4.1.Закономерности изменения и распространения изотопов
В геологической науке первостепенное значение имеет восстановление картины прошлой жизни горных пород, их генезиса, условий в которых они образовались, времени формирования. Эти вопросы оставались бы загадкой и сейчас, но в 1918 г. Ф. Содди предположил существование изотопов (от греч.: «то же самое место»). Позже было доказано, что атомный номер элемента соответствует заряду ядра, а изотопы – это атомы или «нуклиды» с одним и тем же атомным номером, но с разными массами. Атомная масса химического элемента определяется как среднее из суммы масс атомов природных изотопов и выражается в атомных единицах массы (а.е.м.). Однако в химии для удобства пользуются величинами «грамм-атом» и «моль», которые представляют собой число граммов, равное атомной массе элемента (или число граммов вещества, равное его молекулярной массе). Один моль элемента или химического соединения содержит определенное число атомов или молекул. Число атомов или молекул в одном грамм-атоме или в одном моле называется числом Авогадро и составляет 6,02252·1023.
Атомная единица массы соответствует 1/12 массы изотопа  С (6 – число протонов; 12-6=6 – число нейтронов). Произвольно принято, что масса С составляет 12,000…а.е.м. Массы всех остальных нуклидов и внутриатомных частиц (электрон, протон, нейтрон) получают, сравнивая их с массой С. Общее число различных изотопов приближается к 1700, однако лишь 260 из них стабильные. Природные стабильные и нестабильные изотопы составляют химические элементы периодической системы. Не встречается в природе технеций и прометий, франций тут же распадается при образовании, 21 элемент (Be, F, Na, Al, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pr, Tb, Ho, Tm, Au, Bi, Th) состоит из одного изотопа, остальные элементы состоят из нескольких нуклидов. Рекордсмен по количеству изотопов свинец (10).
Относительное соотношение количества природных изотопов одного элемента выражается в процентах. Например, если содержание изотопа  Rb составляет 72,15%, то из 10 000 атомов рубидия в каком-либо образце на долю этого нуклида приходится 7 215 атомов.
По изотопному составу элементов отмечены следующие закономерности. У большинства элементов преобладают изотопы с четным атомным весом и только у семи, преимущественно легких элементов (H, Li, B, K, V, La, Ta), – с нечетным атомным весом. Следующие 13 элементов – Cl, Cu, Ga, Br, Rb, Ag, In, Sb, Eu, Eu, Ta, Re, Ir, Tl – состоят из изотопов только с нечетными атомными массами. Из 290 изотопов 179 составляют элементы с четными и 111 с нечетными атомными весами. Наиболее богаты изотопами элементы в средней части периодической системы: Sn (10 изотопов), Xe (9), Te, Cd (по 8), многие тяжелые элементы (по 7 изотопов). Под действием космического облучения в атмосфере протекают реакции:
N14 + no → C12 + H3 → He3,
N14 + no → C14 + H1,
которые являются источником 14С, 3Т, 3Не. В течение геологических отрезков времени атомы разрушаются и образуются, превращаются в другие и распадаются.
Ядра неустойчивых атомов распадаются самопроизвольно, сопровождаясь эмиссией частиц (α, β) или излучением энергии (γ). Этот процесс называется радиоактивностью. Альфа-лучи представляют собой потоки высокоскоростных частиц – ионов гелия, бета-лучи – потоки электронов, гамма-лучи – электромагнитные волны с большой энергией. Некоторые атомы распадаются двумя или тремя способами, большинство – одним, что приводит к превращению атома одного элемента в атом другого элемента, чаще стабильного.
Количество 238U, 235U, 40K, 87Rb в ранние стадии существования планеты было значительно больше, чем теперь, но меньше изотопов радиогенного свинца с атомными массами 206, 207 и 208, аргона-40, стронция-87, висмута (некоторые атомы – продукт распада трансурановых элементов нептуниевого ряда). Часть 40Са образуется вследствие β-распада 40К, часть атомов молибдена является конечным продуктом деления атомов урана, повышение ксенона-129, 131 – следствие радиоактивного распада.
Для некоторых изотопов, начиная с 84Ро, характерна природная радиоактивность (нестабильные изотопы). Радиоактивные свойства атомов определяются строением ядер, а не структурой электронных оболочек.
Изотопы одного элемента имеют различные энергии химической связи и активации в химических реакциях. Это влияет на скорость химических реакций, в которых участвуют молекулы с разными изотопами. В конечном счете это определяет разную подвижность изотопно-разных атомов или молекул, что является причиной их разделения в процессе миграции. Такое разделение называется изотопным фракционированием и несет важную информацию о геохимических процессах.
Для того, чтобы правильно интерпретировать результаты изотопного фракционирования, необходимо учитывать многофакторность этого процесса. Например, фракционирование может быть результатом испарения, физической абсорбции, растворения, плавления, кристаллизации, различных химических реакций, включая биогеохимические и катализируемые ферментами. Наибольшее фракционирование присуще для легких элементов, так как у них наибольшая разница между массами изотопов. Например, изотоп водорода протий (1Н) и дейтерий (2Н или D) различаются по массам в два раза или на 100%, тогда как разница масс двух изотопов урана (238 и 235) составляет 1,28%.
4.2.Геохимия некоторых изотопов и их использование в геологических
исследованиях
Главной задачей изучения геохимии изотопов является установление условий фракционирования (разделения) изотопов, изменения их соотношений при различных физико-химических, биохимических и радиохимических процессах в земной коре.
Фракционирование и установление соотношений стабильных изотопов используется для установления генезиса, физико-химических условий, а нестабильных (радиоактивных) – для установления возраста отложений, формирования системы.
Физиологические и биохимические процессы в живых организмах способны изменять изотопный состав (соотношение) в первую очередь биофильных элементов (Н, C, O, S). Он отличается от изотопного состава в битумах, угле, графите, нефти.
Водород имеет три изотопа: 1Н 99,985 %, 2Н (D) 0,015%. Трития очень мало. Он образуется в верхних слоях атмосферы при взаимодействии азота с нейтронами космических лучей. Его отношение к водороду (Т/Н) составляет 1·10-18. При повышении дейтерия в воде (2D) замедляются реакции в организме в 13 раз. В природной воде комбинации изотопов водорода могут создавать 18 разновидностей молекул. Однако состав воды представлен преимущественно Н2О16 (1,4·1018) и D2O16 (2·1014). На стакан воды приходится лишь несколько тысяч молекул Т2О16. Дейтерий, как радиоактивный изотоп, вреден живым организмам. Им богаты воды гейзеров, фумарол и горячие подземные.
Углерод в природе представлен тремя изотопами: 12С 98,90 %, 13С 1,10, 14С (следы) – с периодом полураспада 5730 лет. Радионуклид образуется при взаимодействии атмосферного азота с нейтронами, а при реакции β-распада вновь переходит в азот. Изотоп 13С накапливается в карбонатах, а 12С концентрируется в органических соединениях в процессе фотосинтеза. Поэтому соотношения 12С/13С позволяют установить генезис карбонатных пород.
Кислород имеет в природе три стабильных изотопа: 16О 99,76%, 17О 0,048, 18О 0,20%. Генетическое значение имеет соотношение 16О/18О, колебания для которых составляют до 5%. В воде больше 16О,в атмосфере 18О. Морские воды более тяжелые по кислороду (18О). Магматические воды содержат меньше 18О чем осадочные. Зависимость от температуры констант равновесия реакций фракционирования изотопов позволяет считать их как основу при установлении палеотемператур древних морей.
Сера представлена в природе следующими стабильными изотопами; 32S 95,02%, 33S 0,75, 34S 4,21, 36S 0,02. Изотопный состав серы позволяет правильно определить генезис природных соединений. За стандарт относительно которого рассматривается изотопный состав серы, принята сера троилита метеоритов с постоянным соотношением 32S/34S 22,22. Изотопы серы заметно разделяются в геохимических и биохимических процессах окисления и восстановления, причем легкий изотоп-32 обогащает сульфиды и накапливается в биологических структурах, а более тяжелый-34 в сульфатах морской воды (гипс). В природной среде соотношения изменяются у 32S/33S до 2,5%, 32S/34S до 5, 32S/36S до 10%.
Изотопная геохимия используется в геологии, геохимии, геологоразведке и позволяет выполнять следующие задачи.
1. Выяснение предыстории химического элемента в месторождении, которую не представляется возможным восстановить на основании только геолого-минералогических наблюдений или данных химического анализа.
2. Определить “абсолютный” геологический возраст минералов и горных пород с помощью “изотопных” часов – методов изотопной геохронологии, которые базируются на природных радиоактивных преобразованиях и накоплении стабильных радиогенных изотопов в минералах. Они позволяют датировать геологическое событие от сотен или тысяч лет до миллиардов лет назад с точностью в десятые доли процента.
3. Использование изотопов как естественных “меченых атомов” при исследовании природных процессов. В основе этого лежит геохимическое поведение радиоактивных изотопов. В одних породах они концентрируются, в других – выносятся. Соответственно изменяются концентрации продуктов их распада – радиогенные добавки до химических элементов. Например, породы земной коры, которые обогащены рубидием, в сравнении с глубинными мантийными породами содержат значительно больше радиогенного стронция-87 – продукта распада рубидия. Таким образом, изотопный состав стронция пород указывает на происхождение их первоначального вещества и необходимо только знать, как пользоваться этими обстоятельствами в геологических исследованиях.
4. Для элементов, которые находятся в начале периодической системы Д.И. Менделеева, характерно фракционирование изотопов в геологических процессах. При условии термодинамического изотопного равновесия стабильные их изотопы (например, кислород) распределяются между минеральными фазами определенным образом в зависимости от температуры, окислительно-восстановительных условий, кислотности растворов, их концентрации и т.д. Это позволяет по изотопному составу объекта исследования, “меченого” стабильными изотопами, судить об источниках вещества, которое принимало участие, например, в процессах рудообразования.
5. По изотопному составу химических элементов можно провести реконструкцию физико-химических параметров геологических процессов, протекавших миллионы лет назад, например, установление температуры древних морей и ее колебания на протяжении времен года по изотопам кислорода.
6. Изучение механизма химических реакций минералообразования и других природных процессов. Установлено, что гидрат закиси железа окисляется до гидрата окиси не за счет свободного кислорода воздуха, а гидроксилом воды с более легким кислородом.
7. В органической геохимии распределение стабильных изотопов H, O, C, S используется в качестве генетических индикаторов.
8. Изотопный анализ гелия эффективен как индикатор мантийного источника газов.
9. В геологоразведочном деле широко применяется радиоактивный каротаж скважин для установления литологического состава пород без подъема керна, а также в распределении зон пористых и трещиноватых пород. Введение в скважину радиоактивных изотопов (метод меченых атомов) используют для контроля состояния скважин, для наблюдения за циркуляцией вод и т.д.
Измерительная аппаратура в области изотопной геохимии постепенно совершенствуется. Созданы электростатичные тандемные ускорители масс-спектрометров, которые позволяют точно измерить распространение космогенных радионуклидов 10Ве, 14С, 26Al, 36Cl, 39Ag. Новые геохронометры, которые основаны на распаде 147Sm до 143Nd, 176Lu до 176Hf, 187Re до 187Os, 40K до 40Ca, дополняют более старые методы дотирования и позволяют эффективно изучать процессы образования магматических пород и геохимическую дифференциацию Земли.
Данные по изотопному составу Nd, Sr, Pb, Hf в магматических породах показали, что образование коры с мантийной магмы представляет собой распространенное явление и что минеральная мантия Земли сама по себе более сложная составляющая Земли, чем это представлялось в прошлом.
В настоящее время используются следующие методы установления возраста и процессов: 40K/40Ar, 40Ar/39Ar, 87Ru/87Sr, 147Sm/143Nd, 176Lu/176Hf, 187Re/187Os, 40K/40Ca, 238U/206Pb, 235U/207Pb, 232Th/208Pb, 14С-метод.
Достарыңызбен бөлісу: |
