Изотопы углерода, их значение при решении геолого-геохимических задач

Изотопный состав углерода в природных объектах определяется присутствием 2 стабильных изотопов – С¹² (преобладает – 98,893%) и С¹³(1,107%) и одного радиоактивного – С¹⁴ (минимальное количество).

Период полураспада С¹⁴ – 5730 лет. Соотношение С¹² и С¹³ в природных объектах варьирует от 88 до 94.

Сопоставление различных значений изотопного состава удобно проводить по относительному приросту С¹³.

σС¹³=[(С¹³/С¹²)обр./(С¹³/С¹²)ст.-1]х1000

(промилле – тысячная часть числа, десятая доля процента),

где

σС¹³- относительный прирост С¹³

(С¹³/С¹²)обр. – отношение изотопов в исследуемом образце;

(С¹³/С¹²)ст. – отношение изотопов в стандарте

За стандарт принят эталон РDВ (содержание углерода карбоната кальция в ископаемом организме Belemnitella americana из формации PD, Южная Каролина США позднемелового возраста). Величина данного отношения в стандарте – 11,2372х10^-5.

+σС¹³ – избыток С¹³;

-σС¹³ – дефицит С¹³ в образце.

Фракционирование изотопов углерода происходит в процессе его геохимического круговорота. За начало этого круговорота можно принять выделение СО₂ из мантийных глубин во время вулканических процессов, а также при термическом разложении известняков и доломитов в условиях метаморфизма. Затем СО₂ распределяется между атмосферой и гидросферой. В морской воде СО₂ связывается с кальцием и магнием, образуя известняки преимущественно биогенного происхождения. Другая часть СО₂ атмосферы и гидросферы поглощается зелеными растениями в процессе фотосинтеза. Фотосинтез приводит к образованию органического вещества. Часть биомассы после гибели растений окисляется с образованием СО₂, другая часть захороняется в уловиях восстановительной среды. На всех этапах геохимического цикла происходит разделение изотопов углерода.

Процессы, влияющие на разделение изотопов углерода: карбонатообразование – ведет к утяжелению С; σС¹³ морских известняков - +4,5 до –5,1 %о (промилля); фотосинтез – ведет к облегчению С; микробиологическое фракционирование изотопов углерода в метане – приводит к резкому облегчению С в метане, σС¹³=-75%о

Разные геологические процессы (объекты) глубинного происхождения показали 2 разных уровня содержания изотопов углерода:

- 1 группа – карбонатиты, алмазы, графит, в кимберлитах, СО₂ в возгонах, σС¹³= - 5,8 до -8%о (близки к углероду углистых хондритов);

- 2 группа большинство гипербазитов σС¹³= -22%о (близко к углероду железных метеоритов).

Фракционирование углерода на Земле вне зависимости от характера его первичного изотопного состава обусловлено, главным образом, биогенными явлениями.