Значения величины 13c, ‰

Материал	13C, ‰
Атмосферный СО2	– (5–8)
Бикарбонаты морской воды (Скарб)	от –3 до +1
Карбонаты, осаждающиеся в морской воде (Скарб)	0  2
Биогенный (метаболический) СО2	от – 25 до –30
Морские карбонаты в равновесии с биогенным СО2 (Скарб)	– 12
Пресноводные карбонаты (Скарб)	– (5–15)
Наземные растения и угли (Сорг)	– (23–27)
Морские водоросли (Сорг)	– (13–17)
Нефти (Сорг)	– (22–33)
Метан (Сорг)	– (50–70)

Фракционирование изотопов углерода в биосфере определяют два основных процесса.

Первый – это изотопный обмен в карбонатной системе (Н₂О + СО₂ + НСО₃^- + СО₃^2-); он приводит к накоплению в бикарбонате и карбонате тяжелого изотопа ¹³С:

¹³СО₂ + Н¹²СО₃^-  ¹²СО₂ + Н¹³СО₃^-

При 25^оС коэффициент фракционирования  ~1.014.

¹³СО₂ + ¹²СО₃^2-  ¹²СО₂ + ¹³СО₃^2-

При 25^оС коэффициент фракционирования  = 1.012.

Карбонат, осаждающийся из морской воды, находящейся в равновесии с атмосферным углекислым газом, оказывается примерно на 8‰ богаче изотопом ¹³С, чем атмосферный СО₂. Когда морские карбонаты попадают при погружении в зону метаморфизма, седиментогенный карбонат разлагается и выделяет СО₂ с той же плотностью, как и в исходном карбонате, т.е. ¹³C = 02‰. Если теперь этот углекислый газ растворится в воде и затем снова даст карбонатный осадок (который называется травертином и часто наблюдается на выходах горячих источников), то этот С_карб окажется уже более изотопно-тяжелым, нежели исходный (значение ¹³C травертинов достигает + 10‰). Этот пример хорошо показывает, что такое геохимический цикл.

Второй процесс – фотосинтез.

Он протекает неодинаково для наземных и для водных растений. В наземных растениях фотосинтез имеет две стадии: кинетическую (столкновение молекул атмосферного СО₂ с поверхностью зеленого листа) и ферментативную, во время которой растворенный в клеточной жидкости бикарбонат превращается в «органический углерод» с помощью фермента карбокси-дисмутазы. На первой стадии изотопный эффект может достигать 14‰, а на второй к нему добавляется еще около 4–5‰, так что в итоге складывается тот средний изотопный состав С_орг, который характерен для ЖВ и ОВ – продуктов наземного фотосинтеза, т.е. около –25‰ (PDB). Водные же фотосинтетики поглощают углерод непосредственно из растворенного бикарбоната и карбоната. В итоге С_орг водных растений оказывается примерно на 10‰ изотопно тяжелее, чем наземных.

Важнейшая изотопная метка органического углерода – его легкий изотопный состав – используется для суждения о генезисе карбонатов.

Если карбонат седиментогенный, образовавшийся в морской воде, то его изотопный состав будет близок к стандарту PDB, обычно разброс значений ¹³C_карб не превышает 2–3‰. Если же карбонат диагенетический, то в его формировании могут участвовать уже три компонента с разным изотопным составом. Один – это растворенный в поровых водах осадка бикарбонат морской воды, он поступает в осадок из наддонных вод путем диффузии, а его изотопный состав близок к стандартному. Такой же изотопный состав будет иметь и бикарбонат, образовавшийся в результате растворения седиментогенного карбоната. Однако в поровые воды в процессе диагенеза поступает и третий компонент – бикарбонат, образовавшийся при окислении углекислого газа, выделенного бактериями-редуцентами, которые питаются захороненным в осадке биогенным ОВ. От соотношения карбонат-ионов с тяжелым (¹³C_карб = 0 2–3‰) и легким (¹³C_карб = от –10 до –15‰, иногда еще более легкий) углеродом и будет зависеть в итоге изотопный состав получающихся диагенетических карбонатных конкреций.

Изотопы серы

Природная сера состоит из четырех стабильных изотопов: ³²S (95.1%), ³³S (0.74%), ³⁴S (4.3%), ³⁶S (0.016%).

Масс-спектрометрические определения обнаружили колебания изотопного состава серы различных природных объектов. Изотопный состав серы характеризуется относительным уплотнением ³⁴S:

³⁴S, ‰ = 1000[(R_{образца} / R_{стандарта} ) – 1],

где R = ³⁴S/³²S

За нулевой стандарт (³⁴S = 0) принят изотопный состав серы из троилита (FeS) железного метеорита (каньон Дьяболо в Аризоне, США).

Сера – подвижный и химически активный элемент в условиях биосферы. Она образует свыше 400 минеральных видов. В естественных условиях она проявляет себя в нескольких валентных состояниях, из которых главное значение имеют S(II), представленная в сульфидах, и S(VI) в сульфатах. Небольшую роль играет самородная сера S⁰; S(IV) встречается редко.

Высокая геохимическая подвижность серы приводит к разделению её изотопов в природных условиях. Главный процесс, приводящий к фракционировании изотопов серы, заключается в обменной изотопной реакции в морской воде в разных окислительно-восстановительных условиях:

H₂³⁴S (газ) + ³²SO₄^2- (раствор) = H₂³²S (газ) + ³⁴SO₄^2- (раствор)