Вариации изотопного состава, фракционирование изотопов

Для описания вариаций изотопного состава и фракционирования изотопов необходимо дать характеристику изотопным методам.

Изотопные методы – это методы изучения геологических процессов, основанные на исследовании содержания и соотношений радиоактивных, радиогенных и стабильных изотопов отдельных химических элементов в горных породах, минералах, природных водах, газах и органическом веществе.

Наиболее разработаны и широко применимы методы абсолютной геохронологии, с их помощью по соотношению радиоактивных изотопов и дочерних продуктов их распада, например,    235U – 207Pb; 238U – 206Pb; 232Th – 208Pb; 87Rb – 87Sr; 40K – 40Ar и др., определяется абсолютный возраст горных пород и минералов. Методами абсолютной геохронологии определен возраст пород Земли, Луны, метеоритов; по изотопному составу инертных газов (Ar, Xe и мн. др.) судят о радиационном возрасте метеоритов (времени воздействия на них космического облучения).

Изотопный состав инертных газов Земли и метеоритов несет богатую информацию об особенностях образования вещества Солнечной системы. Содержание 14C(T1/2 = 5600 лет) в ископаемых остатках на Земле позволяет определять время их захоронения; с помощью 14C определен возраст многих археологических находок.

Различное содержание 14C в годовых кольцах древесины деревьев может указывать на неодинаковую интенсивность образования его в атмосфере прошлых геологических периодов, связанную с периодами изменения интенсивности космического облучения планеты. По парам           230Io – 232Th: 230Io – 231Ra, а также по абсолютному содержанию радиоактивных 14C и 10Bc в донных отложениях океанов и морей определяются скорость и время накопления различных донных морских осадков; средняя продолжительность накопления неконсолидированных осадков в океане достигает 150×106 лет.

Важную роль в геологических исследованиях играет вариация в содержании стабильных изотопов. Несмотря на небольшое различие в физических и химических свойствах изотопов в некоторых геологических процессах происходит фракционирование (разделение) изотопов отдельных химических элементов.

Наибольший эффект фракционирования характерен для легких элементов – Н, С, N, О, S и др., поскольку для них относительная разница в массах изотопов наибольшая. Различия в свойствах изотопов тяжелых элементов малы и на современном уровне измерительной техники трудно определяются. Измерения ведутся на масс-спектрометре по отношению к эталонам, изотопный состав которых принимается всеми лабораториями мира. Результаты измерений выражаются в величинах d, показывающих, на сколько % или o/oo содержание тяжелого изотопа в образце больше (+d) или меньше ( – d), чем в эталоне.

Одним из наиболее распространенных процессов фракционирования стабильных изотопов является изотопный обмен. Глубина разделения изотопов определяется кинетическими и термодинамическими факторами. При высокой температуре фракционирование минимально, при низкой – максимально. При обычной температуре наиболее восстановленные соединения С, S, N содержат больше легкого изотопа; высокоокисленные их соединения содержат больше тяжелого изотопа, например:

 CH4

H2S

NH3

утяжеление C, S, N

C

S

N2

CO

SO2

NO

CO2

SO3

NO2

SO42–

NO3

¯

¯

Аккумуляция радиоактивных веществ в биосфере, накопление радиоактивных веществ (РВ) всеми составными частями биосферы – живыми (микробы, растения, животные, человек) и неживыми (почва, воды суши и океанов). Особенно энергично аккумуляция радиоактивных веществ происходит в организмах. Некоторые радиоактивные вещества прочно связываются теми или иными тканями (например, стронций и плутоний костями животных и человека), другие, например цезий, легко выделяются.

Аккумуляция радиоактивных веществ, временно выходящих из биологического круговорота, осуществляется в основном в донных отложениях, а на суше – в почве. Из радиоактивных веществ, поступающих в почвенный раствор, часть аккумулируется растениями и вместе с растительной пищей попадает в организмы животных и человека, а после их смерти – снова в почву. Таким образом, флора и фауна (особенно виды животных, встречающихся в массовом количестве, – насекомые, черви и др.) служат важным фактором перемещения радиоактивных веществ в почве. Мерой аккумуляции радиоактивных веществ в организме служит коэффициент накопления, то есть отношение концентрации радиоактивных веществ в организме к концентрации их в окружающей среде и в воде (для водных организмов) или почвенном растворе.

Коэффициент накопления зависит от вида и состояния организма, свойств и концентрации радиоактивных веществ, степени их связывания в среде и др. Коэффициенты накопления различных радиоактивных веществ водными организмами сравнительно высоки – порядка 102 104; так, он равен: для зеленых водорослей по 90Sr – 1,6103, для моллюсков по 95Nb – 3103 для рыб по 91Y – 5102.

Аккумуляция радиоактивных веществ организмами приводит к их облучению, что может вызвать развитие лучевой болезни, злокачественных опухолей, вредные генетические последствия и гибель организмов. Поэтому важно запрещение испытаний ядерного оружия, увеличивающих радиоактивное загрязнениесреды обитания (атмосферы, почвы и воды).