Изотопное смешивание

Средний изотопный состав элементов может заметно меняться в процессе смешивания природных вод отличающихся происхождением или условиями формирования. Процессы фракционирования и смешивания влияют на изотопный состав растворенных элементов одновременно и заметно осложняют исследование их относительной роли. Наибольшие успехи в учете влияния смешивания на изотопный состав достигнуты в изучении таких химически пассивных компонентов, как He, Ar и N₂.

Изотопный состав He харатеризуется непосредственно соотношением изотопов ³He/⁴He. Эти изотопы в подземных водах могут иметь три разных источника: атмосферный, радиогенный и мантийный. Атмосферный гелий (atmospheric helium) поступает с поверхностными водами в количестве не более 0,0410^-3 см³ /л и с изотопным соотношением ³He/⁴He около (1,39±0,01) 10^-6. Радиогенный гелий (radiogenic helium) образуется вследствие распада , и и имеет изотопный отношение ³He/⁴He порядка 110^-8. В 1969 году исследованиями Бориса Александровича Мамырина (1919-2007), Игоря Несторовича Толстихина (р. 1937) и др. было обнаружено, что в мантии Земля ³He сохранился с момента образования планеты (Мамырин Б.А., Толстихин И.Н., 1981). Этот гелий назвали первозданным гелием (primordial helium). Поэтому изотопное отношение ³He/⁴He мантийного гелия (mantle helium) значительно выше величины 1,39·10^-6 и принято равным (1,2±0,3)10^-5.

Изотопный состав гелия подземных вод, как правило, рассматривают, как смесь изотопов разных источников. Содержание атмосферного гелия, как правило, ничтожно, и им часто пренебрегают. В большинстве случаев изотопный состав гелия находится в интервале (0,3·10^-8÷1,3)·10^-8 и определяется в основном радиогенными изотопами. В районах молодой складчатости ( Камчатке, Сахалине и т.д.) изотопный состав гелия иногда опускается заметно ниже 1,39·10^-6 (Каменский И.Л. и др., 1974 ), что свидетельствует о присутствии примеси мантийного гелия. Доля этого мантийного гелия может быть определена, согласно уравнению:

, (II‑29)

где He_м – доля мантийного гелия от объема всего гелия, растворенного в воде, а подстрочные индексы характеризуют принадлежность изотопных отношений гелия смешанного, радиогенного и мантийного характера, соответственно.

Изотопный состав Ar характеризуется, как правило, непосредственно изотопным соотношением ⁴⁰Ar/³⁶Ar. При этом полагают, что ⁴⁰Ar в подземных водах может быть атмосферным и радиогенным, а ³⁶Ar только атмосферным. Атмосферный аргон (atmospheric argon) поступает в недра в составе поверхностных вод в количестве до 0,24 см³ /л с изотопным отношением ⁴⁰Ar/³⁶Ar равным 295,6. Радиогенный аргон (radiogenic argon) образуется при распаде ⁴⁰К и представлен только одним изотопом ⁴⁰Ar, содержание которого растет пропорционально времени. В подземных водах аргон представляет собой смесь атмосферных и радиогенных изотопов. Долю атмосферных изотопов можно определить по отклонению соотношения ⁴⁰Ar/³⁶Ar в пробе от аналогичного соотношения в атмосфере (Прасолов Э.М. и др., 1982, Прасолов Э.М., 1990):

, (II‑30)

где Ar_aт – доля атмосферного аргона, которая не может быть больше 1. Доля радиогенного аргона равна:

Ar_р=1- Ar_a. (II‑31)

Тогда содержание атмосферного и радиогенного аргона в воде можно определить, если известно общее объемное содержание аргона C_oAr:

, . (II‑32)

Здесь , и - объемные концентрации суммарного, атмосферного и радиогенного аргона, соответственно.

Если предположить, что содержания атмосферного аргона в поверхностных водах относительно стабильно, то его содержание в подземных водах можно использовать для оценки относительного содержания других газовых компонентов. Поэтому концентрации газовых компонентов иногда нормируют, как отношение их концентраций к содержанию воздушного аргона.

Изотопный состав N определяется соотношением изотопов ¹⁴N и ¹⁵N. Большая часть азота сосредоточена в атмосфере в молекулярной форме N₂ и с очень стабильным изотопным соотношением равным 272,2. Этот атмосферный азот принят в качестве изотопного стандарта. В подземных водах относительно небольших глубин преобладает N₂ в количестве до 16 см³/л и с δ¹⁵N 0‰, который называется атмосферным азот (atmospheric nitrogen). Этот азот считается химически достаточно пассивным, а его содержание относительно стабильным. Поэтому заметное отклонение концентраций и изотопного состава молекулярного азота от этих величин рассматривается как признак присутствия азота других источников. Опубликованные данные по содержанию и изотопному составу N₂ относятся преимущественно в подземным газам и нефтям (Прасолов Э.М. и др., 1990, Прасолов Э.М., 1990). По этим данным δ¹⁵N молекулярного азота в недрах находятся в интервале от -20 до +30‰. При отсутствии соленосных толщ и очень крепких рассолов в разрезе, распространен, как правило, изотопно легкий азот, с δ¹⁵N от -16 до -9‰. Напротив, в обстановке подсолевых крепких рассолов, встречен N₂ c очень высокими парциальными давлениями (до 10МПа) и δ¹⁵N более 10‰. Природа этого азота пока однозначно пока не установлена, и его обычно называют избыточным азотом (excess nitrogen), но иногда и органогенным.

Относительное содержание избыточного азота можно оценить, если известно содержание атмосферного аргона. Действительно, концентрации молекулярного азота и аргона в атмосфере жестко связаны соотношением 83,8. Однако при растворении в воде в естественных условиях это отношение меняется и становится равным:

, (II‑33)

где B_N2 и B_Ar – коэффициенты растворимости Бунзена азота и аргона для поверхностных вод, соотсветственно, а соотношение концентраций тех же компонентов в атмосфере.