Неорганическая геохимия - Хендерсон П.
Скачать (прямая ссылка):
9. Распределение изотопов в геохимии 227
Рекомендуемая дополнительная литература
Allegre С. I., Minster J. F. Quantitative models of trace element behaviour in magmatic processes. Earth Planet. Sei. Lett. 38, 1—25, 1978.
Athcrton M. P, Crystal growth models in metamorphic tectonites. Phil. Trans. Roy. Soc. London, A, 283, 255—270, 1976.
Dow/y E. Crystal growth and nucleation theory and the numerical simulation of igneous crystallization. In: Physics of Magmatic Processes (ed. R. B. Har-graves), pp. 419—485, Princeton Univ. Press, 1980.
Fischer G. W. Nonequilibrium thermodynamics in metamorphism. In: Thermodynamics in Geology (ed. D. G. Fraser), pp. 381—403. Reidel Publishing Co., 1977.
Ft/fc W. S., Price N. J., Thompson A. B. Fluids in the Earth's Crust. Elsevier Scientific Publishing Co. Chapter 5. 383 pp., 1978.
Hof mann A. W. Diffusion in natural silicate melts: a critical review. In: Physics of Magmatic Processes (ed. R. B. FIargraves), pp. 385—417. Princeton Univ. Press, 1980.
Kirkpatrick R. J. Crystal growth from the melt: a review. Am. Mineral. 60, 798— 814, 1975.
Putnis A., McConnell J. D. C. Principles of Mineral Behaviour. Blackwell Scientific Publishing. Chapters 5 to 8. 157 pp., 1980.
9. Распределение изотопов в геохимии
9.1. Введение. Изобретение маос-спектрометра позволило геологам определять отношения распространенности изотопов в породах и минералах. Вначале целью таких исследований было установление возраста Земли и возрастных соотношений пород. Для этого используются некоторые естественные радиоактивные изотопы. Полупериод распада этих изотопов лежит в широком интервале — от 4,47 млрд. лет у 238и, который распадается с образованием цепочки дочерних продуктов, заканчивающихся стабильным изотопом 206РЬ, до 5730 лет у ИС, который может быть использован для датирования некоторых очень молодых осадков. Однако использование изотопов позволяет исследовать не только возраст пород и минералов, но и решать многие другие проблемы. Отношения содержаний стабильных и радиоактивных изотопов особенно важны для решения широкого круга петрогенетических проблем и проникновения в суть некоторых геохимических процессов. В число таких проблем входят: идентификация источников магмы, определение степени взаимодействия пород с природными водами, геотермометрия, индикаторы происхождения рудообразующих флюидов. Поскольку чувствительность и точность аналитических методов возрастают, область применения изотопных исследований расширяется и они становятся одной из наиболее захватывающих и плодотворных областей исследования.
Цель настоящей главы — дать обзор некоторых методов применения изотопных исследований к решению общих проблем со
15*
228 Часть II
става пород и распределения элементов. Вопросы геохронологии изложены в соответствующем разделе весьма кратко — этой теме посвящено много превосходных работ, часть из них упомянута в конце главы.
Область исследований в изотопной геохимии распадается на две части: одна охватывает радиоактивные изотопы и их дочерние продукты, а другая— стабильные изотопы. Главные принципы, используемые в них, существенно различаются. В первой исследования в основном посвящены определению и интерпретации распространенности исходных и дочерних изотопов и требуют знания скоростей радиоактивного распада. Во второй, опираясь на определение отношений распространенности стабильных изотопов одного или нескольких элементов, исследователи стремятся выявить и использовать фракционирование изотопов в природных процессах. Есть, впрочем, области, где эти два типа исследований перекрываются, особенно это касается смешения вещества в природе. Основное необходимое условие в этом случае заключается в том, что вклад каждого источника в результирующую смесь должен иметь достаточно отличающиеся изотопные характеристики, что позволило бы использовать их как индикаторы.
9.2. Радиоактивные изотопы: некоторые принципы и распространенность. Распад радиоактивных веществ происходит по экспоненциальному закону:
# = #0е-м, (9.1)
где N— число нераспавшихся атомов в момент времени /, Л/0 — начальное число атомов (когда / = 0) и X—константа, характеризующая каждое радиоактивное вещество. X называется константой распада и имеет размерность обратного времени.
Скорость радиоактивного распада обычно выражается через период полураспада ^/2, который равен времени, необходимому для распада половины исходного числа атомов, т. е. когда Ь — = /1/2, N=N0/2. Таким образом,
*1/2=1п2Д. (9.2)
Во многих случаях радиоактивные вещества распадаются с непосредственным образованием дочерних продуктов, но в других может образоваться целая цепочка радиоактивных дочерних продуктов, прежде чем возникнет стабильный изотоп. Образование радиоактивных рядов распада наблюдается для естественных изотопов урана и тория: 238и, 235и и 232Тп (табл. 9.1 — 9.3).
Некоторые другие естественные радиоактивные изотопы перечислены в табл. 9.4. В таблицу включен ИС, который образуется в верхних слоях атмосферы в результате бомбардировки
