપ્રિન્ટ કરે છે, અથવા પ્રતિબિંબિત કરે છે કે આર્કિયન ચેર્ટ વિવિધ Si સ્રોતોથી બનેલા હતા. તે બુદ્ધિગમ્ય છે કે આર્કિયન દરમિયાન સી કાંપના પ્રબળ સ્ત્રોતો હવામાન, ધોવાણ, ક્લાસ્ટિક કાંપનું સિલિસિફિકેશન અથવા હાઇડ્રોથર્મલ પ્રવૃત્તિ હતા, જે આધુનિક મહાસાગરમાં વિશાળ સી. ઓ. ઓ. 2 બાયોમિનરલાઇઝેશનથી વિપરીત છે. પેલિયો સી સાંદ્રતા પ્રયોગમૂલક કેલિબ્રેશન અનુસાર, સ્પંજ અને તેમના હોસ્ટિંગ પાણી વચ્ચે δ30Si (δ30Si તરીકે સૂચવવામાં આવે છે) માં તફાવત હોસ્ટિંગ સોલ્યુશનની સી સાંદ્રતા સાથે સહસંબંધિત છે. તેથી, એવું સૂચવવામાં આવ્યું છે કે પ્રાચીન મહાસાગરોના તળિયાના પાણીમાં સી સાંદ્રતાને સહઅસ્તિત્વ ધરાવતા સ્પોન્જ સ્પિક્યુલ્સના δ30Si પરથી અર્થઘટન કરી શકાય છે, જે ખડકના રેકોર્ડમાં સચવાયેલા છે. એવું સૂચવવામાં આવ્યું છે કે આ સંબંધ વૃદ્ધિ દર અને સ્પંજના સી અપટેક ગતિશાસ્ત્ર દ્વારા નક્કી થાય છે, પરંતુ સ્પોન્જ બાયોમિનરલાઇઝેશન માર્ગોની વર્તમાન સમજ મર્યાદિત છે. આ સંબંધ પાછળની પદ્ધતિ હજુ સ્પષ્ટ થઈ નથી, તેમ છતાં તે વિવિધ પ્રયોગશાળાના પ્રયોગો, આધુનિક વાતાવરણ અને મુખ્ય ટોચના કાંપમાં સુસંગત દેખાય છે. જો કે, એવા પુરાવા પણ છે કે માંસભક્ષક જળચરોના δ30Si અપેક્ષિત સહસંબંધથી નોંધપાત્ર રીતે અલગ હોઈ શકે છે. સિલિકોન આઇસોટોપ ભૂ-રસાયણશાસ્ત્રના આઇસોટોપ્સ પણ જુઓ સ્થિર આઇસોટોપ ગુણોત્તર આઇસોટોપ-ગુણોત્તર માસ સ્પેક્ટ્રોમેટ્રી સંદર્ભો ભૂ-રસાયણશાસ્ત્ર બાયોકેમિસ્ટ્રી બાયોમિનરલાઇઝેશન હવામાન