Введение
Аспект геологии, изучающий вариации в соотношении изотопов в естественной среде.
Изотопная геохимия – это раздел геологии, основанный на изучении естественных изменений в относительной распространенности изотопов различных элементов. Вариации в изотопном составе измеряются с помощью изотопной масс-спектрометрии и могут предоставлять информацию о возрасте и происхождении горных пород, воздуха или водных объектов, а также о процессах их смешения. Геохимия стабильных изотопов в основном изучает изотопные вариации, обусловленные массозависимым фракционированием изотопов, в то время как геохимия радиогенных изотопов рассматривает продукты естественного радиоактивного распада.
Углерод
Углерод имеет два стабильных изотопа, 12C и 13C, и один радиоактивный изотоп, 14C. Соотношение стабильных изотопов углерода, δ13C, измеряется относительно Vienna Pee Dee Belemnite (VPDB). Стабильные изотопы углерода подвергаются фракционированию главным образом в процессе фотосинтеза (Faure, 2004). Соотношение 13C/12C также служит индикатором палеоклимата: изменение этого соотношения в остатках растений указывает на изменение интенсивности фотосинтетической активности и, следовательно, на то, насколько благоприятными были условия для растений. В процессе фотосинтеза организмы, использующие путь C3, демонстрируют иное обогащение изотопами, чем организмы, использующие путь C4, что позволяет ученым не только различать органическое вещество и абиотический углерод, но и определять, какой фотосинтетический путь использовало органическое вещество. Соотношение 14C используется, в частности, для изучения циркуляции океана.
Азот
Азот имеет два стабильных изотопа, 14N и 15N. Отношение между ними измеряется относительно азота в атмосферном воздухе.
Кислород
Кислород имеет три стабильных изотопа: 16O, 17O и 18O. Соотношения изотопов кислорода измеряются относительно Венской стандартной средней океанической воды (VSMOW) или Венского белемнита (VPDB). Как правило, для палеоклиматических исследований используется стандарт VPDB, а VSMOW – для большинства других применений. Соотношения изотопов в ископаемых фораминиферах применялись для определения температуры древних морей.
Сера
Сера имеет четыре стабильных изотопа со следующими распространенностями: 32S (0,9502), 33S (0,0075), 34S (0,0421) и 36S (0,0002). Эти распространенности сравниваются с распространенностями, обнаруженными в троилите Каньон-Диабло.
Геохимия радиогенных изотопов
Радиогенные изотопы служат мощными индикаторами для изучения возраста и происхождения систем Земли. Они особенно полезны для понимания процессов смешения между различными компонентами, поскольку отношения (тяжелых) радиогенных изотопов обычно не подвергаются фракционированию в ходе химических процессов. Наибольшую эффективность радиогенные изотопные индикаторы проявляют при использовании в сочетании с другими индикаторами: чем больше индикаторов используется, тем точнее можно контролировать процессы смешения. Примером такого применения является изучение эволюции земной коры и мантии Земли на протяжении геологического времени.
Геохимия свинца и его изотопов
Свинец имеет четыре стабильных изотопа: 204Pb, 206Pb, 207Pb и 208Pb. Свинец образуется в земной коре в результате распада актиноидов, главным образом урана и тория. Геохимия изотопов свинца позволяет определять изотопный возраст различных материалов. Поскольку изотопы свинца образуются при распаде различных транс-урановых элементов, соотношения между четырьмя изотопами свинца могут быть очень полезны для определения источника магм в магматических породах, источника осадочных пород и даже для установления происхождения людей по изотопным "отпечаткам пальцев" в их зубах, коже и костях. Он использовался для датировки кернов льда с арктического шельфа и предоставляет информацию об источнике загрязнения атмосферы свинцом. Изотопные соотношения свинца успешно применяются в криминалистике для идентификации пуль, поскольку каждая партия боеприпасов имеет уникальное соотношение 204Pb/206Pb к 207Pb/208Pb.
Самарий-неодим
Самарий-неодим – это изотопная система, которую можно использовать для определения возраста и изотопных характеристик геологических материалов, а также различных других материалов, включая археологические находки (горшки, керамика). 147Sm распадается с образованием 143Nd с периодом полураспада 1,06 x 10¹¹ лет. Датирование обычно проводится путем построения изохроны по нескольким минералам в образце породы. Определяется начальное соотношение 143Nd/144Nd. Это начальное соотношение моделируется относительно CHUR (Хондритического однородного резервуара), который является приближением к хондритовому материалу, из которого сформировалась Солнечная система. CHUR был определен путем анализа хондритовых и ахондритовых метеоритов. Разница в соотношении для образца по сравнению с CHUR может предоставить информацию о модельном возрасте извлечения из мантии (для которой рассчитана предполагаемая эволюция относительно CHUR) и о том, было ли извлечение из гранитоидного источника (истощенного радиогенным Nd), мантии или обогащенного источника.
Ренийосмий
Рений и осмий — сидерофильные элементы, присутствующие в земной коре в очень малых концентрациях. Рений подвергается радиоактивному распаду с образованием осмия. Соотношение нерадиогенного осмия к радиогенному осмию меняется во времени. Рений легче, чем осмий, переходит в сульфиды. Следовательно, при плавлении мантии рений извлекается, что препятствует существенному изменению соотношения изотопов осмия. Это фиксирует исходное соотношение изотопов осмия в образце на момент плавления. Исходные соотношения изотопов осмия-осмия используются для определения характеристик источника и возраста событий плавления мантии.
Изотопы благородных газов
Природные изотопные вариации благородных газов обусловлены как радиогенными, так и нуклеогенными процессами образования. Благодаря своим уникальным свойствам, целесообразно выделять их в отдельные группы, отличные от традиционных радиогенных изотопных систем, описанных выше.
Изотопы в цепочках актинидного распада
Изотопы в цепочках распада актинидов уникальны среди радиогенных изотопов, поскольку они одновременно являются продуктами радиоактивного распада и сами радиоактивны. В силу того, что их концентрации обычно выражаются в виде отношений активностей, а не атомных отношений, целесообразно рассматривать их отдельно от других радиогенных изотопных систем.
Протактиний/торий 231Pa/230Th
Уран хорошо перемешан в океане, и его распад производит 231Pa и 230Th в постоянном соотношении активности (0,093). Продукты распада быстро удаляются за счет адсорбции на оседающих частицах, но с разной скоростью. Время пребывания 231Pa эквивалентно времени пребывания глубоких вод в Атлантическом бассейне (около 1000 лет), а 230Th удаляется быстрее (в течение столетий). Термохалинная циркуляция эффективно выносит 231Pa из Атлантики в Южный океан, в то время как большая часть 230Th остается в атлантических отложениях. В результате существует связь между соотношением 231Pa/230Th в атлантических отложениях и скоростью переворота циркуляции: более быстрый переворот приводит к снижению этого соотношения, а более медленный – к его увеличению. Таким образом, сочетание δ13C и 231Pa/230Th может дать более полное представление об изменениях циркуляции в прошлом.
Общий
Аллегре С. Дж., 2008. Изотопная геология (Cambridge University Press). Дикин А. П., 2005. Геология радиогенных изотопов (Cambridge University Press). Фаур Г., Менсинг Т. М. (2004), Изотопы: принципы и применение (John Wiley & Sons). Хофс Й., 2004. Геохимия стабильных изотопов (Springer Verlag). Шарп З., 2006. Принципы геохимии стабильных изотопов (Prentice Hall).