Изотопы кислорода и водорода природных вод СССР

Большой фактический материал, полученный по инициативе МАГАТЭ многими лабораториями для различных частей земного шара, в том числе и лабораторией ИГФМ

Изотопы кислорода и водорода природных вод СССР

Методическое пособие

Геодезия и Геология

Другие методички по предмету

Геодезия и Геология

Сдать работу со 100% гаранией

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В.Е. ВЕТШТЕЙН

 

 

ИЗОТОПЫ КИСЛОРОДА И ВОДОРОДА ПРИРОДНЫХ ВОД СССР

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

 

Настоящая работа была начата в 1964 г. и выполнялась по 1974 г. в Институте физической химии (ИФХ) им. Л. В. Писаржевского АН УССР в г. Киеве, где исследования в области химии и геохимии изотопов природных вод стали традиционными. Основное направление работ за этот период заключалось в создании комплекса масс-спектрометрической аппаратуры и методик для анализа изотопного состава водорода и кислорода в природных соединениях, в том числе и в природных водах; в изучении закономерностей и особенностей распределения дейтерия и кислорода-18 в различных типах подземных и поверхностных вод и в применении результатов изотопно-геохимических исследований для решения задач в области метеорологии, гляциологии, океанологии, лимнологии, водоснабжения, мелиорации, бальнеологии, охраны внешней среды (захоронение промстоков), нефтегазопоисковой геологии и гидрогеологии, солевой геологии, вулканологии. Начиная с 1974 г. эти работы нашли дальнейшее развитие в Институте геохимии и физики минералов АН УССР в разработках аппаратуры и методик для исследования распределения D/H и 18О/16О в физически и химически связанных водах в минералах и породах, а также в получении научных результатов в области минералогии, петрологии, рудной геологии и т. д. В предлагаемой монографии представлены некоторые результаты аппаратурных, методических и изотопно-геохимических исследований.

Автор глубоко признателен академикам АН УССР А.И.Бродскому и Н.П.Семененко за постоянный интерес и внимание к работе.

В создании комплекса масс-спектрометрической аппаратуры и методик для прецизионного анализа изотопного состава кислорода (1966 г.) и водорода (1970 г.) вместе с автором участвовали В. Г. Артемчук, Т. Н. Воинова, А, М. Глухой, П. И. Денесюк.

Большую помощь в выполнении аналитических измерений и вычислений оказали автору В Г. Артемчук, А. М. Глухой и Г. А.Малюк. Региональные и экспериментальные исследования проводились в творческом содружестве с Ф.А.Алексеевым, В.Е.Алексеевским, П.Г.Альтшулером, А.Е. Бабинцом, Е.А.Басковым, Я.Н.Белевцевым, М.Г.Валяшко, Р.П.Готтих, Л.К.Гуцало, С.В.Кузнецовой, А.М.Рычковым, Е. В.Пиннекером, А.И.Поливановой, Э.В.Соботовичем, В.Н.Сойфером, С.Н.Суриковым, В.Г.Трачуком и Н.П.Щербаком. Ими же в большинстве случаев отбирались представительные образцы и выполнялись химические и другие определения, результаты которых были любезно I предоставлены автору. В оформлении рукописи большую помощь оказали В.Г.Артемчук, Т.Н.Воинова и Т.А.Садовая. Автор выражает искреннюю благодарность всем упомянутым выше товарищам за помощь в работе.

ВВЕДЕНИЕ

 

Колебания в изотопном составе природных соединений имеют фундаментальное значение для решения многих задач, начиная от проблем эволюции земных и космических тел, возникновения и развития жизни на Земле и кончая задачами сегодняшнего дня - поиском полезных ископаемых. Две основные причины обусловливают изменения в изотопном составе элементов. Первая из них - радиоактивный распад, который приводит к преимущественному накоплению стабильных ядер. Этот процесс, за редким исключением, характерен для тяжелых элементов. Сдвиг в изотопном составе легких элементов может происходить и действительно происходит в результате различных физико-химических и биологических процессов. Именно поэтому вариации в изотопном составе для геологических наук имеют гораздо большее значение, чем сама распространенность изотопов, так как происходившие в далеком прошлом процессы оставляли о себе сведения лишь в небольших изменениях изотопного состава участвовавших в них компонентов.

Теоретически фракционирование изотопов в природе возможно для всех химических элементов периодической системы. Однако оно лучше всего выражено у тех элементов, которые принимают наиболее активное участие в круговороте веществ неорганического и органического мира (кислород, водород, углерод, азот, сера). Процессов, ведущих к разделению стабильных изотопов, много, и степень их изученности различна. Для некоторых систем, например неорганического происхождения, они лучше изучены, для других механизмы фракционирования изотопов с участием живых организмов - хуже. Но основные причины установлены. К ним относятся: а) фракционирование при фазовых переходах вследствие кинетического различия в разновидностях изотопных молекул (кинетический изотопный эффект); б) реакции изотопного обмена (термодинамический изотопный эффект). Состояние работ в этой области рассмотрено в монографиях А.И.Бродского[5], К.Ранкамы [1956, 1963 гг.], А.И.Шатенштейна и др. [1957 г.], И.Е.Старика [1961 г.], Э.М.Галимова [24; 1973 г.], Ф.А.Алексеева и др. [1975 г.], Ю.Б.Селецкого и др.[1973 г.], В.И.Ферронского и др. [1975, 1978 гг.], а также в трудах международных и всесоюзных симпозиумов и конференций.

Особый интерес представляет изучение изотопного состава кислорода и водорода в природных соединениях, и в частности в природных водах, ввиду их большой распространенности и особой роли в химической эволюции земной коры.

Однако практическое использование колебаний в изотопном составе кислорода и водорода в природных объектах осложняется двумя обстоятельствами: во-первых, незначительностью самих вариаций (сотые и десятые доли процентов от отношений 18О/ 16О и D/H, которые сами примерно равны 0,002 и 0,00015 соответственно) - их измерения должны производиться с очень высокой чувствительностью и точностью; во-вторых, достоверные выводы для решения практически каждой конкретной задачи могут быть получены лишь сопоставлением и статистической обработкой большого числа экспериментально изученных образцов. Именно эти обстоятельства обусловили относительно небольшое число публикаций о распространенности изотопов кислорода и водорода в природных соединениях. Поэтому очень важно было располагать методами анализа изотопного состава природных вод (учитывая огромные водные ресурсы страны), которые совмещали бы высокую точность анализа с большой его скоростью. Это позволило бы перейти от единичных определений к систематическому изучению больших серий образцов. Представлялось также весьма перспективным изучение изотопного состава водорода и кислорода в газах, минералах и породах, с которыми исследуемые воды могли находиться во взаимодействии.

Ранее не существовало методов анализа изотопного состава кислорода и водорода в природных объектах, в частности в природных водах, которые удовлетворяли бы указанным целям. Поэтому первый этап работы заключался в создании прямых, технически простых и быстрых масс-спектрометрических методов анализа относительного содержания кислорода-18 и дейтерия. В гл. I в сжатом виде приведены критический обзор методов выделения кислорода и водорода из различных природных объектов, а также применяемые в работе масс-спектрометрические методики, аппаратура и техника подготовки проб для изотопного анализа. Кроме того, даны краткие сведения об изотопии кислорода и водорода природных вод и используемых стандартах. В гл. II рассмотрены процессы, контролирующие фракционирование изотопов природных вод, в гл. III - фактический материал по закономерностям распределения изотопов кислорода и водорода в различных типах природных вод - гравитационных (свободных), физически и химически связанных, отображенных в пределах территории как СССР, так и сопредельных стран (ЧССР, МНР, ПНР), в гл. IV - особенности формирования основных типов природных вод по изотопным и другим данным. В заключение (гл. V) приведены различные примеры применения изотопно-геохимических исследований для решения научных и народнохозяйственных задач. В связи с многоплановостью работы автор не считал целесообразным вводить литературный материал, за исключением гл. II, но по мере необходимости использовал его в каждом разделе.

Глава I. МЕТОДИКА ИЗОТОПНОГО АНАЛИЗА

 

Стабильные тяжелые изотопы кислорода и водорода в связи с весьма слабой их распространенностью были обнаружены несколько позднее изотопов других элементов. Изотопы кислорода (18О и 17О) открыты В. Джиоком и X. Джонстоном в 1929 г., водорода (дейтерий) - Г. Юри с сотрудниками в 1932 г.

Сразу же после открытия изотопов кислорода и водорода начались многочисленные исследования изотопного состава природных вод разных типов, в том числе и поиски тяжелой воды. Большинство этих работ в настоящее время имеют лишь историческую ценность, поскольку измерения проводились по общей плотности, которая неоднозначно определяет вариации в изотопном составе кислорода и водорода. Кроме того, часто исследования проводились на низком методическом уровне.

Новый этап в изучении природных вод связан с работами А. И. Бродского и его коллег, которые в 1937 г. разработали методики раздельного определения изотопного состава кислорода и водорода. Для этой цели использовалось сочетание денсиметрического и интерферометрического методов. Это позволило осуществить систематическое изучение распространенности изотопов водорода и кислорода в образцах воды разного происхождения: снегах, льдах, фирнах. инее, дожде, озерах и морях. Преимущество раздельного способа анализа особенно хорошо показано на примере исследования концентрации изотопов водорода и кислорода в океанических и морских водах Арктического бассейна, где были обнаружены закономерности их распределения в водах и льдах в зависимости от географических признаков, тогда как суммарная плотность оказалась малохарактерной [5]. Упомянутые методы анализа впоследствии применялись в ряде лабораторий мира для решения многих научных задач, а также для контроля обогащения вод тяжелыми изотопами. Однако широкая постановка исследований тормозилась трудоемкостью методик и относительно низкой точностью. Отдав в целом должное боль

Похожие работы

1 2 3 4 5 > >>