Изотопы углерода, их значение при решении геолого-геохимических задач

Изотопов в природе

Распространение изотопов в природе и причины разделения

Большое число изотопов характерно для элементов с атомными ядрами, имеющими четные значения z (правило Оддо-Гаркинса: распространенность нечетного элемента всегда более низкая, чем распространенность соседнего четного). Особенно велико это число у элементов с ядрами, имеющими магическое число протонов (2, 8, 14, 20, 28, 50, 82).

Различие между массами изотопов данного элемента определяет различную подвижность атомов или молекул, состоящих из разных изотопов, что является причиной их разделения в процессах миграции – перемещений в различных условиях и прохождения через ряд химических реакций. Многочисленные исследования показали, что изотопы одного и того же элемента и их соединения слегка различаются по своим химическим свойствам. Эти различия малы и снижаются у тяжелых элементов по мере увеличения массы изотопов. Но в отдельных случаях они достаточно ощутимы, чтобы вызвать концентрацию и разделение изотопов элементов в природных условиях.

Химические различия изотопов зависят от их термодинамических свойств. Изотопы данного химического элемента ведут себя различно при физических процессах. Разделение (фракционирование) изотопов при геохимических процессах происходит вследствие диффузии, физической абсорбции, растворения, испарения, плавления, дистилляции и кристаллизации, которые вызывают удаление в первую очередь из системы легких изотопов. Сюда относятся также смещение изотопов в магматическом поле и биогенные процессы.

В целом, можно отметить, что в природе фракционирование и перераспределение изотопов особенно отчетливо наблюдается на легких элементах, так как в легких ядрах наиболее сильно сказывается появление каждого нового нейтрона (пример, ряд ₁H¹ - ₁¹D² – ₁²T³). Разделение изотопов в геохимических процессах возможно для всех элементов периодической системы, хотя для тяжелых элементов вероятность разделения мала. До настоящего времени обнаружено разделение изотопов у элементов с массовыми числами от 1 до 90.

Изучение геохимии изотопов позволяет определять возраст минералов, пород, формаций. Для этих целей широко используются изотопные соотношения уран-свинец, калий-аргон, углерод, стронций. Установление условий разделения изотопов в природе может явиться ответом на сложный и важный вопрос об источниках минерального вещества.

Изотопный состав углерода в природных объектах определяется присутствием 2 стабильных изотопов – С¹² (преобладает – 98,893%) и С¹³(1,107%) и одного радиоактивного – С¹⁴ (минимальное количество).

Период полураспада С¹⁴ – 5730 лет. Соотношение С¹² и С¹³ в природных объектах варьирует от 88 до 94.

Сопоставление различных значений изотопного состава удобно проводить по относительному приросту С¹³.

σС¹³=[(С¹³/С¹²)обр./(С¹³/С¹²)ст.-1]х1000

(промилле – тысячная часть числа, десятая доля процента),

где

σС¹³- относительный прирост С¹³

(С¹³/С¹²)обр. – отношение изотопов в исследуемом образце;

(С¹³/С¹²)ст. – отношение изотопов в стандарте

За стандарт принят эталон РDВ (содержание углерода карбоната кальция в ископаемом организме Belemnitella americana из формации PD, Южная Каролина США позднемелового возраста). Величина данного отношения в стандарте – 11,2372х10^-5.

+σС¹³ – избыток С¹³;

-σС¹³ – дефицит С¹³ в образце.

Фракционирование изотопов углерода происходит в процессе его геохимического круговорота. За начало этого круговорота можно принять выделение СО₂ из мантийных глубин во время вулканических процессов, а также при термическом разложении известняков и доломитов в условиях метаморфизма. Затем СО₂ распределяется между атмосферой и гидросферой. В морской воде СО₂ связывается с кальцием и магнием, образуя известняки преимущественно биогенного происхождения. Другая часть СО₂ атмосферы и гидросферы поглощается зелеными растениями в процессе фотосинтеза. Фотосинтез приводит к образованию органического вещества. Часть биомассы после гибели растений окисляется с образованием СО₂, другая часть захороняется в уловиях восстановительной среды. На всех этапах геохимического цикла происходит разделение изотопов углерода.

Процессы, влияющие на разделение изотопов углерода: карбонатообразование – ведет к утяжелению С; σС¹³ морских известняков - +4,5 до –5,1 %о (промилля); фотосинтез – ведет к облегчению С; микробиологическое фракционирование изотопов углерода в метане – приводит к резкому облегчению С в метане, σС¹³=-75%о

Разные геологические процессы (объекты) глубинного происхождения показали 2 разных уровня содержания изотопов углерода:

- 1 группа – карбонатиты, алмазы, графит, в кимберлитах, СО₂ в возгонах, σС¹³= - 5,8 до -8%о (близки к углероду углистых хондритов);

- 2 группа большинство гипербазитов σС¹³= -22%о (близко к углероду железных метеоритов).

Фракционирование углерода на Земле вне зависимости от характера его первичного изотопного состава обусловлено, главным образом, биогенными явлениями.

Дата добавления: 2014-12-16