Изотопы кислорода и водорода природных вод СССР
Методическое пособие - Геодезия и Геология
Другие методички по предмету Геодезия и Геология
авитация и др.
Разделение изотопов в химических процессах обусловлено различием в нулевых энергиях изотопных молекул. Оно происходит при различных скоростях химических реакций, обмене между отдельными изотопными фрагментами, различающимися энергетическими состояниями и т. д. В биохимических процессах разделение изотопов возникает при биологической деятельности растительных и животных организмов и обусловлено в основном предпочтительной ассимиляцией одного из изотопов данного элемента (например, фракционирование изотопов кислорода в процессе дыхания и др.).
Масштаб фракционирования изотопов в различных природных процессах неодинаков. Физические и химические процессы наиболее распространены в различных геосферах. Они приводят, как правило, к наиболее заметным изотопным сдвигам и изучены лучше других. Изотопно-геохимическая роль биохимических процессов ограничена верхней частью земной коры, и при разделении изотопов воды эти процессы не оказывают заметного влияния, поскольку количество воды в системе вода - органическое вещество практически всегда заведомо больше.
ПРОЦЕССЫ, КОНТРОЛИРУЮЩИЕ ФОРМИРОВАНИЕ ИЗОТОПНОГО СОСТАВА АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКОВ, ПОВЕРХНОСТНЫХ И ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД
Первые систематические исследования распространенности изотопов водорода и кислорода в атмосферных осадках были выполнены А. И. Бродским с сотрудниками в середине 30-х годов [5 и др.]. Изучение изотопного состава снега, льда, фирна, инея, дождя, воды горных рек и озер показало, что содержание тяжелых изотопов в метеорных водах имеет более низкое значение, чем в океанических н морских, тогда как воды, подвергшиеся испарению, имеют тенденцию к повышению концентрации тяжелых изотопов Таким образом, уже первые экспериментальные исследования позволили установить, что разделение изотопов в процессе формирования атмосферных осадков характеризуется направленностью и имеет связь с климатическими характеристиками.
В дальнейшем масс-спектрометрическими методами анализа рядом исследователей были выполнены основополагающие работы по выявлению закономерностей разделения изотопов в процессе образования и трансформации атмосферной влаги и распространенности их в природе Наиболее существенный вклад в эти исследования внесли С.Эпштейн, И.Фридмен, В.Дансгаард, Э.Эрикссон, Г.Крейг, Ю.Б.Селецкий и др. Результаты отдельных работ обобщены В.Дансгаардом [77], который обработал также многочисленные изотопные данные, полученные при осуществлении международной программы Изотопы в осадках, и построил различные теоретические и экспериментальные модели. Этим же вопросам посвящен обзор В.С.Брезгунова [1978 г.].
Необходимо отметить, что исследование изотопного состава атмосферных осадков представляет большой теоретический и практический интерес не только для метеорологии, гидрогеологии и гляциологии, но не менее важен и для таких, например, областей, как нефтегазопромысловая и мелиоративная гидрогеология, бальнеологии и т. д., поскольку получение надежной информации о генетических характеристиках глубоких подземных вод возможно лишь на основе достоверных сведений о метеорных и поверхностных водах как одном из важных источников их питания. Кроме того, изучение атмосферных осадков перспективно в плане исследования поведения изотопов при фазовых переходах в природной системе пар - жидкость - лед для выяснения взаимодействия океана с почвенным и ледниковым покровом и т. д.
Основные закономерности распределения изотопов водорода и кислорода в атмосферных осадках и процессы, их контролирующие, могут быть сформулированы следующим образом:
а) концентрация дейтерия и кислорода-18 в метеорных водах охватывает почти весь интервал распределения тяжелых изотопов в природе, составляя около 500 %о по D и 60‰ по 18О;
б) изотопный состав водорода и кислорода в атмосферных осадках изменяется пропорционально;
в) распределение содержания изотопов в осадках в пространстве и времени достаточно строго изменяется в зависимости от факторов, их контролирующих, главным образом от температуры.
Главной причиной разделения изотопов в гидрологическом цикле Мировой океан - атмосферные осадки - сток воды в океан является фракционирование изотопов при фазовых переходах в процессе испарения и конденсации влаги, обусловленное тем, что при одинаковой температуре давление пара молекул Н216О оказывается выше, чем молекул более тяжелых изотопных разновидностей (HD16O и Н218О). Именно этот многостадийный цикл поддерживает в определенных пределах постоянство изотопного состава водорода и кислорода в атмосферных осадках и открытых водоемах по географическому и климатическому признакам. Он определяет также различие в концентрации изотопов вод морских водоемов и бессточных озер, с одной стороны, атмосферных и пресных поверхностных - с другой.
Источником энергии кругооборота поверхностных вод является тепловая активность Солнца, которая, как предполагается, на протяжении геологической истории Земли поддерживает в определенных пределах постоянство - условий и позволяет считать, что подобные различия в их изотопном составе существовали в другие геологические эпохи. В известной мере этот же процесс поддерживает устойчивость движения метеорных и других поверхностных вод от главного источника водяного пара - района пассатов - в северном и южном направлениях с последующим возвратом их системой океанических течений.
Известно, что доля солнечной энер?/p>