Изотопы водорода

Изотопы водорода

Водород в условиях Земли представлен тремя природными изотопами: ¹Н (протий), ²Н (дейтерий D) и ³Н (тритий). Протий и дейтерий относятся к стабильным изотопам, тритий – радиоактивный, возникающий в атмосфере Земли в результате ядерных реакций с космическими лучами. Значительное различие масс ¹Н и D определяет возможность их существенного фракционирования в условиях биосферы. Колебания изотопного состава водорода превышают колебания изотопных отношений всех других известных стабильных химических элементов. Самые незначительные колебания плотности (D) отмечаются в земных горных породах, наибольшие колебания характерны для летучих веществ – различных природных вод и органического вещества.

Основная часть водорода Земли связана с кислородом в воде, поэтому колебания его изотопного состава связаны с естественным круговоротом воды. Природная вода состоит из трех стабильных изотопов кислорода и двух стабильных изотопов водорода. Это определяет существование девяти изотопных разновидностей молекул воды, которые встречаются в следующей молекулярной концентрации (%): H₂¹⁶О – 99.73, HD¹⁶O – 0.03, D₂¹⁶O – 2.3 10^-6, H₂¹⁷O – 0.04, HD¹⁷O – 1.2 10^-15 , D₂¹⁷O – 0.9 10^-9, H₂¹⁸O – 0.20, HD¹⁸O – 5.7*10^-15, D₂¹⁸O – 4.4*10^-9 . Изотопные виды HD¹⁸O, D₂¹⁶O и D₂¹⁸O представляют собой «тяжелую воду».

При характеристике изотопного состава водорода применяют изотопную плотность D, ‰ по отношению к стандарту SMOW, принятому за нуль (D SMOW=0 ‰):

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

где R = D/H

Величина D служит отличным индикатором генезиса вод. Наиболее значительны колебания величины D в термальных водах и вулканических газах (Н и СН₄), которые могут быть и сильно обеднены, и довольно сильно обогащены дейтерием. Но больше всего дейтерия в морской воде; поскольку она выбрана как стандарт, то все значения D получаются отрицательными.

В условиях равновесия между жидкой и парообразной водой между величинами D и ¹⁸O наблюдается линейная зависимость:

D = 8¹⁸O + 10.

Как правило пар обогащается легкими изотопами кислорода и водорода, а остающаяся вода соответственно – тяжелыми. Поэтому, в частности, очень соленые воды, образовавшиеся путем выпаривания морской воды – самые изотопно-тяжелые, как по водороду, так и по кислороду. Это можно использовать для диагностических целей. А именно, если мы имеем дело с рассолом, но его изотопный состав почему-то оказывается близким к таковому для морской воды, то это означает, что данный рассол произошел не путем выпаривания! В частности, есть альтернативный механизм – фильтрация вод через заряженные глинистые мембраны [Дегенс, 1967, c. 181].

Изотопы углерода

Природный углерод состоит из двух стабильных изотопов ¹²С и ¹³С (распространенность 98.89% и 1.11%). Изотопный состав углерода выражается отношением ¹³С/¹²С или относительной плотностью ¹³C, которая равна:

¹³C, ‰ = 1000[(R_{образца} / R_{стандарта} ) – 1], где

R = ¹³С/¹²С

В качестве стандарта принят углерод ископаемого моллюска Belemnitella americana из слоев формации PD (Пи Ди) в Южной Калифорнии (обозначается PDB). Для стандарта PDB ¹³С/¹²С = 0.01125, а величина ¹³C (PDB) = 0.

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 Са и Mg, образуя известняки и доломиты преимущественно биогенного происхождения. Другая часть СО₂ атмосферы и гидросферы поглощается зелеными растениями в процессе фотосинтеза. Подавляющая часть биомассы (около 99.95%) в современной биосфере после гибели растений и животных окисляется с образованием СО₂, и лишь небольшая доля (около 0.05%) фоссилизируется в осадках в составе ОВ.

Для того, чтобы ориентироваться в геохимической литературе, где используются изотопные отношения карбонатного и органического углерода, полезно знать характерные изотопные метки природных веществ, участвующих в круговороте углерода (табл. 2 )