Использование изотопных данных в геохимических исследованиях (на примере изотопа серы)

Изучение вариаций состава стабильных изотопов позволяет решать одну из важнейших задач геохимии – восстановление истории атомов, путей их миграции в течение геологических процессов. Так, выделение 4He и 3He, а также других изотопов нейтральных газов при вулканических извержениях, особенно в областях срединно-океанических хребтов, позволяет изучать глубинные процессы, идущие в мантии Земли.

Испарение водных масс с поверхности океанов и морей сопровождается разделением изотопов. В водяном паре изотопный состав водорода (1H/2H) и кислорода (16O/18O) легче, чем в морской воде. Пары воды содержат преимущественно 1H2O, а более тяжелая молекула воды (2H2O) обогащает океаническую воду. При конденсации паров воды снова происходит разделение изотопов, и первые капли дождя содержат более «тяжелую» воду, чем последующие.

Наиболее «легкая» вода кристаллизуется в виде снега и льда в полярных областях, например в Антарктике, где содержание 2H в различных слоях снега и льда зависит от того, в каком сезоне года они накапливались. Пресные воды легче морских, и их изотопный состав иногда имеет сезонные колебания. При изотопном обмене между разными компонентами устанавливается равновесие реакции, например: .

Так, образование карбонатов в условиях термодинамического равновесия с раствором сопровождается смещением изотопного состава кислорода. Величина этого смещения зависит от температуры. Например, наибольшее обогащение карбоната кальция (CaCO3) изотопом 16O происходит при осаждении CaCO3 в холодной воде. Зависимость фракционирования изотопов от температуры, при которой протекает реакция, была положена в основу палеотермометрического метода; так, изучение изотопного состава кислорода известковых скелетов ископаемых морских организмов позволяет определять температуры древних морей. Метод настолько чувствителен, что по кольцам роста раковин устанавливаются сезонные колебания температуры древних морей.

Немалую роль в изучении геологических процессов играют изотопы серы. Изотопный состав серы в горных породах и минералах Земли подвержен значительным колебаниям. За стандарт изотопного состава серы принимается сера метеоритов. Обычно измеряются вариации в отношениях наиболее распространенных изотопов 32S/34S.

Основной процесс изотопного фракционирования серы связан с перераспределением изотопов между окисленными (сульфатами) и восстановленными (сульфидами) соединениями серы. Изотопное фракционирование в геологических процессах могло начаться только после появления окисленных соединений серы, то есть после появления на Земле свободного кислорода. Поэтому, изучая изотопный состав серы древних отложений, можно определить время формирования кислородной атмосферы Земли. Важным механизмом разделения изотопов серы является восстановление сульфатов. В условиях низких температур восстановление обычно идет с помощью сульфатредуцирующих бактерий. Образующийся сероводород обогащается легким изотопом серы, а оставшийся сульфат утяжеляется. Вся сера сульфидных соединений прошла стадию биогенного окисления, в результате чего изотопный состав серы, например, океанических сульфатов утяжелен на несколько % по сравнению с серой метеоритов. Эта величина служит важной планетарной константой.

Изотопный состав серы месторождений сульфидов цветных тяжелых металлов позволяет восстанавливать историю атомов серы до момента их фиксации в рудах и решать вопрос об источнике рудного вещества. В частности, выясняется большая роль в рудообразовании серы, которая прошла стадию редукции сульфатов. Установлено, что в магматические процессы часто вовлекается вещество осадочных пород.