Кіріспе
Табиғи ортадағы изотоптардың мөлшерінің өзгеруін зерттейтін геологияның бір саласы. Изотоптық геохимия – түрлі элементтердің изотоптарының салыстырмалы мөлшерінің табиғи өзгерістерін зерттеуге негізделген геологияның бір саласы. Изотоп мөлшерінің өзгерістері изотоптық қатынас массалық спектрометриясы арқылы өлшенеді және тау жыныстарының, ауаның немесе судың жасы мен пайда болуы, сондай-ақ олардың араласу процестері туралы ақпаратты ашуға мүмкіндік береді. Тұрақты изотоп геохимиясы көбінесе массаға тәуелді изотоптардың бөлінуінен туындайтын изотоптық өзгерістермен айналысады, ал радиогендік изотоп геохимиясы табиғи радиоактивтіліктің өнімдерін зерттейді.
Isotope geochemistry is an aspect of geology based upon the study of natural variations in the relative abundances of isotopes of various elements. Variations in isotopic abundance are measured by isotope ratio mass spectrometry, and can reveal information about the ages and origins of rock, air or water bodies, or processes of mixing between them. Stable isotope geochemistry is largely concerned with isotopic variations arising from mass dependent isotope fractionation, whereas radiogenic isotope geochemistry is concerned with the products of natural radioactivity.
Көміртек
Көміртегінің 12С және 13С деген екі тұрақты изотопы, ал 14С деген бір радиоактивті изотопы бар. Тұрақты көміртегі изотоптарының қатынасы δ13C Вена Пи-Ди Белеминитіне (VPDB) қатысты өлшенеді. Тұрақты көміртегі изотоптары негізінен фотосинтез арқылы бөлінеді (Faure, 2004). 13C/12C қатынасы палеоклиматтың көрсеткіші болып табылады: өсімдіктердің қалдықтарындағы қатынастың өзгеруі фотосинтездік белсенділіктің өзгеруін көрсетеді, сонымен қатар өсімдіктер үшін ортаның қаншалықты қолайлы болғанын көрсетеді. Фотосинтез кезінде C3 жолын пайдаланатын организмдер C4 жолын пайдаланатындарға қарағанда басқаша байытылады, бұл ғалымдарға органикалық затты абиотикалық көміртектен ғана емес, сонымен қатар органикалық заттың қандай фотосинтез жолын қолданғанын анықтауға мүмкіндік береді. 14C қатынасы, басқа нәрселермен қатар, мұхит ағыстарын қадағалау үшін қолданылған.
Азот
Азоттың 14N және 15N екі тұрақты изотопы бар. Бұл изотоптардың арақатынасы қоршаған ортадағы ауадағы азотқа шаққанда өлшенеді.
Қалдық
Қысқылтектің үш тұрақты изотопы бар: 16O, 17O және 18O. Қысқылтектің изотоптық қатынастары Вена стандартты орташа мұхит суына (VSMOW) немесе Вена Pee Dee Belemnite (VPDB) қатысты өлшенеді. Көбінесе палеоклиматты зерттеу үшін VPDB оттегі эталоны қолданылады, ал VSMOW басқа көптеген қолданбалар үшін пайдаланылады. Қазбаланған фораминиферлердегі изотоптық қатынастар арқылы ежелгі теңіздердің температурасын анықтауға болады.
Күкірт
Күкірттің төрт тұрақты изотопы бар, олардың шамасы: 32S (0,9502), 33S (0,0075), 34S (0,0421) және 36S (0,0002). Бұл шамалар Каньон-Диабло троилитінде кездесетін шамалармен салыстырылады.
Радиогендік изотоптық геохимия
Радиогендік изотоптар Жер жүйелерінің жасын және олардың пайда болуын зерттеуге мүмкіндік беретін қуатты іздеушілер болып табылады. Олар әртүрлі құрауыштар арасындағы араласу процестерін түсіну үшін ерекше пайдалы, себебі (салмақты) радиогендік изотоптардың қатынасы химиялық процестердің нәтижесінде әдетте өзгермейді. Радиогендік изотоптарды іздеушілер басқа іздеушілермен бірге қолданғанда ең тиімді: қолданылатын іздеушілер саны неғұрлым көп болса, араласу процестерін бақылау деңгейі де соғұрлым жоғары болады. Бұл қолданысқа мысал – геологиялық уақыт аралығында Жер қыртысы мен Жер мантиясының эволюциясы.
Қорғасын-қорғасын изотоптарының геохимиясы
Қорғасынның төрт тұрақты изотопы бар: 204Pb, 206Pb, 207Pb және 208Pb. Қорғасын Жерде актинид элементтерінің, негізінен уран мен торийдің ыдырауы арқылы түзіледі. Қорғасын изотоптарының геохимиясы әртүрлі материалдардың изотоптық жасын анықтауға пайдалы. Қорғасын изотоптары әртүрлі трансураникалық элементтердің ыдырауынан пайда болғандықтан, төрт қорғасын изотопының бір-біріне қатынасы магмалық тау жыныстарындағы балқыма көзін, шөгінділердің көзін және тіпті адамдардың шығу тегін олардың тісінің, терісінің және сүйектерінің изотоптық саусақ іздері арқылы анықтау үшін өте пайдалы. Бұл Арктикалық мұз жадроларын жас анықтау үшін қолданылған және атмосфералық қорғасын ластануының көзі туралы ақпарат береді. Қорғасын-қорғасын изотоптары сот-медициналық сараптамада оқтарды саусақ іздері арқылы анықтау үшін сәтті қолданылды, себебі оқ-дәрілердің әр партиясының өзіне тән 204Pb/206Pb және 207Pb/208Pb арақатынасы болады.
Самарий-неодим
Самарий-неодим – геологиялық материалдардың, сондай-ақ археологиялық қазбалардан табылған заттардың (мысалы, ыдыстар, керамика) изотоптық іздерін анықтауға және жасын белгілеуге қолданылатын изотоптық жүйе. 147Sm 1.06x1011 жыл жартылай ыдырау периодымен 143Nd-ға ыдырайды. Жас анықтау әдетте бір тау жынысы үлгісіндегі бірнеше минералдың изохронасын құру арқылы жүзеге асырылады. Бастапқы 143Nd/144Nd қатынасы анықталады. Бұл бастапқы қатынас CHUR (Хондриттік біркелкі резервуар) арқылы модельдендіріледі, ол Күн жүйесін құраған хондриттік материалдың жуық шамасы. CHUR хондрит және ахондрит метеориттерін талдау нәтижесінде анықталды. Үлгінің CHUR-ға қатысты қатынасының айырмашылығы мантиядан (оның эволюциясы CHUR-ға қатысты есептелген) және оның граниттік көзден (радиогендік Nd-мен азайтылған), мантиядан немесе байытылған көзден алынғандығы туралы ақпарат бере алады.
Ренийосмий
Рений мен осмий – жер қыртысында өте аз мөлшерде кездесетін сидерофильді элементтер. Рений радиоактивті ыдырау арқылы осмийге айналады. Уақыт өте келе радиогенді емес осмийдің радиогенді осмийге қатынасы өзгеріп отырады. Рений осмийге қарағанда сульфидтерге оңайрақ өтеді. Сондықтан, мантия балқу кезінде рений бөлініп шығады және осмий-осмий қатынасының маңызды өзгерісіне кедергі келтіреді. Бұл балқу оқиғасы кезіндегі сынаманың бастапқы осмий қатынасын сақтап қалады. Осмий-осмий бастапқы қатынастары мантия балқу оқиғаларының бастапқы сипаттамаларын және жасын анықтау үшін пайдаланылады.
Асыл газ изотоптары
Асыл газдардың табиғи изотоптық айырмашылықтары радиогендік және нуклеогендік процестердің нәтижесінде пайда болады. Олардың ерекше қасиеттеріне байланысты, оларды жоғарыда сипатталған дәстүрлі радиогендік изотоптық жүйелерден ерекшелендіру маңызды.
Актинидтердің ыдырау тізбегіндегі изотоптар
Актинидтердің ыдырау тізбектеріндегі изотоптар радиогендік изотоптардың арасында ерекше болып табылады, себебі олар радиогендік және радиоактивті екі қасиетке ие. Олардың мөлшері әдетте атомдық қатынастар емес, белсенділік қатынастары түрінде беріледі, сондықтан оларды басқа радиогендік изотоптық жүйелерден бөлек қарастыру қажет.
Протактиний/торий 231Pa/230Th
Уран мұхитта жақсы араласады, ал оның ыдырауы тұрақты белсенділік қатынасында (0,093) 231Pa және 230Th элементтерін тудырады. Ыдырау өнімдері тұнбаланатын бөлшектерге адсорбция арқылы жылдам алынады, бірақ жылдамдықтары бірдей емес. 231Pa Атлантика бассейніндегі терең судың тұру уақытына шамамен тең (1000 жылға жуық), ал 230Th одан тезірек (ғасырлар ішінде) жоғалады. Термохалиндік айналым 231Pa-ны Атлантикадан Оңтүстік мұхитқа шығарып жібереді, ал 230Th-ның көп бөлігі Атлантика шөгінділерінде қалады. Осының салдарынан, Атлантика шөгінділеріндегі 231Pa/230Th арақатынасы мен айналым жылдамдығы арасында байланыс бар: айналым жылдам болғанда шөгіндідегі 231Pa/230Th арақатынасы төмендейді, ал айналым баяу болғанда бұл арақатынас артады. Сондықтан, δ13C және 231Pa/230Th комбинациясы өткен кездегі айналым өзгерістері туралы толыққанды мәлімет беруге мүмкіндік береді.
Жалпы
Аллегри С. Ж., 2008 жыл. Изотопты геология (Кембридж университетінің баспасы). Дикин А. П., 2005 жыл. Радиогендік изотоп геологиясы (Кембридж университетінің баспасы). Фур Г., Менсинг Т. М. (2004), Изотоптар: принциптер және қолданылуы (John Wiley & Sons). Хофс Дж., 2004 жыл. Тұрақты изотоптар геохимиясы (Springer Verlag). Шарп З., 2006 жыл. Тұрақты изотоптар геохимиясының қағидалары (Prentice Hall).