delta13c
Le delta 13C
Les différents isotopes du Carbone.
Il existe dans la nature trois isotopes du Carbone qui se différencient par leur masse atomique résultant d'un nombre variable de neutrons dans leur noyau.
Le 14C est un isotope radioactif. Ses quantités sont donc variables en fonction du temps et du lieu. Il est produit dans la haute atmosphère par bombardement des atomes d'azote par le rayonnement solaire à haute énergie . Plus ponctuellement, il a également été produit lors des essais nucléaires atmosphériques des années 1960.
Le 12C est l'isotope stable majoritaire. Il représente 98,89% du Carbone sur Terre.
Le 13C est également un isotope stable. En moyenne, la proportion est faible (1,11%). On observe que cette proportion varie modestement et est mesurée par le d13C. Celui-ci représente la déviation du rapport isotopique 13C/12C par rapport à un standard international. Ce standard correspond au rapport calculé sur la calcite d'un rostre de bélemnite de la formation géologique de Pee Dee en Caroline du Sud. Ce rapport de référence(RPDB) est de 0,011238.
Comme ces variations sont extrêmement faibles, cette déviation est mesurée non en % mais en ‰.
Ainsi, lorsqu'un échantillon est enrichi en 13C par rapport au standard, son d13C sera positif. Lorsque l'échantillon est appauvri en 13C par rapport au standard, le d13C est négatif.
Différents mécanismes de fractionnement isotopique mènent à des variations normales du d13C que nous allons étudier.
Fractionnement par les végétaux.
La photosynthèse des végétaux est responsable d'un fractionnement isotopique à deux niveaux.
Lors de la diffusion du CO2 de l'atmosphère aux cellules chlorophylliennes en passant par les stomates, le 13CO2 est légèrement plus lourd et diffuse un peu moins bien que le 12CO2. L'importance de cette discrimination est de +4,4‰.
Une discrimination plus importante est enregistrée au moment de l'incorporation du CO2 par les cellules chlorophylliennes. Ceci est lié à deux enzymes: la RUBISCO(Ribulose 15 biphosphate Carboxylase Oxydase) et la PEPC (Phospho Enol Pyruvate Carboxylase). Cette discrimination varie d'une plante à l'autre de +30 à - 6‰.
La formule classique(Farquhar 1991) pour calculer le d13C des végétaux en C3 est :
4.4‰ + (22.6‰) x ci/ca
ou ca = [CO2]atm et ci=[CO2]interne
Le d13C de l'atmosphère étant en moyenne de -8 ‰, le d13C d'une plante en C3 oscille entre -12,4 ‰ lorsque la plante manque d'eau (stomates fermés donc ci=0) et -38 ‰ lorsque la plante possède ses stomates ouverts .
Pour les plantes en C4, le d13C est classiquement de -12 à -15‰. Ceci est lié à leur métabolisme particulier.
Les combustibles fossiles utilisés par l'homme en énorme quantité depuis la révolution industrielle sont des produits dérivés de la photosynthèse. Ils sont appauvris en 13C. Le d13C moyen des combustibles fossiles est de -26‰.
Fractionnement dans l'océan.
Comme pour les végétaux terrestres, la photosynthèse des organismes du phytoplancton prélève préférentiellement le 12CO2 de l'eau de mer. Ainsi, l'eau de mer de l'océan superficiel s'enrichit en 13C. Le d13C est positif.
Lorsque ces organismes meurent, ils coulent vers le fond et restituent alors au milieu le 12C. Le d13C de l'océan profond est donc moins positif que celui des eaux superficielles.
La différence entre le d13C de surface et le d13C des eaux profondes est une mesure de l'efficacité de la pompe biologique. Cette différence peut être mesurée grâce aux tests calcaires des organismes planctoniques retrouvés dans les sédiments marins. (Voir la simulation sur la crise biologique de la limite Crétacé-Paléocène).
Moyennes suggérées pour les valeurs de Delta13C et leur incertitude pour les différents matériaux
par Stuiver et Polach, 1977 et Polach, 1976.(sources Lyon1)
| Materiel | delta13C (pour mille) | Materiel | delta13C (pour mille) | |
| Bicarbonate marin | 1 ± 1 | Organismes marins | -15 ± 2 | |
| Carbonate marin | 0 ± 2 | Plante d'eau douce submergée | -16 ± 4 | |
| Carbonate de sol et Carbonate secondaire d'os | -5 ± 2 | Plante grasse (Cactus, Ananas, etc.) | -17 ± 2 | |
| Concrétion calcaire de grotte | -8 ± 2 | Collagène d'os, Cellulose de bois | -20 ± 2 | |
| Gaz carbonique atmosphérique | -9 ± 2 | Céréales (Blé, Avoine, Riz, etc.) | -23 ± 2 | |
| Apatite d'os et carbonate originel d'os | -10 ± 2 | Graphite, Charbon | -23 ± 2 | |
| Grains, semences, mais, millet | -10 ± 2 | Bois fossile, Charbon de bois | -24 ± 2 | |
| Plantes marines submergées | -12 ± 2 | Bois récent, Charbon de bois | -25 ± 2 | |
| Bicarbonate d'eau douce | -12 ± 2 | Feuille d'arbre, de Blé, de Lin, etc | -27 ± 2 | |
| Herbe de zone arride, joncs, Papyrus | -13 ± 2 | Tourbe, Humus | -27 ± 3 | |
| Paille de lin | -14 ± 2 |