图中展示的是同位素动力学分馏。它指在扩散、蒸发或快速反应等过程中，由于不同同位素分子的运动或反应速率不同，造成反应物与产物、逸出物与残余物之间的同位素组成出现差异。以二氧化碳通过微孔扩散为例。含轻碳同位素¹²C的¹²CO₂分子质量较小，平均运动速度通常较快；含重碳同位素¹³C的¹³CO₂分子质量较大，运动相对慢一些。当气体通过狭窄孔道时，轻同位素分子更容易先扩散出去。因此，较早逸出的气体相对富集¹²C，而留在源区中的气体则相对富集¹³C。这里的“富集”是指同位素比例相对升高，并不表示其他同位素消失。可以把这个过程概括为：质量差异造成速率差异，速率差异进一步造成同位素组成差异。动力学分馏常发生在体系没有达到同位素平衡、过程进行较快或迁移受限的情况下。它与平衡分馏的关键区别在于：平衡分馏主要由不同物质之间的平衡状态决定；动力学分馏则与过程发生的快慢和方向密切相关。需要注意，图中“轻同位素扩散较快”的示意适用于常见的气体扩散情形。实际分馏方向和幅度还会受到温度、孔隙结构、扩散方式以及反应机制影响。因此，研究天然样品时，不能只凭同位素差异判断成因，还要结合气体组分、地质背景和其他观测结果进行解释。

例子：甲烷的微生物氧化

甲烷在氧气存在下可被甲烷氧化菌等微生物利用，发生氧化反应，生成二氧化碳和水：CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O。天然甲烷中的碳主要有¹²C和¹³C两种稳定同位素。它们的化学性质相近，但质量不同，反应时并非完全“同步”：通常含轻同位素的¹²CH₄更容易参与反应，氧化速度略快；含重同位素的¹³CH₄反应相对较慢。因此，在氧化初期，微生物优先消耗较多的¹²CH₄，生成的二氧化碳也相对富集¹²C。随着反应持续，甲烷库中¹²CH₄的比例逐步降低，反应较慢的¹³CH₄则更多留在未反应的甲烷中。于是，剩余甲烷的¹³C相对丰度升高，表现为δ¹³C值逐渐增大。需要注意的是，早期生成的CO₂相对富集¹²C；随着反应推进，后期产物的同位素组成也可能随剩余甲烷组成变化。这种因不同同位素分子的反应速率不同，导致反应物和产物同位素组成发生差异的现象，称为动力学分馏。它记录了反应进行的过程，可用于研究甲烷的微生物消耗及其环境转化。实际分馏幅度并非固定值，还会受到微生物种类、温度、氧气供应、底物浓度以及反应进程等因素影响。因此，解读甲烷δ¹³C变化时，应结合环境条件和其他地球化学指标，避免仅凭单一同位素信号判断甲烷来源或反应程度。

支持单位：