Фракционированием природных веществ — разделение элементов из единого массива под влиянием изменения физико-химических параметров вмещающей среды. При анализе фракционирования рассматривается поведение как минимум двух элементов.

Общие вопросы фракционирования Выделяются виды фракционирования: Разделение элементов происходит в процессе движения некоторого потока. В качестве примера: разделение элементов в гидротермальном потоке. Здесь на элементы влияют как изменение параметров потока (температура (Т), давление (Р), химический потенциал), так и кинетические параметры (например, скорость движения) потока. В результате в пространстве происходит разделение мест накопления элементов, образуя так называемую геохимическую зональность. В установлении этой зональности существенную роль сыграли учёные ИМГРЭ: Э. Н. Баранов, А. И. Головин, Л. Н. Овчинников, С. В. Григорян и др.Барсуков В.Л., Григорян С.В., Овчинников Л.Н. Геохимические методы поисков рудных месторождений. М., Наука, 1981.,Баранов Э.Н. Эндогенные геохимические ореолы колчеданных месторождений. М., Наука, 1987.. Разделение элементов под влиянием условий образования минерала. Следствием этого является перераспределение элементов между минералами, причём характер этого процесса полностью описывается законами термодинамики. Это позволяет использовать концентрации элементов в двух сосуществующих минералах для оценки условий их образования.

В наибольшей степени изучено фракционирование стабильных изотопов лёгких элементов. Существенный вклад в решение этой задачи внесли американцы Бигелейзен Bigeleisen J. The effect of isotopic substitution on the entropy, enthalpy and heat capasity of ideal gases.//J. Chem. Phys.. 1953, 21, 8. P.1333-1339. и БотингаBotinga J. Calculation of fractionation factors for carbon and oxygen isotopic exchange in the system calcite-carbon dioxide- water.//J. Phys. Chem.. 1968.72.3. P.800-808. Применительно к радиогенным элементам (в первую очередь к урану и свинцу) некоторые теоретические исследования были выполнены H.C.UreyUrey H.C.//J.Chem.Soc.1947.P.562, который выявил слабое влияние на их разделение внешних параметров среды и тем самым наложил вето на дальнейшее их изучение.

Между этими системами существует ещё одно различие: в системах стабильных изотопов все элементы являются породообразующими, отражая крайний случай изоморфизма. Это и определяет возможность их использования для решения физико-химических задач. В радиогенных системах дочерний элемент не является изотопным элементом относительно материнского изотопа. Все дочерние элементы, занимая различные места в периодической системе Д. И. Менделеева, отличаются от материнских по всем параметрам, и прежде всего по размерным. Поэтому кроме влияния Т их распределение существенно зависит от давления и других физико-химических условий среды минералообразования.

Проблема фракционирования радиогенных элементов изучена весьма слабо. Г.Фор и Д.ПауэлФор Г., Пауэлл Д. Изотопы стронция в геологии. М.: Мир, 1974. 214 с. отмечали равномерное распределение радиогенных изотопов и изобаров (РГИИ) в расплавленной магме, сохраняющееся при кристаллизации, а дискордантность связывали с эпигенетическими процессами. Однако данное утверждение, принимаемое в качестве аксиомы, не согласуется с учитываемым при геобаротермометрических исследованиях явлением фракционирования изоморфных и изотопных элементов, проявляющих физико-химическую аналогию с РГИИ.

Уровни изучения фракционирования Можно выделить два уровня изучения фракционирования.

Первый уровень обусловлен теоретическим анализом условий этого фракционирования, описанным в Bigeleisen J. The effect of isotopic substitution on the entropy, enthalpy and heat capasity of ideal gases.//J. Chem. Phys.. 1953, 21, 8. P.1333-1339.. В советской геохимии эти исследования представлены прежде всего в работах С. З. Рогинского (1900—1970 гг.)Рогинский С.З.Теоретические основы изотопных методов изучения химических реакций.М.: Изд-во Академии наук СССР. 1956г. 611 с. и А. И. Бродского http://www.warheroes.ru/hero/hero.asp?Hero_id=12882 (19.06.1895 - 21.08.1969)Бродский А. И. Химия изотопов. М.:Изд-во АН СССР, 1957.. Бигелейзен и БотингаBotinga J. Calculation of fractionation factors for carbon and oxygen isotopic exchange in the system calcite-carbon dioxide- water.//J. Phys. Chem.. 1968.72.3. P.800-808 довели эти исследования до логического конца, то есть до методики использования их на практике. Относительно U и Pb теоретические исследования проведены только H.C. UreyUrey H. C. "Research on the Natural Abundance of Deuterium and Other Isotopes in Nature. Final Report for Period Ending September 30, 1958.

Второй уровень обусловлен анализом фактического распределения РГИИ в природных условиях.

Результаты исследований позволили выделить группы тем, которые отражают возможность фракционирования изотопов и изобаровМакаров В. П. Фракционирование радиогенных изотопов и изобаров в природных условия.//Отечествен. геология,1993,8.С.63-71.

Природное фракционирование радиогенных изотопов и изобаров Она включает анализ распределений радиогенных изотопов (изобаров) в экзоконтактах интрузий, совместного поведения их со стабильными изотопами лёгких элементов и в отдельных минералах.

Фракционирование в экзоконтактах интрузий

Эти исследования проведены преимущественно для стабильных изотопов лёгких элементов (далее СИЛЭ). Было изучено поведение не только изотопов кислорода и углерода, но и Li, K (И. М. Морозова и др.Морозова И.М.. Алферовский А.Л., Яковлева С.З. Диффузия изотопов Li и K в природных алюмосиликатах./Геохимия радиогенных и радиоактивных изотопов. Л.: Наука, 1974. С.105-130.), Mg и Ca (В. С. Лепин и др., 1969Лепин В.С., Плюснин Г.С., Брандт С.Б. Масс-спектрометрический анализ Mg и Ca и естественное фракционирование их= изоторов./Ежегодник, 1968. СО АН СССР. Иркутск: 1969,. С. 2670 271.;Плюснин Г. С., Брандт С. Б. Изотопное фракционирование лития, калия, магния, кальция по зональности и парагенезисам./Магматизм, формации кристаллических пород и глубины Земли. Ч.1.М.: Наука, 1972. С.218-221), B (Ю. П. Шергина и др.Шергина Ю.П., Каминская А.Д. О возможности использования природных вариаций изотопов бора при геохимическх поисках.//Геохимия, 1965, 1. С.64-67.) и др. Как правило у Li и K происходит обогащение лёгким изотопом центральных частей метасоматических зон и отгонка тяжёлых разностей в краевые части. У Mg и Ca отмечается чёткая зависимость от концентрации самого элемента, соответствуя правилу Бачинского . Ю. П. Шергина и А. Б. Каминский установили относительное увеличение изотопа 11B по мере удаления от полиметаллического рудного тела. Подобное поведение отмечает Т. Е. Ловеринг Ловеринг Т.С., Маккарти Дж.Г.,Фридман И. Значение отношений 18О/16О и 13C/12C в гидротермальных доломитизированных известняках и марганцовых карбонатных метасоматических рудах./Химия Земной коры, Т.II. М.: Наука, 1964. С.616 - 629. для изотопа O по мере удаления от рудной брекчии. Он же наблюдал облегчение изотопного состава C в кальцитах по мере приближения к интрузии.

Что касается радиогенных изотопов и изобаров, то таких данных намного меньше. Э. Л. Ланда и др.Ланда Э.Л., Мурина Г.А., Шергина Ю.П., Краснова Н.И. Изотопный состав стронция в апататах и апатитоносных породах карбонатитовых комплексов.//Докл. АН СССР, 1982, 264, 6. С.1480-1482 наблюдали изменение изотопов Sr в апатитах и апатитоносных породах карбонатитовых комплексов Ковдорского и Гулинского массивов. Харт С. Р.Харт С. Р. Возраст минералов и метаморфизм./Вопросы геохронологии. М.: изд-во ИЛ. 1980. С.45 −49 установил псевдоомоложение возраста на контакте интрузии Эльдора и Одубан-Альбия. Возраст интрузии Эльдора по БИ по методу Ar — K оценивается в 68 — 80 млн лет. Возраст роговой обманки изменяется в зависимости от расстояния от контака: на расстоянии 1 — 76 м колеблется от 120 до 1150 млн лет с максимумом в 1160 млн лет на отметке 41 м. Аналогичная ситуация отмечается по биотиту около интрузии Одубан-Альбия по данным Rb-Sr- метода; близкие ситуации описывал и Г. Ш. Ашкинадзе Ашкинадзе Г.Ш. Миграция радиогенных изотопов в минералах. Л.: Наука, 1980. 144 с. в экзоконтакте интрузии Озёрная Варака.

Поведение изотопов Pb в экзоконтактовых зонах кварц-монцонитовой интрузии Eldora Stock в Colorado описали Dow B.R. et al.Doe B.R., Hart S.R. The effect of contact metamorphism on lead in potassium feld spars near the Eldora stock, Colorado.//J. Geophys.Res.,1963, 68, 11. P. 3511-3530.. В ортоклазах изменяется не только валовое количество Pb, но и величины изотопных отношений: с удалением от контакта величина отношений 206Pb/204Pb и 207Pb/204Pb существенно уменьшается. Детальный анализ поведения изотопов в термальном поле провёл Hart S.R.Hart S.R. The petrology and isotopic minerals age relation of a contact zone in the Front range, Colorado.//J. Geology, 1964, 72, 5. P. 493-525. на основе изучения биотита, полевого шпата (без детализации вида) и горнблендита методами Ar — K и Rb — Sr. По этим данным почти для всех минералов собственно в зоне контакта происходит псевдоомоложение пород, которое необходимо рассматривать как проявление миграции изобаров в температурном поле.

Таким образом на формирование соотношений радиогенных изотопов и изобаров существенным образом влияет фактор температуры и весьма возможно давления.

Сораспределение со стабильными изотопами лёгких элементов (СИЛЭ) При анализе СИЛЭ установлено существенное влияние на их распределение температурных условий образования минералов. Показано, что в этом случае распределение изотопов пары сосуществующих элементов, например, С — О (в кальцитах), Н — О (в слюдах) и др, или изотопов одного элемента в сосуществующих минералах, например, для кислорода — Кварц — Биотит или серы в Галенит — Пирит, в изотермических условиях описывается уравнением прямой линииМакаров В. П. Изотопные геотермометры./Мат-лы XIII научного семинара «Система планета Земля». М.: РОО «Гармония строения Земли и планет». 2005, С.93- 115.. При решении обратной задачи если в изотермических условиях распределение изотопов в паре с изотопами известного элемента в качестве эталона описывается уравнением прямой линии, то можно говорить о влиянии температуры на распределения изотопов обоих элементов. Поэтому в этом случае и рассматривается совместное поведение РГИИ и СИЛЭ в каком-нибудь температурном поле. В относительно большом количестве описывается совместное поведенение отношения 87Sr/86Sr и величиной δ18О. Известны единичные работы для систем iPb — S и (Ar-K)-δ18О.