Изотопы кислорода и водорода природных вод СССР
Методическое пособие - Геодезия и Геология
Другие методички по предмету Геодезия и Геология
µнию (12) остаточная фракция должна обогащаться тяжелыми изотопами. При конденсации - уравнение (13) - будет наблюдаться зависимость обратного характера, т. е. последовательное обеднение оставшейся части пара тяжелыми изотопами. Уравнения (12) и (13) применимы для систем, в которых соблюдается равновесие между фазами и вновь образующиеся пар и конденсат сразу же удаляются.
В природной обстановке поведение изотопов в испарительном процессе не подчиняется закону дистилляции Релея, поскольку, как правило, термодинамическое и изотопное равновесия в системе не успевают установиться, что приводит к кинетическому изотопному эффекту. Физический смысл явления неравновесности системы жидкость - пар до конца не выяснен. Однако одной из причин ее является преимущественное увеличение давления паров какой-либо из изотопных разновидностей. В отличие от испарения, процесс разделения изотопов при конденсации осадков протекает в условиях, весьма приближающихся к равновесным. Проведенное Г. Крейгом [72] в 1961 г. изучение большого числа образцов воды из рек, озер и атмосферных осадков из различных районов мира позволило установить важную количественную взаимосвязь между величинами D и 18О для вод метеорного формирования. Она показала, что корреляционная зависимость для вод, не подвергшихся интенсивному испарению, описывается уравнением регрессии
D = 818О + 10. (14)
Уравнение (14) получило в литературе название линия метеорных вод (или прямая Крейга) и используется в качестве одного из диагностических признаков при установлении происхождения природных вод по изотопным данным.Выполненные В. Дансгаардом теоретические расчеты и экспериментальные исследования [77] на примере 34 станций, включая одну антарктическую, позволили установить с коэффициентом корреляции 0,995 значение тангенса угла наклона 8,04 0,14 и таким образом показать их хорошее согласие с тангенсом угла наклона в уравнении (14). Было также показано, что конденсация облачного пара в природных условиях протекает по закону Релея путем изобарического охлаждения от 20 до 0 и затем от 0 и до -20 путем адиабатического охлаждения. Свободный член указывает, что испарение из океана происходило достаточно быстро и в неравновесном процессе, т. е. преимущественно образовывался излишек дейтерия. Тангенс угла наклона для равновесных процессов, отвечающий значениям, близким к 80,5, и для неравновесных - 3 - 5, показывает, что фракционное разделение изотопов водорода в соответствующее число раз больше, чем кислорода.
Между температурой приземного воздуха и величинами D и 18О для большого числа прибрежных континентальных и островных станций установлена линейная корреляция [77], описываемая уравнениями
D = 5,6ta - 100; (15)
18О = 0,69ta - 13,6, (16)
где ta - температура воздуха, .
Большой фактический материал, полученный по инициативе МАГАТЭ многими лабораториями для различных частей земного шара, в том числе и лабораторией ИГФМ АН УССР для ряда климатических зон европейской и азиатской частей Советского Союза (см. гл. III), а также данные Всесоюзного научно-исследовательского института гидрогеологии и инженерной геологии (ВСЕГИНГЕО) для метеоплощадки Щемилово не противоречат, за исключением некоторых региональных отклонений, выявленным общим закономерностям и свидетельствуют об их широкой распространенности. Последнее, видимо, натолкнуло некоторых исследователей на мысль о возможности ограничиться поэлементным изучением изотопного состава атмосферных осадков, например только лишь по изотопам водорода [Friedman I. e.a., 1964] или кислорода [Hitchon В. е. а., 1972 г.]. Представляется, что наиболее интересная информация о поведении изотопов в гидрологическом цикле может быть получена лишь при совместном изучении изотопного состава обоих элементов: водорода и кислорода. Только такой подход позволяет помимо исследования общих закономерностей подметить интимные стороны механизмов поведения изотопов, важные для понимания причин их фракционирования в природных условиях. В частности, на основании выполненного регрессионного анализа В.А.Поляковым и др. [1978 г.] по накопленным МАГАТЭ материалам многолетних режимных наблюдений за изменением концентрации дейтерия и кислорода-18 в атмосферных осадках большого числа регионов земного шара установлено, что для некоторых станций в уравнение Крейга (14) следует внести существенные региональные поправки. Так, для станций Бетел, ВСЕГИНГЕО, Вена, Гибралтар и Норд тангенс угла наклона изменяется в интервале от 5,6 до 7,2, свободный член - от - 25,2 до - 0,6. Для осадков континентальных и прибрежных станций обнаружена сильная зависимость коэффициента b от среднегодовой температуры воздуха: при понижении температуры от 16 (станция Тегеран) до -12 (станция Барроу) его значение уменьшается от 2 до -40. Зависимость коэффициента от температуры выражается при этом соотношением . Было также выявлено, что по мере продвижения влаги с Арктики в глубь Евразийского континента член уменьшается примерно на 0,7‰ на 100 км. Обнаруженная при анализе режимных данных температурная зависимость коэффициента b в уравнении регрессии (14) объясняется авторами неравновесными процессами конденсации влаги при продвижении исходного парового облака, сформировавшегося над океаном, в глубь континента.Были установлены и некоторые другие процессы, ведущие к фракционированию изотопов метеорных вод. Так, Д. Эххальт и др. [Ehhalt D. е. а., 1963 г.] для жаркого и сухого климата Претории (ЮАР) нашли разделение изотопов в падающих дожд?/p>