Изотопы в геохимии

Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов (нуклонов). В настоящее время символы химических элементов пишутся так: например, для кислорода О¹⁶ или , где 16 - это массовый номер, сумма масс протонов и нейтронов, а 8 -заряд ядра, число протонов в ядре (№ в периодической системе).

Если заряды ядра равны, а массы различны, то мы имеем дело с изотопами одного и того же элемента. Изотопы (от слова «изос» - тоже и «топос» - место) были открыты Содди в 1911 г. В настоящее время известно 225 стабильных изотопов, и изотопный состав всех химических элементов, известных в природе, хорошо изучен. Выяснилось, что 22 химических элемента построены из атомов одного вида. Это - F, Р, Mn, Аu, V, Вi и др. Другие элементы состоят из двух, трех, четырех и более изотопов. Так, для кислорода, известны три изотопа: О¹⁶, О¹⁷ и О¹⁸, для железа четыре Fe⁵⁴, Fe⁵⁶, Fe⁵⁷, Fe⁵⁸, ртуть имеет семь изотопов, олово - десять.

Изотопы в геохимии играют исключительно большую роль. Особенно велико их значение при определении абсолютного возраста геологических формаций. В последнее время все большее и большее внимание уделяется изучению стабильных изотопов таких элементов, как углерод, кислород, азот, магний, кремний и другие. Именно геохимия изотопов призвана расшифровать в конечном счете сложную картину генезиса горных пород и руд. Поэтому естественно, что к изучению изотопов сейчас и в дальнейшем должно быть приковано самое пристальное внимание, изотопические исследования должны всемерно поощряться.

Хотя мы и считаем, что изотопный состав химических элементов Земли постоянен, все же, строго говоря, разделение изотопов при геохимических процессах имеет место. Это различие в содержании изотопов ничтожно мало, но оно существует, и его можно установить количественно, и, что особенно важно, различное отношение стабильных изотопов помогает решению некоторых геологических задач. Так, например, кислород имеет три изотопа, находящихся обычно в таких количествах: О¹⁶-99,76%, О¹⁷ - 0,04% , О¹⁸—0,20%. Однако в природе имеются геохимические процессы, ведущие к накоплению тяжелого кислорода О¹⁸. Поскольку наибольшее количество О¹⁸ содержится в кислороде углекислоты, то наиболее обогащенными О¹⁸ являются карбонаты. Степень обогащения зависит от условий кристаллизации карбоната из воды: если температура воды растет, то обогащение О¹⁸ меньше. Так, отношение О¹⁸ : О¹⁶ в воде равно 1,000 : 500, для карбонатов (СаСО₃), образованных при 0° С 1,026 : 500, а при 25° С 1,022 : 500. Хотя разница в отношениях очень мала, ее можно измерить. Следовательно, тщательное измерение количества О¹⁸ в морских карбонатных осадках (и в моллюсках) будет указывать на температуру их образования (т. е. на температуру морского бассейна того времени). Этот метод измерения палеотемператур был предложен Юри (США) в 1948 г. Впоследствии была построена температурная шкала, подтвержденная экспериментально на моллюсках, выращенных в аквариумах при различной температуре.

Весьма интересные работы по изучению изотопов кислорода выполнены А. П. Виноградовым и Р. В. Тейс. Они позволили дать новую трактовку фотосинтеза и утверждать, что кислород при фотосинтезе образуется не из углекислоты, как считалось раньше, а из воды путем ее дегидрирования.

Накопление тяжелого кислорода О¹⁸ при некоторых геохимических процессах проливает свет на происхождение горных пород и помогает расшифровке этих процессов. Так, уменьшение содержания О¹⁸ в породах с увеличением степени их метаморфизма и наименьшее содержание О¹⁸ в гранитах позволяет предполагать, что граниты образовались в результате ультраметаморфизма осадочных горных пород. Изучение изотопных отношений кислорода помогло выясне­нию генезиса магнетита в скарнах.

Чрезвычайно интересным для выяснения генезиса рудных месторождений является изучение изотопов серы и свинца. Акад. А. П. Виноградовым показаны процессы, ведущие к разделению изотопов серы. Полагая, что отношение S³²/S³⁴ для метеоритов и магматической серы идентично, было показано отличие этого отношения для осадочных пород. За стандарт было взято отношение S³²/S³⁴, равное 22,22, характеризующее серу троилита (FeS) из метеорита, и установлено, что в сульфидах возможны существенные вариации отношения S³²/S⁸⁴, зависящие от источника серы. Для сульфидов магматических медно-никелевых месторождений по близости изотопного состава серы к метеоритному был подтвержден мантийный источник серы. Решаются и другие вопросы, позволяющие установить происхождение серы, а следовательно, и месторождений сульфидов.

Изотопные отношения свинца также дают возможность в настоящее время решить вопрос, имеем ли мы дело с рудами осадочного или так называемого гидротермального генезиса. Кроме того, изучение изотопного состава свинца является классическим методом определения абсолютного возраста.

Большое значение имеет и изучение изотопов углерода. Так, по отношению С¹²/С¹³ удается различать минеральное или органическое происхождение углеродистых соединений, а также выяснить генезис алмаза.