11

Лекция 5: ОСНОВЫ ИЗОТОПНОЙ ГЕОХИМИИ

Исследования содержания и распределения изотопов в природе составляют важную часть геохимии, в том числе геохимии осадочных пород.

Термин «изотоп», что по-гречески означает «то же место», был предложен в 1918 г. нобелевским лауреатом Фредериком Содди для обозначения двух или более разновидностей атомов химического элемента, занимающих в Периодической таблице одну клетку.

Среди химических элементов есть такие, у которых в природе встречается один изотоп (Be, F, Na, P, Au и др.). Их меньшинство; у многих элементов по два и более изотопов. Рекордсменом является олово, имеющее 10 изотопов.

Друг от друга изотопы отличаются лишь по массе, т.е. по количеству нейтронов в ядре. Именно по этой причине атомные массы большинства элементов выражаются не целыми, а дробными числами – они получаются как среднее из двух или большего числа масс изотопов!

Открытие изотопов было результатом многочисленных исследований в области радиоактивности.

Радиоактивность – это самопроизвольный переход ядер нестабильных атомов в более стабильное состояние, с выделением излучения.

Альфа-лучи представляют собой потоки высокоскоростных частиц – ионов гелия, бета-лучи – потоки электронов, гамма-лучи – электромагнитные волны с большой энергией.

Радиоактивные свойства изотопов определяются строением ядер, а не структурой электронных оболочек. При радиоактивном распаде с изменением атомного номера первоначальный (нестабильный) изотоп называется материнским (родительским, радиоактивным), а новообразованный изотоп – дочерним (или радиогенным).

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 процессах миграции. Такое разделение называется изотопным фракционированием и несет важную информацию о геохимических процессах.

Для того, чтобы грамотно интерпретировать результаты изотопного фракционирования, необходимо учитывать, что это процесс многофакторный; например, фракционирование может быть результатом испарения, физической абсорбции, растворения, плавления, кристаллизации, различных химических реакций, в том числе биохимических – катализируемых ферментами.

Наибольшее фракционирование происходит для легких элементов, поскольку у них наибольшая разница между массами изотопов.

Например, изотопы водорода протий (¹Н) и дейтерий (²Н или D) различаются по массам в 2 раза или на 100%, тогда как разница масс двух изотопов урана (238 и 235) составляет всего 1.28%.

Использование изотопов в геологии

К настоящему времени сложилось пять главных направлений использования изотопов в геологии, геохимии и геологоразведке.

а) Геохронология, то-есть определение так называемого «абсолютного» геологического возраста минералов и горных пород. Для этих целей используются изотопные соотношения ²³⁵U/²⁰⁷Pb, ²³⁸U/²⁰⁶Pb, ²³²Th/²⁰⁸Pb, ⁸⁷Rb/⁸⁷Sr, ⁴⁰K/⁴⁰Ar и ряд других.

б) Рудная геология, где распределение изотопов (главным образом, изотопов свинца, отчасти также серы и углерода) используют для определения источников рудного вещества, а также и для определения возраста рудной минерализации.

в) Геохимия гипергенных процессов и осадочных пород, а также органическая геохимия, где широко применяют распределение стабильных изотопов водорода, кислорода, углерода и серы в качестве генетических индикаторов.

В двух последних направлениях используется эффект фракционирования изотопов в природных химических и биохимических реакциях.

г) В последние 10–15 лет в практику исследований вошел изотопный анализ гелия – он оказался исключительно эффективным индикатором мантийного источника газов.

д) Наконец, в геологоразведочном деле широко применяется радиоактивный каротаж скважин, позволяющий судить о литологическом составе пород без подъема керна, а также о распространении 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. [Словарь по геологии нефти и газа, 1988, с. 210–211].

Изотопное фракционирование

Глубина разделения изотопов определяется в основном кинетическими и термодинамическими факторами. При высокой температуре разделение минимальное, при низкой оно увеличивается. Американец Юри первым применил в геологии константы изотопных равновесий, предположив, что температуру образования карбоната кальция в океане можно определить, исходя из изотопного состава кислорода в карбонате.

При нормальной температуре наиболее восстановленные соединения с, s и n содержат больше легких, а высокоокисленные – больше тяжелых изотопов.

Некоторые многократно повторяющиеся процессы могут вызвать разделение изотопов, достигающее нескольких процентов.

Из всех процессов природного фракционирования наиболее эффективен процесс изотопного обмена при химических реакциях. Небольшое различие в массах изотопов определяет различную скорость химических реакций. Дело в том, что в среднем атомы (молекулы) более легкого изотопа имеют большую скорость, и значит, и больше шансов столкнуться с другими атомами (молекулами) в химической реакции.

Схематически реакция изотопного обмена выглядит так:

aA₁ + bB₂ = aA₂ + bB₁,

где А и В – две молекулы, содержащие в своем составе одинаковый элемент, индекс 1 означает, что молекула имеет в своем составе более легкий изотоп, а 2 – более тяжелый, а и b - число вступающих в химическую реакцию молекул.

Примером реакции изотопного обмена может служить следующая реакция:

¹²CO₂(газ)+[H¹³CO₃]^- (раствор) = ¹³СО₂(газ) + [H¹²CO₃]^- (раствор).