Методы исследования, основанные на постоянстве изотопного состава

Стабильные изотопы подвержены гораздо меньшим колебаниям, поскольку химические и физические свойства изотопов очень близки. Все же существуют некоторые природные процессы (например, испарение воды), которые приводят к измеримому смещению отношений изотопов. При этом, чем легче элемент и чем больше разница в атомных весах его изотопов, тем скорее и глубже может пройти изотопное разделение. Значительный сдвиг изотопных отношений установлен для водорода, бора, углерода, кислорода, серы. Отношение изотопов водорода и кислорода воды, например, изменяется при испарении воды с поверхности океанов. Вода в паровой фазе заметно обогащается более легкими изотопами. Поэтому дождевые и речные воды также всегда обогащены легкими изотопами по сравнению с океаническими водами. Наибольшая концентрация легких изотопов водорода и кислорода обнаружена в полярных льдах Антарктиды.

Г. Юри установил, что равновесное содержание изотопов С = ¹⁸О/¹⁶О карбонатов и воды зависит от температуры воды.

В воде R=¹⁸О/¹⁶О = 1/500, а карбонатах при Т=0^оС – R=1, 022/500, при 25^oC – R=1,026/500.

,

где R = в исследуемом образце, R₀ – в эталонном.

Четкое смещение отношения изотопов кислорода происходит при обмене изотопов между СаСО₃ и водой. В равновесных условиях этот обмен зависит от температуры. Полагая, что изотопный состав океанической воды в течение геологического времени оставался постоянным, можно по изотопному составу кислорода в ископаемых известковистых раковинах рассчитать температуру воды, в которой обитало умершее животное. На этом основан палеотемпературный метод, который позволяет восстанавливать температуру древних морей с точностью менее ±1°С.

Значительное разделение изотопов углерода и серы происходит в биосфере. Так, углерод органических веществ всегда обогащен легким изотопом С¹² по сравнению с углеродом углекислого газа и карбонатов. Интересно, что изотопный состав углерода нефтей очень близок к составу органического углерода и практически одинаков для нефтей разного возраста, состава и местонахождения. На основе соотношения изотопов ¹⁴С и ¹³С производят датировки остатков живых организмов.

Радиоуглеродный метод определения абсолютного возраста (от 60-100 лет до 50-60 тыс. лет) основан на следующем

В природе встречаются несколько изотопов углерода:

• стабильные ¹²С (98.9%), ¹³С (1.1%)

• радиоактивные ¹⁴С (10^-10%), который образуется постоянно в атмосфере за счет излучения Солнца. ¹⁴С в виде углекислого газа поглощается растениями в процессе фотосинтеза.

Радиоактивные изотопы ¹⁴С распадаются с образованием β–частиц, превращаясь в стабильные изотопы ¹³С. Соотношение ¹³С /¹⁴С при жизни организма поддерживается на постоянном уровне и одинаково для всех живых организмов.

• Если растение отмирает, то с этого момента происходит постоянное уменьшение в нем содержания ¹⁴С за счет его радиоактивного распада.

• Зная период полураспада ¹⁴С, можно по его количеству в растительных остатках или гумусе определить время, прошедшее с момента гибели по останкам организмов.

• Период полураспада радиоактивного изотопа ¹⁴С равен 5780 ±40 лет.

Смещение изотопного состава при сульфат редукции. Отношение изотопов серы изменяется в процессе восстановления сульфатов, которое идет обычно под влиянием сульфатредуцирующих бактерий. Сера образующегося сероводорода обогащается при этом легким изотопом, а сульфат, оставшийся невосстановленным, наоборот, обогащен тяжелым ³⁴S. В результате постоянно идущего восстановления части сульфатов, растворенных в океанической воде, оставшийся сульфат оказывается сильно обогащенным (на 2%) тяжелым изотопом ³²S по сравнению со средним изотопным составом серы земной коры. Это обогащение стабильно во всех океанах, на различных глубинах. Обогащение океанических сульфатов тяжелым изотопом серы ха­рактеризует отложения всех геологических эпох. Таким образом, сделанный выше вывод о постоянстве изотопного состава элементов разного происхождения является, по-видимому, лишь первым приближением к истине. Всего вероятнее, что дальнейшее уточнение методов исследования позволит заметить различия в изотопном составе, кроме перечисленных выше, и других элементов. Благодаря этому состав нашей планеты и других космических тел, происхождение и миграция элементов – эти важнейшие проблемы современной геохимии – получат более полное и глубокое освещение.

Дата добавления: 2014-01-20