Автобиография Земли. 4,6 миллиарда лет захватывающей истории нашей планеты

Среди изотопов водорода протий (водород-1) – самая стабильная и наиболее распространенная форма, состоит из одного протона и одного электрона и составляет более 99 % всего водорода на Земле. Протий существует в виде газа или соединений с другими элементами или другими изотопами водорода. Дейтерий (водород-2) состоит из одного протона, одного нейтрона и одного электрона. Связи в атоме дейтерия более сильные, чем в протии, и он более тяжелый. При взаимодействии дейтерия с кислородом образуется тяжелая вода, которая применяется в ядерных реакторах в качестве замедлителя нейтронов в реакциях распада урана, а также в некоторых методах обработки медицинских изображений. Тритий (водород-3) – нестабильный, радиоактивный изотоп водорода состоит из одного протона, двух нейтронов и одного электрона. Период полураспада трития с образованием газа гелия-3 (³He) составляет 12,43 года. Тритий представляет особый интерес для геологии, поскольку он имеет относительно короткий период жизни и его можно использовать для оценки возраста подземных вод и влияния поверхностных вод на подземные. Это один из многих методов применения радиоактивных изотопов в науках о Земле.

Материнские изотопы – это исходные изотопы горной породы или минерала, которые претерпевают распад. Дочерние изотопы – это изотопы, в которые превращаются материнские изотопы в результате распада с особой скоростью, называемой периодом полураспада (см. таблицу 4.1). Период полураспада – эквивалент константы распада для радиоактивного изотопа. Периоды полураспада разных изотопов варьируют в широком диапазоне: от относительно короткого, как в случае трития, до очень большого, как в случае урана. Следовательно, использование изотопов различается в соответствии с диапазоном времени, который охватывает их период полураспада. Благодаря этим свойствам изотопы превращаются в полезный инструмент датирования отложений, минералов или горных пород различного возраста, даже исчисляемого миллиардами лет.

Подземные воды наряду с поверхностными являются одним из важнейших источников воды для живых организмов. Они представляют собой часть гидросферы и взаимосвязаны с остальными оболочками Земли. Возраст подземных вод различен и зависит от того, насколько быстро пополняются их запасы за счет воды, просачивающейся с поверхности, или связи с озерами, ручьями и реками. Знание возраста подземных вод помогает определить, легко ли восполняются запасы и можно ли их использовать в качестве постоянного источника питьевой воды. Гидрологи обычно по присутствию трития определяют возраст и источник подземных вод. Подземные воды, возраст которых находится в диапазоне 60–100 лет, гидрологи считают «молодыми», что следует из короткого периода полураспада трития. Тритий – удобный изотоп, потому что, хотя он относительно редко встречается в природе (он образуется в низких концентрациях в результате взаимодействия космического излучения с атмосферой), его содержание довольно просто определить. Содержание трития измеряется в тритиевых единицах (ТЕ): 1 ТЕ равна отношению 1 атома трития к 10¹⁸ атомов водорода. До 1950 г. концентрации трития в подземных водах были низкими (менее 0,8 ТЕ)[196]. Большая часть современного трития образовалась в результате испытаний термоядерного оружия в атмосфере в период с середины 1950-х до середины 1960-х гг. Пик выбросов пришелся на 1963 г.: в этот период концентрация трития достигала 1,3×10⁹ ТЕ. Тритий в высоких концентрациях смешивался с облаками и в результате выпадения атмосферных осадков поступал в океаны, а также в поверхностные и подземные воды. В период, когда проводился максимум испытаний бомб, станции во многих странах Северного полушария фиксировали концентрации трития в осадках на уровне 5000 ТЕ[197]. Количество трития в подземных водах служит индикатором давности его происхождения и того, происходило ли пополнение запасов подземных вод за счет воды с поверхности[198]. Возраст подземных вод полезно знать для размещения водозаборных скважин и колодцев. Если возраст резервуара подземных вод составляет десятки тысяч лет, вода в нем древняя и не будет возобновляться из других источников. Такое хранилище нельзя рассматривать в качестве устойчивого источника питьевой воды, потому что резервуар будет быстро исчерпан и не сохранится.

Таблица 4.1. Радиоактивные элементы: материнские и дочерние изотопы, диапазон возраста и датируемые материалы