Большая Советская энциклопедия - изотопные методы

в геологии, методы изучения геол. процессов, основанные на исследовании содержания и соотношений радиоактивных, радиогенных и стабильных изотопов отдельных химич. элементов в горных породах, минералах, природных водах, газах и органич. веществе.

Наиболее разработаны и широко применимы методы абсолютной геохронологии (см. Геохронология), 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 абс. возраст горных пород и минералов. Методами абс. геохронологии определён возраст пород Земли, Луны, метеоритов; по изотопному составу инертных газов (Ar, Xe и мн. др.) судят о радиационном возрасте метеоритов (времени воздействия на них космич. облучения), Изотопный состав инертных газов Земли и метеоритов несёт богатую информацию об особенностях образования вещества Солнечной системы (см. Космохимия). Содержание ¹⁴C(T1/2 = 5600 лет) в ископаемых остатках на Земле позволяет определять время их захоронения; с помощью ¹⁴C определён возраст многих археол. находок. Различное содержание ¹⁴C в годовых кольцах древесины деревьев может указывать на неодинаковую интенсивность образования его в атмосфере прошлых геол. периодов, связанную с периодами изменения интенсивности космич. облучения планеты. По парам ²³⁰Io — ²³²Th: ²³⁰Io — ²³¹Ra, а также по абс. 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 геол. исследованиях играет вариация в содержании стабильных изотопов. Несмотря на небольшое различие в физ. и хим. свойствах изотопов при некоторых геол. процессах происходит фракционирование (разделение) изотопов отдельных хим. элементов. Наибольший эффект фракционирования характерен для лёгких элементов — Н, С, N, О, S и др., т. к. для них относительная разница в массах изотопов наибольшая. Различия в свойствах изотопов тяжёлых элементов малы и на совр. уровне измерительной техники трудно определяются. Измерения ведутся на масс-спектрометре (См. Масс-спектрометры) по отношению к эталонам, изотопный состав которых принимается всеми лабораториями мира. Результаты измерений выражаются в величинах δ, показывающих, на сколько % или ^o/oo содержание тяжёлого изотопа в образце больше (+δ) или меньше ( — δ), чем в эталоне. Одним из наиболее распространённых процессов фракционирования стабильных изотопов является Изотопный обмен. Глубина разделения изотопов определяется кинетическими и термодинамич. факторами. При высокой температуре фракционирование минимально, при низкой — максимально. При обычной температуре наиболее восстановленные соединения С, S, N содержат больше лёгкого изотопа; высокоокисленные их соединения содержат больше тяжёлого изотопа, например: ----------------------------------------------------------------

| CH4 | H2S  | NH3  |  | | утяжеление |  |  |

|------------------------------------| C, S, N  |------|

| C  | S | N2 |  | | |  |  |

|------------------------------------| |------|

| CO  | SO2 | NO  |  | | |  |  |

|------------------------------------| |------|

| CO2 | SO3 | NO2 |  | | |  |  |

|------------------------------------| |------|

| | SO4^2— | NO3^— | ↓  |  | ↓  |

---------------------------------------------------------------Изучение вариаций состава стабильных изотопов позволяет решать одну из важнейших задач геохимии — восстановление истории атомов, путей их миграции в течение геол. процессов. Так, выделение ⁴He и ³He, а также других изотопов нейтральных газов при вулканич. извержениях, особенно в областях срединно-океанич. 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 преим. ¹H2O, а более тяжелая молекула воды (²H2O) обогащает океанич. воду. При конденсации паров воды снова происходит разделение изотопов, и первые капли дождя содержат более «тяжёлую» воду, чем последующие. Наиболее «лёгкая» 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: