Изотопы водорода

В условиях равновесия между жидкой и парообразной водой между величинами dD и d¹⁸O наблюдается линейная зависимость:

dD = 8d¹⁸O + 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 d¹³C, которая равна:

d¹³C, ‰ = 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 d¹³C (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)

значения величины d¹³C, ‰

Фракционирование изотопов углерода в биосфере определяют два основных процесса.

Первый – это изотопный обмен в карбонатной системе (Н₂О + СО₂ + НСО₃^- + СО₃^2-); он приводит к накоплению в бикарбонате и карбонате тяжелого изотопа ¹³С:

¹³СО₂ + Н¹²СО₃^- Þ ¹²СО₂ + Н¹³СО₃^-

При 25^оС коэффициент фракционирования a ~1.014.

¹³СО₂ + ¹²СО₃^2- Þ ¹²СО₂ + ¹³СО₃^2-

При 25^оС коэффициент фракционирования a = 1.012.

Карбонат, осаждающийся из морской воды, находящейся в равновесии с атмосферным углекислым газом, оказывается примерно на 8‰ богаче изотопом ¹³С, чем атмосферный СО₂. Когда морские карбонаты попадают при погружении в зону метаморфизма, седиментогенный карбонат разлагается и выделяет СО₂ с той же плотностью, как и в исходном карбонате, т.е. d¹³C = 0±2‰. Если теперь этот углекислый газ растворится в воде и затем снова даст карбонатный осадок (который называется травертином и часто наблюдается на выходах горячих источников), то этот С_карб окажется уже более изотопно-тяжелым, нежели исходный (значение d¹³C травертинов достигает + 10‰). Этот пример хорошо показывает, что такое геохимический цикл.

Второй процесс – фотосинтез.

Он протекает неодинаково для наземных и для водных растений. В наземных растениях фотосинтез имеет две стадии: кинетическую (столкновение молекул атмосферного СО₂ с поверхностью зеленого листа) и ферментативную, во время которой растворенный в клеточной жидкости бикарбонат превращается в «органический углерод» с помощью фермента карбокси-дисмутазы. На первой стадии изотопный эффект может достигать 14‰, а на второй к нему добавляется еще около 4–5‰, так что в итоге складывается тот средний изотопный состав С_орг, который характерен для ЖВ и ОВ – продуктов наземного фотосинтеза, т.е. около –25‰ (PDB). Водные же фотосинтетики поглощают углерод непосредственно из растворенного бикарбоната и карбоната. В итоге С_орг водных растений оказывается примерно на 10‰ изотопно тяжелее, чем наземных.