Геохимия некоторых изотопов и их использование в геологии

Главной задачей изучения геохимии изотопов является установление условий их фракционирования,изменения их отношений при различных физико-химических, биохимических и радиохимических процессах в земной коре (Г. Фор, 1989). Фракционирование и установление отношений стабильных изотопов используется для выявления генезиса, физико-химических условий, а нестабильных (радиоактивных) – для определения возраста отложений, формирования геологической системы.

Отношение стабильных изотопов измеряется по отношению к стандарту и выражается в частях на 1000 (промилле, ⁰/₀₀). Это отношение обозначается величиной δ. Для кислорода это отношение определяется следующим образом:

δ ¹⁸О⁰/₀₀ = {[¹⁸О/¹⁶О_{(образец)} – ¹⁸О/¹⁶О_{(стандарт)}] / ¹⁸О/¹⁶О_{(стандарт)}} · 1000.

Значение δ, равное +10 ⁰/₀₀, означает, что образец обогащен изотопом ¹⁸О по отношению к стандарту на 1 %. Аналогично вычисляются отношения изотопов для других элементов.

Физиологические и биохимические процессы в живых организмах способны изменять изотопный состав (отношение) 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 %, ³Н (Т). 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 в воде содержания дейтерия 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 т) и D₂O¹⁶ (2 ·10¹⁴ т). На стакан воды приходится лишь несколько тысяч молекул Т₂О¹⁶. Дейтерием 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 отношения 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; ³²S95,02 %, ³³S 0,75, ³⁴S4,21, 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 отношением 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. Определение «абсолютного» геологического возраста 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 – от радиогенных добавок 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. При условии термодинамического изотопного равновесия распределение определенным образом стабильных изотопов (например, кислорода) 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. Проведение по изотопному составу химических элементов реконструкции 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. Использование в органической геохимии распределения стабильных изотопов H, O, C, S в качестве генетических индикаторов.

8. Эффективность изотопного анализа гелия как индикатора мантийного источника газов.

9. Широкое применение в геологоразведочном деле радиоактивного каротажа скважин для установления литологического состава пород без подъема керна, а также для распределения зон пористых и трещиноватых пород. Введение в скважину радиоактивных изотопов (метод меченых атомов) используют для контроля состояния скважин, 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 определения возраста пород и позволяют эффективно изучать процессы образования магматических пород и геохимическую дифференциацию Земли.

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.