2025年大學(xué)《地球化學(xué)》專業(yè)題庫——生物地球化學(xué)在地球科學(xué)中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.下列哪一項(xiàng)不屬于生物地球化學(xué)循環(huán)的主要特征？A.循環(huán)過程涉及生物體的吸收、轉(zhuǎn)化和釋放B.元素在生物圈、巖石圈、水圈和大氣圈之間進(jìn)行遷移C.循環(huán)速率主要受地質(zhì)作用控制D.同位素分餾是循環(huán)過程中的重要現(xiàn)象2.在現(xiàn)代海洋表層，初級(jí)生產(chǎn)者固定的大部分碳以哪種形式通過生物泵傳遞到深海？A.硅藻骨骼B.有機(jī)碎屑C.氧化態(tài)鐵D.溶解硅酸鹽3.下列哪種生物標(biāo)志物通常被認(rèn)為是古代細(xì)菌（藍(lán)細(xì)菌）的指示礦物？A.正構(gòu)烷烴B.萜烷C.卟啉D.芳基類脂4.當(dāng)大氣中的CO?濃度升高時(shí)，根據(jù)碳同位素分餾原理，生物光合作用固定的13C/12C比值將如何變化？A.增大B.減小C.不變D.先增大后減小5.在沉積物中，硫酸鹽還原菌活動(dòng)會(huì)導(dǎo)致哪個(gè)同位素比值發(fā)生變化？A.δ13C(org)B.δ13C(carbonate)C.δ3?SD.δ1?N6.某沉積巖中富集了高碳數(shù)的正構(gòu)烷烴，且碳優(yōu)勢(shì)指數(shù)（CPI）接近1，這最可能指示了哪種沉積環(huán)境？A.深海缺氧環(huán)境B.近海還原環(huán)境C.湖泊富營(yíng)養(yǎng)化環(huán)境D.河口三角洲氧化環(huán)境7.13C值通常低于現(xiàn)代生物組織的樣品，以下哪種情況最可能導(dǎo)致這種現(xiàn)象？A.樣品經(jīng)歷了強(qiáng)烈的細(xì)菌降解作用B.樣品形成于高古溫度環(huán)境C.樣品來源于光合作用效率高的生物D.樣品為生物成因碳酸鹽8.以下哪項(xiàng)是利用生物標(biāo)志物進(jìn)行古溫度重建的主要依據(jù)？A.不同生物標(biāo)志物的絕對(duì)含量差異B.某些生物標(biāo)志物（如長(zhǎng)鏈烷基卟啉）的碳數(shù)分布范圍C.生物標(biāo)志物自身碳同位素值的標(biāo)準(zhǔn)化曲線D.生物標(biāo)志物在沉積物中的垂直分布序列9.在行星科學(xué)研究中對(duì)生物標(biāo)志物的分析，其主要目的是什么？A.確定行星的當(dāng)前大氣成分B.評(píng)估行星表面過去或現(xiàn)在是否存在生命C.計(jì)算行星的年齡D.判斷行星巖石的成因10.硫同位素（δ3?S）分析在火山學(xué)研究中可以用來識(shí)別什么？A.火山巖漿的來源深度B.火山巖漿與圍巖的相互作用程度C.火山噴發(fā)時(shí)的古氣候條件D.火山碎屑流的速度二、填空題（每空1分，共10分）1.生物地球化學(xué)循環(huán)是將化學(xué)元素在__________、__________、__________和__________之間進(jìn)行遷移和循環(huán)的過程。2.能夠指示古代生物存在及其環(huán)境特征的有機(jī)分子被稱為__________。3.光合作用過程中，二氧化碳被固定，同位素較重的12C相對(duì)于13C更容易被優(yōu)先利用，導(dǎo)致釋放到大氣中的CO?13C/12C比值__________（填“升高”或“降低”）。4.氮同位素1?N/1?N的比值在生物體中通常__________（填“高于”或“低于”）其周圍環(huán)境水體（如海水）的比值。5.硫酸鹽還原菌利用硫酸鹽并釋放硫化氫，此過程會(huì)使沉積物或熱液系統(tǒng)中的δ3?S值__________（填“升高”或“降低”）。6.生物標(biāo)志物卟啉通常來源于生物體的__________，其結(jié)構(gòu)特征可以反映生物的__________。7.碳同位素δ13C值是衡量有機(jī)物來源和沉積環(huán)境氧化還原條件的重要指標(biāo)，其值通常越負(fù)，表明__________（填“水體還原性越強(qiáng)”或“光合作用生產(chǎn)力越低”）。8.在生物地球化學(xué)研究中，同位素分餾是指同一種元素的不同同位素在化學(xué)反應(yīng)或物理過程中__________的現(xiàn)象。9.利用有機(jī)質(zhì)中的生物標(biāo)志物及其同位素組成重建古環(huán)境，是__________學(xué)和__________學(xué)交叉融合的重要領(lǐng)域。10.全球碳循環(huán)失衡被認(rèn)為是導(dǎo)致現(xiàn)代地球__________持續(xù)加劇的重要因素。三、名詞解釋（每題3分，共12分）1.生物泵2.碳優(yōu)勢(shì)指數(shù)（CPI）3.同位素分餾4.古菌標(biāo)志物四、簡(jiǎn)答題（每題6分，共18分）1.簡(jiǎn)述氮循環(huán)的主要過程及其對(duì)沉積物中氮同位素組成的影響。2.比較正構(gòu)烷烴和異戊二烯烷烴在指示沉積環(huán)境方面的異同點(diǎn)。3.簡(jiǎn)述利用碳同位素（δ13C）數(shù)據(jù)重建古氣候或古海洋表層生產(chǎn)力變化的原理。五、論述題（共40分）1.論述生物標(biāo)志物在沉積巖中保存的條件及其對(duì)重建古環(huán)境信息的指示意義。（20分）2.結(jié)合實(shí)例，論述同位素地球化學(xué)方法如何應(yīng)用于研究人類活動(dòng)對(duì)生物地球化學(xué)循環(huán)的影響。（20分）試卷答案一、選擇題1.C解析：生物地球化學(xué)循環(huán)的速率主要受生物過程控制，而非地質(zhì)作用。2.B解析：有機(jī)碎屑是現(xiàn)代海洋生物泵將碳傳遞到深海的主要形式。3.C解析：卟啉是葉綠素和類血紅素的核心骨架，是古代光合細(xì)菌（藍(lán)細(xì)菌）的標(biāo)志性分子。4.B解析：CO?濃度升高，光合作用競(jìng)爭(zhēng)12C的能力相對(duì)減弱，導(dǎo)致固定有機(jī)物的13C/12C比值降低。5.C解析：硫酸鹽還原菌活動(dòng)將3?SSO?2?還原為2?S2?或32S2?，導(dǎo)致體系中3?S含量相對(duì)減少，δ3?S值降低。6.A解析：深海缺氧環(huán)境有利于長(zhǎng)鏈正構(gòu)烷烴的保存，CPI接近1指示缺乏明顯的生物降解。7.A解析：細(xì)菌降解有機(jī)物時(shí)，傾向于選擇性降解富集12C的部分，導(dǎo)致殘留有機(jī)物的13C值相對(duì)升高；低溫、低生產(chǎn)力、生物成因碳酸鹽通常δ13C值較負(fù)。8.B解析：某些生物標(biāo)志物（如長(zhǎng)鏈烷基卟啉）的碳數(shù)分布范圍與其來源生物的生存溫度相關(guān)。9.B解析：生物標(biāo)志物的存在與否及其特征，是探測(cè)地外環(huán)境中生命痕跡的重要線索。10.B解析：不同來源或經(jīng)歷了不同巖漿分異作用的巖漿，其同位素組成不同，與圍巖的相互作用會(huì)改變巖漿的同位素特征。二、填空題1.生物圈巖石圈水圈大氣圈2.生物標(biāo)志物3.降低4.高于5.降低6.血紅素/葉綠素生源類型7.水體還原性越強(qiáng)8.分配比例不同9.沉積學(xué)地球化學(xué)10.全球變暖三、名詞解釋1.生物泵：指海洋生物通過光合作用和呼吸作用等過程，將溶解在海水中的無機(jī)碳（如CO?）轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，并將碳從表層水體輸送到深海或沉積物的過程。2.碳優(yōu)勢(shì)指數(shù)（CPI）：指沉積物中正構(gòu)烷烴中最大碳數(shù)異構(gòu)體（奇數(shù)碳或偶數(shù)碳）的相對(duì)含量百分比，用于指示沉積環(huán)境的氧化還原條件和生物降解程度。CPI≈100%通常指示氧化環(huán)境或缺乏生物降解；CPI<100%指示還原環(huán)境或存在生物降解。3.同位素分餾：指在物理或化學(xué)過程中，由于同位素間質(zhì)量差異導(dǎo)致同一種元素的不同同位素在反應(yīng)物和產(chǎn)物中的相對(duì)比例發(fā)生改變的現(xiàn)象。4.古菌標(biāo)志物：指來源于古菌（Archaea）的特異性有機(jī)分子，因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且在自然界中相對(duì)穩(wěn)定，常被用作識(shí)別古菌存在及其環(huán)境適應(yīng)性的指標(biāo)，例如異戊二烯烷烴、2-甲基異戊二烯烷烴等。四、簡(jiǎn)答題1.氮循環(huán)的主要過程包括：固氮（將大氣N?轉(zhuǎn)化為NH?或NO??）、硝化（NH?氧化為NO??和NO??）、反硝化（NO??還原為N?或N?O）和厭氧氨氧化（ANAMMOX，將NH??和NO??直接轉(zhuǎn)化為N?）。這些過程涉及不同類型的微生物。氮同位素分餾在這些過程中發(fā)生：通常，輕同位素（1?N）比重同位素（1?N）更易于被生物固定。因此，生物活動(dòng)（如植物吸收、細(xì)菌硝化）傾向于使生物體或產(chǎn)物中的δ1?N值高于其來源環(huán)境（如大氣N?或水體NO??）。在沉積物中，不同過程（如厭氧氨氧化通常導(dǎo)致δ1?N顯著降低）和不同沉積環(huán)境（如富含有機(jī)質(zhì)的還原環(huán)境vs.氧化環(huán)境）會(huì)留下不同的δ1?N指示礦物或水體的信息。2.正構(gòu)烷烴和異戊二烯烷烴都是常見的生物標(biāo)志物，均來源于生物（主要是細(xì)菌和古菌），碳數(shù)分布范圍都較寬。它們的區(qū)別在于碳鏈結(jié)構(gòu)：正構(gòu)烷烴是直鏈飽和烴（CnH?n+?），異戊二烯烷烴是具有五碳單元重復(fù)結(jié)構(gòu)的支鏈飽和烴（C??H??，C??H??等）。在指示沉積環(huán)境方面，正構(gòu)烷烴的碳優(yōu)勢(shì)指數(shù)（CPI）是重要指標(biāo)，CPI≈100%指示氧化環(huán)境或缺乏生物降解，CPI<100%指示還原環(huán)境或存在生物降解；而異戊二烯烷烴主要來源于古菌，其絕對(duì)含量和碳數(shù)分布可以反映古菌的活躍程度，有時(shí)也與缺氧環(huán)境有關(guān)。兩者都是重要的環(huán)境指示劑，但提供的信息側(cè)重點(diǎn)不同。3.利用碳同位素（δ13C）數(shù)據(jù)重建古氣候或古海洋表層生產(chǎn)力變化的原理基于同位素分餾機(jī)制和生物地球化學(xué)循環(huán)。在海洋表層，浮游植物通過光合作用固定CO?，發(fā)生同位素分餾，使得固定產(chǎn)物（如有機(jī)碎屑、鈣質(zhì)生物殼體）的δ13C值通常低于其來源的溶解無機(jī)碳（DIC）。DIC的δ13C值則受大氣CO?、海洋上層與深層水的交換、碳酸鹽沉淀等因素控制。因此，表層生物的δ13C值可以反映DIC的δ13C，進(jìn)而間接反映大氣CO?濃度、海洋碳循環(huán)狀態(tài)以及表層水團(tuán)來源和混合程度。例如，在冰期，大氣CO?濃度降低，表層水DIC的δ13C值升高，導(dǎo)致同化有機(jī)物的δ13C值也相應(yīng)升高，可用于指示colderclimate或特定水團(tuán)特征。生產(chǎn)力方面，在生產(chǎn)力高的區(qū)域，生物對(duì)DIC的利用效率高，可能導(dǎo)致其δ13C值更負(fù)。五、論述題1.生物標(biāo)志物在沉積巖中保存需要滿足一系列條件，主要包括：①快速埋藏：減少與大氣圈、氧化水的接觸，防止氧化降解和生物降解；②缺氧環(huán)境：抑制需氧微生物活動(dòng)，是許多生物標(biāo)志物（特別是來源于厭氧生物或易氧化分子的標(biāo)志物）得以保存的關(guān)鍵；③低溫度和壓力：避免高溫高壓導(dǎo)致有機(jī)分子裂解或異構(gòu)化；④缺乏生物活動(dòng)：沉積物中缺乏能夠降解有機(jī)質(zhì)的生物；⑤合適的沉積相：如富含有機(jī)質(zhì)的黑色頁巖、油頁巖、海底熱液沉積物等是生物標(biāo)志物富集的典型環(huán)境。生物標(biāo)志物一旦在沉積物中保存下來，其種類、數(shù)量和空間分布（垂直、平面）以及同位素組成就記錄了古生物信息、古環(huán)境條件（如溫度、鹽度、氧化還原狀態(tài)、營(yíng)養(yǎng)鹽水平、水動(dòng)力條件等）、沉積速率、生物生產(chǎn)力以及沉積物的成熟度等。例如，卟啉可以指示古代光合細(xì)菌或異養(yǎng)細(xì)菌的存在和類型；正構(gòu)烷烴的CPI可以指示氧化還原條件；特定生物標(biāo)志物的組合可以限定古海洋環(huán)流模式；有機(jī)質(zhì)總有機(jī)碳（TOC）含量和δ13C值可以反映古氣候和生產(chǎn)力；生物標(biāo)志物同位素（如δ13C、δ1?N、δ3?S）的變化則提供了更精細(xì)的環(huán)境和生物地球化學(xué)過程信息。通過分析沉積巖中的生物標(biāo)志物，科學(xué)家能夠重建古代生命演化和地球環(huán)境的演化歷史。2.同位素地球化學(xué)方法在研究人類活動(dòng)對(duì)生物地球化學(xué)循環(huán)的影響方面發(fā)揮著重要作用。人類活動(dòng)已經(jīng)顯著改變了全球碳、氮、硫等關(guān)鍵元素的循環(huán)。同位素分餾原理是核心：生物和化學(xué)過程在利用或釋放元素時(shí)，通常對(duì)較輕的同位素具有微弱的偏好，導(dǎo)致過程中不同樣品或不同體系間同位素組成（即δ值）發(fā)生改變。通過監(jiān)測(cè)和分析環(huán)境樣品（大氣、水體、土壤、生物體、沉積物）中元素（如碳、氮、硫）的同位素組成變化，可以追蹤人類活動(dòng)的影響路徑和程度。*碳循環(huán)：大量燃燒化石燃料導(dǎo)致大氣CO?濃度（δ13C值降低）和大氣δ13C比值（相對(duì)于植物源CO?）升高。通過監(jiān)測(cè)大氣、海洋、湖泊、土壤中的δ13C和δ1?N（受N?O排放影響），可以評(píng)估CO?增加對(duì)陸地和海洋碳循環(huán)（如光合作用、呼吸作用、碳匯強(qiáng)度）的影響。δ13C還可用于追蹤農(nóng)業(yè)活動(dòng)（如氮肥使用、單一種植）對(duì)土壤有機(jī)碳和水體營(yíng)養(yǎng)鹽的影響。*氮循環(huán)：大量使用氮肥導(dǎo)致土壤、水體和沉積物中硝酸鹽含量增加，并使生物圈和大氣圈的δ1?N值升高。通過分析沉積物中有機(jī)質(zhì)和硝酸鹽的δ1?N，可以評(píng)估農(nóng)業(yè)和工業(yè)氮沉降對(duì)區(qū)域乃至全球氮循環(huán)和水質(zhì)的影響。同位素還可以區(qū)分不同來源的氮（如大氣氮、肥料氮、污水氮）。*硫循環(huán)：工業(yè)排放（如燃煤、冶煉）導(dǎo)致大氣中硫酸鹽濃度增加，并使沉積物和土壤中的δ3?S值發(fā)生區(qū)域性甚至全球性變化（通常降低）。通過分析不