Изотопный состав воды

В природе наибольшее значение имеют три радиоактивных ряда, материнскими ядрами которых являются:, и . Радиоактивный распад представляет собой необратимую реакцию первого порядка, и содержание исходного нуклида только уменьшается.Содержание радиогенных радиоактивных изотопов находится в зависимости от скоростей их образования и распада. Вследствие этого у каждого радиогенно радиоактивного изотопа устанавливается так называемое радиоактивное(вековое) равновесие, при котором скорости его образования и распада равны. Радиоактивное равновесие устанавливается приблизительно на порядок величин дольше периода полураспада наиболее Число радиогенных стабильных изотопов (Pb, He и др.) пропорционально числу их атомов, которые образуются из каждого материнского нуклида. Количество радиоактивных изотопов на Земле постепенно уменьшается, а стабильных радиогенных растет. В частности, относительное содержание таких радиогенных изотопов, как 4He и 40Ar в подземной воде, часто пропорционально продолжительности существования этой воды в закрытой системе недр, что позволяет иногда использовать их содержание для оценки возраста подземных вод под землёй.Прикладное значение космогенных изотопов в гидрогеохимии связано, в основном, с использованием их для оценки времени существования вод поверхностного происхождения в недрах[7].Определение возраста водРадиоактивный распад может определять продолжительность существования вод поверхностного происхождения в недрах. Методы основаны на измерении: избытка радиогенных стабильных изотопов, дефицита радиоактивных космогенных изотопов в воде. В первом случае используются радиогенные стабильные изотопы4He или 40Ar. Их содержание пропорционально времени существования воды в недрах.Радиогенный гелий, как было показано выше, образуется вследствие распада 232Th, 235U и 238U. На Земле уран на 99,274% представлен изотопом 238U. Поэтому вкладом 235U можно пренебречь, и скорость накопления гелия из 232Th и 238U.Радиогенный аргон образуется вследствие распада 40K (константа скорости распада λK = 0,577·10-10 год-1). Содержание 40К в составе калия относительно стабильно (около 0,012%). Дебит поступления рассматриваемых радиогенных изотопов в подземную воду из пород зависит от пористости .Рассмотренные методы пригодны для древних подземных вод, с возрастом в десятки – сотни миллионов лет, при условии отсутствия в смеси вод не поверхностного происхождения[7].Во втором случае используются космогенные радиоактивные изотопы, которые образуются в верхних слоях атмосферы за счет космического облучения. Очень важно, что их содержание в атмосфере стабильно, как результат равновесия между скоростями их образования и распада. Вместе с атмосферными осадками они попадают в подземные воды, и их содержание со временем закономерно уменьшается согласно уравнению (II-506). Возраст в данном случае определяется по уравнению снижения радиоактивности космогенных изотопов от атмосферных значений Ao до значений.В практике гидрогеохимических исследований используются радиоуглерод (14C) и тритий (T или 3H). Радиоуглеродное датированиепедложилВиллард Франк Либби (1908 –1980) в1949 году, за что получил Нобелевскую премию. Возраст, называемый "радиоуглеродным " не является календарным, так как измеряется относительно 1950 г. При полураспаде 5730 лет C14 позволяет датировать подземные воды возрастом не более 50 тыс. лет. Однако интерпретация данных 14C затруднена из-за необходимости принимать во внимание многие другие процессы формирования состава подземных вод (смешивание, взаимодействие с карбонатными минералами и т.д.)[7].Тритиевое датирование основано на распаде трития. Его относительно короткий период полураспада позволяет датировать возраст менее 40 лет. Однако до ядерных наземных испытаний было выполнено только несколько единичных определений его содержания. В период с 1952 до 1963 года из-за наземных ядерных испытаний содержание T в атмосфере повысилось почти на два порядка. В настоящее время общее количество трития на Земле оценивается величиной от 200 до 600 кг. Вследствие этого роль космогенного трития в формировании изотопного состава природных вод пока остается незначительной, а использование его для датирования подземных вод ограничено. Тритиевый метод позволяет в настоящее время лишь отличать воды до 1952 от более молодых. До 1952 г. подземная вода имела первоначальную концентрацию трития 5 ТЕ, которая в 1988 упала бы до 0,6 ТЕ. Эта величина близка к пределу чувствительности даже при использовании методики обогащения. Таким образом, любое заметное содержание трития в пробе означает, что вода содержит тритий образованный после 1952. В связи с этим при интерпретация тритиевых измерений справедливы три правила:Подземные воды с тритиевым уровнем ниже 0,5ТЕ образованы до 1952.Подземные воды с тритиевой концентрацией выше 10 ТЕ образованы после 1952.Подземные воды с концентрацией трития между 0,5 и 10 ТЕ являются смесью вод образованных до и после 1952. Надежность этого метода может быть заметно повышена параллельным измерением содержания 3H и 3He.ЗаключениеТяжёлая вода нужна для исследования механизма многих химических, физических и биологических процессов. Это очень важное применение для тяжелой воды. Наверное, нет ни одного природного процесса, в котором не принимали бы участия вода или водород. Атомы тяжелого водорода — наиболее важные меченые атомы.Учёные считают, что гравитационное поле Земли – недостаточно сильно для удержания 1Н, и наша планета постепенно теряет протий в результате его диссоциации в межпланетное пространство. Протий улетучивается быстрее тяжелого D. По мнению некоторых исследований, в течение геологического времени должно происходить накопление дейтерия в атмосфере и в поверхностных водах.На нашей планете осуществляется испарительно-конденсационный процесс получения протиевой воды и обогащения его туч и облаков. В горах из них на одних склонах проливается преимущественно дейтерированая вода, на других – вода, обогащенная протием. В организме животных изотопный состав воды близок к составу дождевых вод в местах обитания. Вода, обогащенная дейтерием, тритием, тяжелыми, а также радиоактивными изотопами кислорода вредна для всего живого и человека.Благоприятствует жизни то обстоятельство, что 97% массы воды представлены легкими и стабильными изотопами Н и О.Тяжёлая вода нужна для исследования механизма многих химических, физических и биологических процессов. Это очень важное применение для тяжелой воды. Наверное, нет ни одного природного процесса, в котором не принимали бы участия вода или водород. Атомы тяжелого водорода — наиболее важные меченые атомы.ЛитератураКрайнов С.Р., Швец В.М. Гидрогеохимия, М., Недра, 1992, 463 с.Лехов А.В. Физико-химическая гидрогеодинамика. М., книжный дом Университет., 2010, 500 с.. Лобышев В.Н., Калиниченко Л.П. Изотопные эффекты D2O в биологических системах. М.: Наука, 1978. – 215 с.   Мосин О.В., Складнев Д.А., Швец. Исследование физиологической адаптации бактерий на тяжёловодородной среде. Биотехнология. 2000 г. N 8Панкина Р.Г. Геохимия изотопов серы нефтей и органического вещества.М., Недра, 1978, 247 сПитьева К.Е. Гидрогеохимия, 1978, Изд. МГУ, 328 с.Самарина В.С. Гидрогеохимия. Л., Изд. ЛГУ, 1977, 360 с.Тихомиров В.В. Основы гидрогеохимии. Изд. Спб.