ИЗОТОПЫ КИСЛОРОДА

тате воздействия космических излучений на воду, которая распадалась на водород и кислород.. Водород уходил в космическое пространство, а кислород обогащал первоначальную атмосферу Земли. Установлено, что уже тогда преобладал в атмосфере 16 О. Ныне, кроме того, постоянно присутствует 18О и крайне редок17О.

Средним стандартным соотношением 18 О/16 О принято считать (Fors- tel et al., 1975) их содежание в водах Мирового океана, где предполагается установившийся за миллиарды лет стабильный равновесный состав химических соединений, элементов и изотопов. В сравнении с содержанием изегонов 180 в водах океана кислород атмосферы обогащен этим изотопом. Наземные растения при фотосинтезе и в процессе транспирации накапливают 180 в листьях, повышая индекс 6 (отношение 18О/16О, выраженное в промиллях, к их отношению в океанской воде) до величин от +5 до +1000/ . Однако во да, накапливаемая в ветвях дуба, наоборот, обеднена

изотопом 18 О (—6—8 18 О°/0 о) по сравнению со стандартом и отвечает изотопному отношению кислорода почвенной воды (т.е. тоже —6—818 0% 0) и составу изотопов кислорода дождевой воды (Forstel et al., 1975).

Опад листьев будет сопровождаться возвратом изотопа 180 в почву и должен бы, по нашему мнению, вызвать постепенное обогащение гумусового горизонта почв тяжелым изотопом 18 О. К сожалению, такие исследования и соответствующие цифры автору не известны. Происходит ли фракционирование изотопов кислорода при абиогенном испарении почвенной влаги (т.е. без транспирации) — также неясно. Можно предположить, что испарение влаги при повышенных температурах, свойственных низким широтам Земли и особенно аридным жарким пустыням, может вызывать нарушение соотношения 18 О/16 О.

Возможно, изучая изотопные отношения 18 О/16 О, в будудем удастся находить древние реликтовые гумусовые горизонты почв или горизонты, пережившие в прошлом интенсивную испарительную аккумуляцию. Пока еще и по этому вопросу мало достоверных данных. Но материалы, собранные Международным атомным агенством ООН и обработанные Форстелом с соавторами (Forstel et al., 1975), обнаружили, что в кислороде атмосферных осадков суши изотопный индекс 180/1б0 колеблется от —12—24 до 0-4°/о о • При этом в приполярных и высоких широтах дефицит18 О (по сравнению со стандартом) сильно возрастает. В низких широтах, особенно в районах засушливых степей, саванн, пустынь, дефицит 18 О почти исчезает. Дождевые массы субтропических и тропических широт, зоны экватора по сравнению с остальной сушей обогащены водой с тяжелым кислородом (Н218О). Эти особенности хорошо видны, хотя и со значительными отклонениями и противоречиями (Австралия) на рис. 90.

Попытка выяснить связь изотопного состава кислорода дождевой вода и эвапотранспирации позволила получить довольно убедительную картину (рис. 91). С возрастанием годовых температур воздуха суши растет и содержание 18О в воде дождей соответствующих регионов. Получена даже математическая зависимость этих явлений: 6180 = 0,38* - 11,79°/од- Содержание тяжелого кислорода в атмосферных осадках как бы является функцией температуры и испарения; оно возрастает на 0,38% о на каж‘ дый градус Цельсия. Несомненно, это явление (Forstel et al., 1975) отражается на процессах выветривания, почвообразования и биогеохимии

Рис. 90. Глобальное распределение 1 *0 в дождевых осадках в сравнении со стандартом, °/00 (Forstel et al., 1975) 1 -24-12; 2- 12-9; 3- 9-6; 4- 6-4; 5-4-2; 6-2-0

экосистем. В конечном счете кислород осадочных пород земной коры в 4—6 раз богаче изотопом 18 О, чем кислород изверженных горных пород (рис. 92).

МЛ.

Существуют две главные изотопные формы кварца. Высокотемпературный кварц, образовавшийся при крайне высоких температурах в изверженных и метаморфических породах (высокотемпературный кварц), обладает низким коэффициентом изотопного отношения б18О и 16 О, порядка 8—16%о* Сюда же относится и кварц, кристаллизующийся из термальных вод. Изотопный показатель кислорода этого кварца равен 6— 10%0 • Низкотемпературный — аутогенный кварц — образуется путем кристаллизации при невысоких температурах (10—40° С) из водных растворов кремнезема (кремниевых кислот), возникающих в природе при выветривании алюмосиликатных минералов и при почвообразовании в процессе десиликации. Изотопный индекс аутигенного (включая и биогенный, т.е. прошедший через организмы) кварца высокий — порядка 618О = 20-г ЗЗР°/00. Этот индекс рассчитывается по отношению к универсальному стандарту. За универсальный стандарт принято среднее соотношение изотопов 18Ои1ъО в Мировом океане. Расчет индекса производится по формуле

Почвообразующие породы и почвы, образовавшиеся из магматических и метаморфических пород, будут содержать кварц, обладающий низким индексом: 12— 15%0 А®0. Такими оказываются, например, почвы на элювии гранитов.

Часто в геохимии и почвоведении возникают дискуссии и сомнения: существует ли вторичный аутигенный кварц, достоверны ли наши суждения по этому вопросу? Циркуляция растворов кремнекислоты — универсально распространенное явление. Испарительное, биогенное или хемогенное выпадение этих соединений в осадок приводит к образованию аутигенного кварца с высоким изотопным индексом 6180 порядка 20—30%0. Аутигенный низкотемпературный кварц, в частности, интенсивно накапливается в отложениях углекислого кальция, в известковых конкрециях, при окрем- нении органических растительных или костных остатков.

Можно надеяться, что изучение кислородно-изотопного состава ’’остаточного” кварца, кварцевой ’’присыпки” серых лесных почв, солодей, ’’подбелов”, подзолов позволит уточнить значение в этих почвах процессов гидрогенного и биогенного накопления вторичного низкотемпературного кварца и подтвердить унаследование остаточного высокотемпературного кварца изверженных пород при выветривании.

Полезен метод кислородно-изотопного анализа кварца при изучении лёссов и погребенных почв. В чисто эоловых высоко дисперсных отложениях изотопное отношение 18 О/16 О чаще будет понижено. При водноаккумулятивном генезисе отдельных горизонтов или лёссовых толщ

Рис. 91. Содержание 18 О в дождевых осадках планеты как функция температуры, °/0 0 (Forstel et al., 1975)

Рис. 92. Распределение 18 О в горных породах

Породы: 1 — осадочные; 2 — метаморфические; 3 — изверженные (Проблемы геохимии и космологии, 1968)

изотопный индекс а-кварца будет повышен в пользу 180 за счет протока и осаждения водорастворимого кремнезема, образующего аутигенный а-кварц. М.Л. Джексону и его сотрудникам (Jackson, 1981) удалось с применением кислородно-изотопного анализа кварца проследить миграцию эолового и взвешенного в водах материала на разных континентах планеты. Оказалось, что аэрозоли с диаметром частиц lt; 10 мкм увлекаются воздушными потоками с поверхности почв (особенно пустынь и степей) на высоты 1,5—5 км и на расстояние до 5 тыс. км. Лёссы, изученные Джексоном, представлены сравнительно грубым материалом (d»70 мкм).

В реальной действительности высокотемпературный и аутигенный кварц, входящий в осадочные породы, смешиваются в разных пропорциях, зависящих от источников, начала миграции, степени дисперсности. С возрастанием степени дисперсности глубоководных наносов и аэрозолей индекс о18 О возрастает, так как примесь аутогенного кварца при этом возрастает. Пески береговых валов, озер, песчаный аллювий чаще содержат обломки высокотемпературного кварца с уменьшенным количеством 180 (индекс 180» «*13-Н6%о)- Аэрозоли и наносы северного полушария характеризуются чаще назкотемпературным кварцем (180 26-*30%0).Это связано, по мнению Джексона, с большей степенью выветривания и десиликации пород в прошлой истории полушария.

Интенсивный эоловый или водно-аккумулятивный привнос землистого материала в почвы легко обнаруживается в случаях резкого нарушения изотопного соотношения кислорода, характерного для главных почвообразующих пород местности.

Признаками эолового происхождения современных каносов, по Джексону, является также наличие в них адсорбированного радиоактивного цезия 137Csh 90Sr, продуктов, возникших в результате атомных взрывов в атмосфере в невдавнем прошлом.