Геохимия стабильных изотопов.

1. Причины фракционирования стабильных изотопов. Типы изотопных эффектов. Основные факторы опрелеляющие величину фракционирования изотопов.

Изотопы–это атомы химическихэлементов, отличающиеся количеством нейтронов в ядре.

Стабильные изотопы химических элементов могут существовать сколь угодно долго, они не испытывают радиоактивного распада. Стабильными являются те изотопы химического элемента, у которых примерно равное количество протонов и нейтронов в ядре. Например, у углерода известно всего15 изотопов, из них13 радиоактивных изотопов углерода (от 8C до 22C), и 2 стабильных изотопа: 12C (98,93%) и 13C (1,07 %). Процесс разделения изотопов называется изотопным фракционированием

Поскольку стабильные изотопы химического элемента отличаются только массой, то закономерности изменения изотопного состава определяются следующими факторами:

Должно быть по меньшей мере две фазы, содержащие конкретный химический элемент, между которыми и может осуществляться изотопный обмен, что приводит к разному изотопному составу данного химического элемента в разных фазах . Например жидкая и газообразная вода: в жидкой фазе молекулы воды обогащены тяжелыми изотопами водорода и кислорода по сравнению с сосуществующим водяным паром.

Эффекты изотопного фракционирования зависят от относительной разницы масс изотопов, она наибольшая у водорода –50%, у кислорода–11.5%. у умеренно тяжелых металлов (Fe, Cu, Ni и др.), -менее1%.Поэтому, при прочих равных условиях эффекты фракционирования изотопов для легких химических элементов сильнее, чем для тяжелых.

Типы изотопных эффектов

Кинетический-процесс зависит от времени

Термодинамический –зависит от температуры ( определяет колебательную энергию атомов) и молекулярной энергии связи химического элемента. Соединения с большей энергией связи обогащаются более тяжелыми изотопами. В равновесных условиях всегда наблюдается фракционирование изотопов между сосуществующими фазами, эффект тем более, чем ниже температура среды. Эффект практически не зависит от давления и химических параметров среды (состава магмы или флюида ).

Изотопное фракционирование в природе определяется температурой окружающей среды, при повышенных температурах коэффициент разделения обычно близок к единице.

2. Методы выражения изотопных эффектов.

Стандарты для стабильных изотопов.

Взаимосвязь коэффициента разделения изотопов и изотопных сдвигов относительно стандартов в фазах.

3. Принципы изотопной термометрии.

Термометры: 1)изотопно-кислородный ( для магматических и метаморфических пород до Т=850-900 град); 2)изотопно-серный- определение температуры кристаллизации сульфидных руд по сосуществующим сульфидам (надежен до Т=400-450).

1)

2)

4. Фракционирование изотопов кислорода и водорода. Глобальная система вода-водяной пар – лед.

Кислород имеет три стабильных изотопа 16О ( распространен на 99, 63%), 17О и 18О , у водорода два-1Н и 2Н- имеют наибольшую разницу масс, следовательно, наибольшие вариации изотопного состава). Для воды существует 9 различных конфигураций (в скобках массы).Давление пара молекул воды обратно пропорционально их массам , сл-но у первой Н2О намного выше чем у последней D2О. По этой причине водяной пар обогащен 16О и Н, а остающаяся вода 18О и D. (16О и Н фракционируют в фазу пара, а 18О и D концентрируются в жидкой фазе). Изотопный состав водорода и кислорода характеризуют величиной которая равна разности между значениями отношений 18О/16О (или D/Н) в образце и в стандарте SMOW(стандартная среднеокеаническая вода), выражается в промилях. Положительные значения - обогащение образца тяжелыми изотопами, отрицательные-обеднение. При испарении воды с поверхности океанов водяной пар обогащается 16О и Н, сл-но 18О и D в атмосфере над океанами имеют – значения.При образовании в облаках дождевых капель в рез-те конденсации водяного пара жидкая фаза обогащается 18О и D, так что изотопный состав О и Н в первых дождевых каплях подобен изотопному составу океанической воды. Продолжающееся удаление из воздушных масс 18О и D приводит к обогащению оставшегося пара 16О и Н. Поэтому значения дельта 18О и дельта D в атмосферном паре по мере выпадения осадков уменьшаются, в твердых и жидких осадках также становятся отрицательными в рез-те обеднения пара 18О и D. Пресная вода осадков обеднена 18О и D по сравнению с морской.

Линия Крейга –зависимость величины дельта 18О от дельта D имеет линейный характер.

Самые низкие значения дельта 18О и дельта D свойственны снегу, выпадающему в высоких широтах и(или) на значительной высоте относительно уровня моря при низких температурах, то есть изотопный состав водорода и кислорода облегчается при понижении средней температуры на конкретной широте.