Изотопы кислорода и водорода природных вод СССР

«Мембранный» эффект. Проведенный нами разносторонний анализ условий формирования ионно-солевого и изотопного составов подземных вод палеозойских отложений Днепровско-Донецкой впадины показал, что «концентрирование солей происходило в основном при уплотнении осадков в результате погружения и фильтрации ионов через заряженные глинистые мембраны» [43]. Заметного фракционирования изотопов при этом отмечено не было. Видимо, в рассматриваемом процессе, как и при ультрафильтрации, происходит накапливание ионов в водном растворе, в то время как вода (растворитель) уходит практически без изменения изотопного состава.

«Древняя» инфильтрация. Под понятием «древняя инфильтрация» подразумевается процесс внедрения в захороненные хлорнатриево-кальциевые рассолы инфильтрационных вод метеогенного формирования, происходивший в древние эпохи. Нами было сделано заключение, что «низкое содержание 18О ( - 6,7‰) в подземных водах девонских отложений Борковской площади обусловлено ее расположением в непосредственной близости от традиционной области стока пресных вод в бассейны седиментации - Воронежского кристаллического массива. Это подтверждается большим количеством терригенного материала в девонских солях Борковской площади» [43, с. 336].

Ф. А. Алексеев, Р. П. Готтих и другие, соглашаясь с нашими выводами, отмечают, что «как по химическому, так и по изотопному составу воды палеозойских отложений являются унаследованными седиментационными водами, в той или иной степени разбавленными поверхностными водами», и считают, что «разбавление их связано с процессами древних инфильтраций, приходившихся на периоды континентальных перерывов» [54, с. 216]. Эти процессы были установлены также и в другой работе, выполненной нами совместно с Р. П. Готтих и В. Е. Ерохиным [26], при изучении условий формирования вод палеозойских отложений Волгоградского Поволжья. В обоих рассматриваемых случаях для большинства исследованных площадей оценены доли седиментогенной и инфильтрогенной составляющих.

Для нефтегазопоисковой геологии и гидрогеологии принципиально важно установить факт инфильтрации (древней или современной) и количественной ее оценки, поскольку этот вопрос тесно связан с выяснением перспективности разведочных площадей и локальных структур на нефть и газ.

Бактериологический процесс. Имеет место преимущественно в верхней гидродинамической зоне. Сопровождается незначительным фракционированием изотопов. Влияния на изотопный состав подземных вод этот процесс из-за количественного преобладания воды практически не оказывает.

Глава III. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ ВОДОРОДА И КИСЛОРОДА В ПРИРОДНЫХ ВОДАХ

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ВОДЫ. АТМОСФЕРНЫЕ ОСАДКИ

Атмосферные осадки (или метеорные воды) находятся главным образом в пределах тропосферы и являются самым короткоживущим типом вод. Количество их составляет 12,8 тыс. км3. Представлены они водами облаков, атмосферным паром, жидкими и твердыми (атмосферными) осадками. Химический состав метеорных вод формируется как под воздействием процессов, связанных с их образованием при испарении с поверхности водоемов, так и при взаимодействии с газами, аэрозолями и т. п. при переносе и конденсации. По содержанию солей они относятся к ультрапресным водам. Их минерализация составляет от 3 - 4 до 40 - 70, реже 100 - 150 мг/л.

Ниже представлены результаты режимных наблюдений по распределению дейтерия и кислорода-18 в атмосферных осадках, отобранных в пределах восьми административных областей Украинской и Молдавской ССР, а также Камчатской, Иркутской областей, Приморского края и Узбекской ССР [48, 55]. Образцы отбирались в течение 1969--1971 гг. организациями Гидрометеорологической службы СССР по стандартной методике с соблюдением требований изотопной гигиены.

Изотопный состав атмосферных осадков, выпадающих на территории Украинской и Молдавской ССР

На схеме расположения станций отбора проб (рис. 9) приведены среднегодовые значения D и 18О за исследуемый период (1969--1970 гг.).

Изученная территория площадью ~250 тыс. км2 представляет собой равнину с небольшими возвышенностями, высота которых не превышает 400 - 500 м (за исключением района Карпат). Климатические условия в целом для всего района имеют переходный характер между мягким и влажным климатом Западной Европы и континентальным - внутренних районов Советского Союза. Наблюдаются среднегодовые широтные изменения температуры от 6,6 до 12,9 °С, количества осадков от 476 до 987 мм/год и относительной влажности воздуха от 68 до 81%.

Результаты определения вариаций в содержании дейтерия и кислорода-18 в среднесезонных и среднегодовых осадках, а также сведения о температуре приповерхностного воздуха, количестве выпадающих осадков и относительной влажности представлены на рис. 10. Среднегодовые значения D и 18О обычно приводятся в двух видах.

В первом случае

, (35)

где -- значения D или 18О в среднесезонных осадках.

Во втором случае определяется в виде, приведенном к количеству выпадающих осадков, из выражения

, (36)

где Q -- количество осадков, выпадавших в течение года; -- среднесезонное количество осадков.

Представленные на рис. 10 значения D и 18О получены из уравнения (36). Для всего исследуемого географического района содержание дейтерия в среднесезонных осадках изменяется от - 112 до - 21, кислорода-18 - от - 15,1 до - 2,3, в среднегодовых - от - 70 до - 40 и от - 10,7 до - 7,1‰ соответственно в зависимости от расположения данного пункта и сезона отбора проб. Из рис. 9 видна общая тенденция увеличения содержания дейтерия и кислорода-18 в направлении с севера на юг (широтный изотопный эффект) и уменьшения их концентрации с запада на восток (континентальный изотопный эффект). Изменение градиента концентрации изотопов водорода и кислорода относительно расстояния(или , ‰/км) для широтного эффекта территории Украины и Молдавии составляет 4,5 и 0,53‰/100 км соответственно. Континентальный эффект в пределах исследуемой территории проявляется в существенно меньшем масштабе. Отношения D/H и 18О/16О в зимних и весенних осадках ниже, чем в летних и осенних. Причиной наблюдаемых широтных, континентальных и сезонных вариаций содержания изотопов являются как температурные эффекты и климатические условия, так и эффекты локального характера (абсолютные отметки местности, расстояние до источника влаги и т. д.).

Между среднегодовыми значениями величин D и 18О в исследуемых осадках (рис. 11) устанавливается линейная корреляционная зависимость вида

= 8,5 +17. (37)

Коэффициент угла наклона прямой в уравнении (37), равный 8,5, свидетельствует, что конденсация водяных паров происходит в условиях, близких к равновесным.

Зависимость между среднегодовыми значениями D и 18О в осадках и температурой приповерхностного воздуха t, близка к линейной и описывается уравнениями

D = 5,3t--108 (r = 0,92); (38)

18О = 0,59t--13,5 (r = 0,72), (39)

где r -- коэффициент корреляции.

Значения тангенса угла наклона прямых в уравнениях (38, 39) несколько меньше, чем значения, установленные В. Дансгаардом [77] для осадков преимущественно из неконтинентальных областей. Это, возможно, объясняется некоторым вкладом паров, обедненных дейтерием и кислородом-18 за счет испарения из пресных водоемов, а также увеличением вероятности конвекционных потоков, вследствие которых различие действительной температуры конденсации и температуры у поверхности земли сказывается более значительно.

Скорость изменения содержания изотопов с температурой

. (40)

В формировании изотопного состава атмосферных осадков не исключается участие и таких «вторичных» факторов, как испарение капель дождя в атмосфере ниже слоя облаков в районах с аридным и полуаридным климатом (юг и юго-восток Украины), взаимодействие атмосферной влаги с подстилающей поверхностью, изотопный обмен с атмосферным паром при падении капель и т. д.

На диаграмме (см. рис. 10) пространственного и временного распределения дейтерия и кислорода-18 в сезонных и годовых осадках, а также их количеств Q, температуры t и относительной влажности W обращают на себя внимание высокая корреляционная связь с температурой и слабая с влажностью и количеством выпадающих осадков.

Изотопный состав атмосферных осадков некоторых климатических зон азиатской части территории СССР

Распределение изотопов водорода и кислорода (рис. 12) в среднемесячных атмосферных осадках изучено в пределах различных климатических зон среднеазиатской, приморской и дальневосточной частей территории Советского Союза.

Изменения в содержании дейтерия и кислорода-18 характеризуются значительными колебаниями как во времени, так и по зонам. Существенные колебания имеют и метеорологические показатели: среднемесячная температура приземного воздуха t, относительная влажность W и количество выпадающих осадков Q. Интервалы изменений для каждого из пунктов характеризуются следующими пределами.

Место отбора	D,‰	18О,‰	t,	W,%	Q,мм
Ташкент	-127+7	-16,7+0,5	-3,1+25,7	78-47	13,9-92,3
Иркутск	-192-65	-25,1+8,3	-20,5+19,4	87-55	5,7-127,8
Хабаровск	-207-55	-26,4-6,5	+23,0+22,1	87-53	4,3-243,2
Петропавловск- Камчатский	-112-52	-14,2-6,1	-9,0+12,9	89-60	24,3-197,1

Самые низкие значения концентраций тяжелых изотопов водорода и кислорода установлены для Иркутска и Хабаровска (), наиболее высокие - для Ташкента Промежуточные значения отмечаются для Петропавловска-Камчатского. Таким образом, в пределах изучаемой территории устанавливаются зоны с обедненной, обогащенной и промежуточной концентрацией изотопов в осадках. Вместе с тем каждой зоне свойствен свой временной ход изменения амплитуды значений D и 18О, обусловленный сезоном отбора и климатическими условиями (рис. 12). Однако отмечаются и общие закономерности: а) осадки, выпадающие в зимний период, обеднены тяжелыми изотопами; летние имеют наиболее высокие значения D и 18О; в весенних и осенних осадках они характеризуются промежуточными значениями; б) практически во всех случаях наблюдается параллельное изменение концентрации тяжелых изотопов водорода и кислорода. Исключение составляют осадки, выпадающие в районе Ташкента в отдельные летние месяцы.

Для каждого пункта между изотопным составом водорода и кислорода в атмосферных осадках и температурой приземного воздуха установлены закономерности, описываемые системой линейных уравнений, вычисленные по методу наименьших квадратов при надежности вывода Р=0,99 (для Ташкента Р=0,95):

Ташкент

D =3,6t - 8,2‰ (r = 0,74); (41)

18О =0,46t - 11,4‰ (r = 0,79); (42)

Иркутск

D = 2,2t - 123‰ (r = 0,79); (43)

18О = 0,26t - 16,8‰ (r = 0,77); (44)

Хабаровск

D = 2,1t - 126‰ (r = 0,79); (45)

18О = 0,25t - 17‰ (r = 0,76); (46)

Петропавловск-Камчатский

D = 1,4t - 84‰ (r = 0,60); (47)

18О = 0,26t - 11,2‰ (r = 0,72). (48)

Как и следовало ожидать, исходя из сходных климатических характеристик Иркутска и Хабаровска, тангес угла наклона прямых в уравнениях для этих пунктов имеет близкие значения.

В засушливых районах, где относительная влажность воздуха очень низкая (20 - 40%), существенное влияние на концентрацию дейтерия и кислорода-18 в осадках оказывает эффект испарения падающих капель. В момент выпадения капель дождя происходит их частичное испарение в ненасыщенном водяными парами воздухе. Поскольку молекулы Н218О и HDO менее летучие по сравнению с молекулами Н2О, наблюдается обогащение тяжелыми изотопами жидкой фазы по сравнению с паром. Поэтому собранные на уровне поверхности земли осадки будут обогащены дейтерием и кислородом-18 по сравнению с облачной водой. Этот эффект оказывает значительное влияние на изотопный состав осадков в районах с аридным климатом [Ehhalt D. е. а., 1963 г.]. При нахождении корреляционной зависимости между влажностью воздуха и изотопным составом осадков было установлено, что для Ташкента = - 0,57, = - 0,61 при надежности вывода Р = 0,99.

Существенное влияние на формирование изотопного состава выпадающих осадков, как уже упоминалось, может оказывать изотопный обмен с атмосферным паром. Сформировавшаяся элементарная капля при падении на землю будет стремиться к установлению изотопного равновесия с водяным паром воздуха. Перераспределение изотопов между жидкостью и паром в общем случае .должно подчиняться закону релеевской дистилляции и характеризоваться коэффициентом фракционирования . Условием изотопного равновесия является то, что количество тяжелого компонента в жидкой фазе в раз больше количества этого компонента в паровой фазе. В противном случае обмен между фазами вызывает изменение изотопного состава как в паре, так и в капле воды до тех пор, пока не наступит изотопное равновесие. Однако изотопное равновесие может и не наступить. В этом случае, как и при любом другом процессе, протекающем в неравновесных условиях, будет иметь место кинетический изотопный эффект.

Изотопно-обменные процессы и эффект испарения капель оказывают существенное влияние на изотопный состав главным образом коротких грозовых дождей и могут привести к изменению характера зависимости D - 18О.

Ниже рассмотрены особенности формирования изотопного состава осадков исследуемых пунктов.

Ташкент. Расположен в предгорной равнинной части Узбекистана (в долине р. Чирчик). Континентальный пустынный климат района формируется под влиянием сухих воздушных масс, образующихся над сильно прогретыми равнинами Узбекистана летом, и континентальных воздушных масс умеренных широт, вторгающихся с севера зимой. Средняя температура июля 26,8, января - 1,3. Зима мягкая, лето жаркое, сухое, продолжительное, обычно с ясной погодой. Осадки выпадают в основном зимой и весной (около 250 мм/год), приносятся преимущественно западными ветрами.

Можно было ожидать, что для Ташкента концентрация дейтерия и кислорода-18 в осадках должна быть очень низкой, поскольку он весьма удален от главных источников водяного пара. Здесь в выраженной форме должен бы проявиться континентальный эффект. Фактически наблюдается противоположное явление: выпадающие осадки имеют очень высокие значения D и 18О. Вероятно, в этом случае основную роль в формировании изотопного состава играют температурный эффект и связанный с ним эффект испарения падающих капель, приводящий к обогащению осадков тяжелыми изотопами.

Иркутск. Климат района резко континентальный, с большими колебаниями температуры как по сезонам, так и в течение суток. Среднегодовая температура ниже нуля. Близость оз. Байкал несколько смягчает климат. Низкие значения D и 18О позволяют сделать вывод, что основными факторами, влияющими на формирование изотопного состава осадков данного пункта, являются температура конденсации и континентальный эффект.

Хабаровск и Петропавловск-Камчатский. Расположены в зоне тихоокеанских муссонов. Однако наблюдаемые значения D и 18О для Хабаровска очень низкие. Это можно объяснить следующим образом. В холодную половину года из области сибирского антициклона приходят сухие холодные массы. Зимний муссон более мощный и господствует более длительное время, чем тихоокеанский. В результате температура воздуха здесь более низкая, чем на тех же широтах Европы или районов Тихого океана. Для Хабаровска средняя температура воздуха января - 22, июля 20, для Петропавловска-Камчатского -11,9 (февраль) и 11,9(август). Изменение температуры оказывает влияние на изотопный состав осадков: для Хабаровска в течение года отмечаются резкие изменения величин D и 18О, в то время как для Петропавловска-Камчатского эти колебания более плавные и меньшей амплитуды.

Если рассмотреть зависимость между величинами D и 18О в ежемесячных осадках, то в целом для исследуемого региона

D + 8,0418О +10,5. (49)

ОЗЕРНЫЕ И РЕЧНЫЕ ВОДЫ

Формирование изотопного состава поверхностных континентальных вод тесно связано с основным гидрологическим циклом, физико-географическими, климатическими и геологическими особенностями данной местности. Несмотря на относительно небольшое количество речных (2,1 тыс. км3) и озерных (176,4 тыс. км3) вод, они играют очень важную роль как в формировании облика планеты, так и в жизни человечества, являются источником пресной воды, орошения, используются в целях судоходства и гидроэнергетики и т. п.

Результаты изучения изотопного состава водорода и кислорода в речных и озерных водах европейской и азиатской частей СССР (табл.10 и рис.13) показывают, что при общем широком интервале распределения значений D и 18О в водах, отвечающем соответственно каждая из групп характеризуется своим диапазоном изменения изотопного состава. Например, воды европейской части имеют меньшую амплитуду колебаний значений D и 18О и более высокие содержания изотопов, чем воды азиатской части. Объясняется это более мягкими и однообразными климатическими условиями Европы. В речных водах европейской частиD колеблется , 18О , минерализация от 0,20 до 0,75 г/л; в озерных D колеблется от 18О минерализация -- от 0,17 до 269,3 г/л. В речных водах азиатской части D колеблется от , 18О , минерализация-- от 0,02 до 0,60 г/л; в озерных D изменяется от ,18О -- , минерализация -- от 0,15 до 344 г/л. Повсеместно речные воды по сравнению с озерными обогащены легкими изотопами. Как известно, источником питания последних являются речные, метеорные и подземные воды. Они также характеризуются более застойным режимом.

Таблица 10

Содержание дейтерия и кислорода-18 в речных и озерных водах территории

СССР и некоторых сопредельных стран

Номер образца	Место взятия пробы	Дата	Минера лизация, г/л	D,‰	18О,‰
Европейская часть Реки
1	Москва-река,г.Москва	4.Х 1965	0,34	-69	-9,5
2	Днепр, г.Киев	9.VII 1964	0,27	-61	-9,0
3	Десна,г.Чернигов	8.VI 1969	0,22	-77	-10,9
4	Припять,Волынская область	21.IX 1972	0,20	-59	-8,2
5	Стоход,Волынская область	19.IX 1972	0,75	-72	-10,4
6	Черная Тиса,с.Квасы,Закарпатская область	12.VII 1970	0,20	-108	-12,1
7	Там же, средняя проба из двух горных ручьев,впадающих в р.Черная Тиса	То же	0,28	-87	-10,5
8	Сож, г.Гомель	10.VI 1969	-	-100	-13,4
9	Ворскла, г.Полтава	15.VI 1969	-	-63	-9,5
10	Алибечка, Ставропольский край	14.VII 1970	-	-91	-13,0
11	Хоста, Краснодарский край	2.VIII 1969	-	-70	-9,9
12	Чвижепсе, Краснодарский край	То же	-	-79	-10,8
13	Бешенка, Краснодарский край	…	0,26	-80	-10,7
14	Чарты-Аргун, Чеченско-Ингушская АССР	12.VI 1973	-	-78	-12,0
15	Мзымта, Краснодарский край	8.VIII 1969	-	-81	-11,2
16	Сочи, Краснодарский край	То же	-	-83	-11,1
17	Сочи(верховье), Краснодарский край	…	-	-102	-14,5
18	Тепла,ЧССР,Карловы Вары	10.IV 1971	0,35	-90	-13,5
19	Коваши, пгт Сосновый Бор, Ленинградская область		0,40	-65	-9,8
Озера
20	Свитязь, Волынская область	19.III 1971	0,50	-75	-12,2
21	Там же	27.IV 1972	0,50	-65	-9,4
22	Оболонь, г.Киев	30.I 1970	0,33	-	-8,7
23	Нарочь, Минская область	10.VI 1971	0,17	-57	-7,0
24	Соленый Лиман, с.Булаховка, Харьковская область	15.IV 1971	99,50	-21	-2,8
25	Сакское, Крымская область	10.VII 1969	111,3	-29	-6,1
26	Северный Сиваш,Крымская область	7.VII 1969	-	-25	-5,8
27	Сасык-Сиваш, Крымская область	То же	269,3	-15	-3,5
28	Рица, Абхазская АССР	12.VIII 1969	-	-90	-11,5
29	Голубое, Абхазская АССР	То же	-	-98	-13,5
Азиатская часть Реки
30	Енисей, ст.Базаиха, Иркутская область	3.XI 1965	0,11	-108	-15,9
31	Гейзерная, Камчатская область	1.IX 1965	-	-104	-13,9
32	Ципа, пос.Новкадаки, Красноярский край	7.VIII 1969	0,02	-149	-18,8
33	Нижняя Тунгуска,Красноярский край	26.VII 1970	0,05	-126	-17,0
34	Ихэ-Хоро,5 км от устья, МНР	19.IV 1971	0,18	-102	-13,9
35	Урал,3 км выше д.Ивановки	3.VII 1970	0,52	-105	-14,9
36	Сакмара,2 км выше г.Оренбурга	5.VII 1970	0,42	-109	-16,4
37	Амударья, в районе г.Чарджоу	18.X 1971	0,60	-72	-11,2
38	Амударья,в районе пос.Фараб	19.I 1971	0,56	-104	-14,2
39	Кашкадарья,Кашкадарьинская область	19.X 1971	0,41	-88	-13,2
40	Синегорск, Сахалинская область	13.XI 1972	-	-60	-8,3
41	Сингау, Приморский край	15.IX 1974	0,06	-63	-8,4
42	Амур, Приморский край	10.X 1968	0,14	-	-13,1
43	Левый приток р.Туни, Сахалинская область	13.IX 1972	-	-117	-16,2
Озера
44	Султансаджар,ТССР	15.IX 1970	344	-22	+3,4
45	Эльгар, правобережье Амударья,63 км выше по течению Куртышбаба,ТССР	19.X 1971	38,0	-3	+5,2
46	Озеро на 73 км по шоссе Мары-Тахта-Базар,ТССР	26.X 1971	21,6	-13	-4,0
47	То же, на 63 км	То же	69,2	-20	-5,1
48	Иссык-Куль,7 км от Чалпан-Атау,5-6 м от берега	7.VI 1966	5,7	-	-2,3
49	Байкал,у Лимнологического института СО АН СССР	8.VIII 1966	0,15	-117	-15,4
50	Тушамское, долина р.Имен, Иркутская область	5.IX 1968	-	-146	-19,9
51	Западный Порсугель,п-ов Челекен	-	33,0	-19	-1,6
52	Розовый Порсугель,п-ов Челекен	-	35,0	-26	-4,3
53	Хубсугул, вблизи пос.Турту, глуб. 200 м., МНР	17.IV 1971	0,2	-64	-9,4
54	Картышская петля Узбоя,ТССР	23.VI 1971	-	-21	+4,2

Наиболее низкий уровень концентрации дейтерия и кислорода-18 отмечается в водах рек и озер Сибири (?D , ?18О высокий - в интенсивно испаряющихся озерах Средней Азии (D = - 3, 18О = + 5,2‰). Большинство точек, характеризующих речные и озерные воды, за исключением некоторой группы озер, расположенной в верхней правой части диаграммы D - 18О (рис. 13), тяготеет к линии метеорных вод (прямая I). Это подтверждает, что основным источником их питания являются атмосферные осадки. Наблюдаемый разброс точек обусловлен фракционированием изотопов как при выпадении осадков, так и при движении вод в поверхностных и подземных условиях. Главные из них: испарение, изотопно-обменные реакции и смешение. Но в целом эти разбросы небольшие и не затушевывают их метеогенную природу. Изотопный сдвиг и отклонение от линии метеорных вод связаны со многими факторами: содержанием изотопов в осадках, длительностью нахождения вод в поверхностных условиях, составом вмещающих пород и концентрацией растворенных в воде веществ, природой смешиваемых вод.

Фигурными скобками А и В на рис. 13 обозначены наибольшие плотности точек соответственно величин D и 18О для речных и озерных вод различных зон европейской и азиатской частей. Средневзвешенное значение для точек группы А составляет,‰: -82 по D и -10,8 по 18О; для группы В - -126 по D и -17,8 по 18О. Из рис. 13 также видно, что точки группы В, являясь как бы продолжением точек группы А, находятся в левой нижней части прямой I, характерной для более низкой концентрации изотопов. Это явление обусловлено континентальными и температурными изотопными эффектами.

Чем же объяснить, что речные и озерные воды группы А и В располагаются вблизи прямой I? Ответ следует искать в быстрой сменяемости вод, особенно речных, которые отличаются самой высокой скоростью передвижения и быстрой сменяемостью воды в русле за счет поверхностного стока локальных атмосферных осадков. Кроме того, речные и озерные воды имеют, как правило, низкую минерализацию. Это свидетельствует о том, что испарительный и изотопно-обменный процессы не очень сильно сказываются на формировании изотопного состава этих вод, особенно вод зоны умеренного климата средних широт. Этого нельзя сказать о речных водах, питающихся за счет талых вод и текущих в зоне аридного климата. Интересным примером в этом отношении является р. Амударья. Воды, отобранные в относительно близких местах, но в разное время (январь и октябрь), отличаются соответственно на 32‰ по D и 3‰ по 18О (табл. 10). Следует отметить, что другие авторы, например В.Г.Мек [1973 г.], также наблюдали сезонные вариации в содержании изотопов рек.

К сожалению, режимные изотопные наблюдения за речными и озерными водами еще практически не ведутся. Поэтому сложно ответить, какую долю следует отнести обогащению изотопами в октябрьских водах за счет испарения, какую - за счет вклада подземных вод в питание, которое максимально в период летней межени. Быстрая сменяемость вод в реках должна также отражаться, хотя и в несколько сглаженном виде, в сезонных вариациях содержания изотопов. Рассмотренный выше пример (р. Амударья) является в известной мере тому доказательством. В осенний (зимний) и весенний периоды вода рек будет обедняться тяжелыми изотопами, в летний - обогащаться.

Группа озер европейской и азиатской частей, расположенная в зоне аридного климата, характеризуется интенсивным режимом испарения, слабым притоком грунтовых вод и повышенными значениями D и 18О. На рис. 13 они расположены в верхней правой части, вблизи прямой II с тангенсом угла наклона ~5,2 [34]. Для оз. Иссык-Куль также получена высокая концентрация кислорода-18 в воде ( - 2,3‰) при относительно низком его содержании во впадающих в это озеро водопритоках Наблюдаемое фракционирование изотопов, видимо, обязано интенсивному испарению влаги с водного зеркала озера в связи с особенностями его расположения (высота над уровнем моря ~1600 м, практически безоблачное небо и постоянные сильные ветры).

В озерных водах грязевых вулканов п-ова Челекен (озера Розовый Порсугель и Западный Порсугель) отмечаются повышенные значения концентрации изотопов и минерализации, несвойственные поверхностным водам региона. Сопоставление изотопного и химического составов вод различного происхождения этого района показало, что «исследуемые воды выносятся грязевыми вулканами, причем не из красноцветных отложений, а из нижезалегающих толщ» [30].

Озеро Байкал. Расположено в центре азиатского материка и относится к озерам горного типа (455 м над уровнем моря). В Байкале сосредоточено ~23 тыс. км3 пресной воды, т. е. до 20% всех мировых запасов пресных поверхностных вод.

Изучение изотопного состава воды оз. Байкал с использованием современных инструментальных методов проводилось как с целью установления механизма водообмена н интенсивности переноса воды по вертикали и по слоям, так и с точки зрения проверки ранее высказанных гипотез об аномальном изотопном составе воды в озере и особенностях в этой связи его флоры и фауны[41].

Таблица 11

Содержание дейтерия и кислорода-18 в воде северной и средней глубоководных впадин оз.Байкал

Горизонт,м	Температура,	D,‰ (к воде московского водопровода)*[38]	18О,‰ (SMOW)
Остров Ольхон; VIII 1963г.
0	-	-4,0	-14,8
200	3,70	-6,0	-16,7
400	3,50	-3,0	-16,2
500	3,40	-5,0	-15,8
600	3,40	-	-15,7
700	3,35	-1,0	-15,2
800	3,30	-4,0	-15,5
900	3,30	-7,0	-15,5
1000	3,25	-6,0	-15,7
1300	3,20	-4,0	-15,8
1500	3,20	-6,0	-16,5
1610	3,10	-7,0	-16,8
Вблизи островов Ушканий-Покойники; VIII 1963
0	-	-3,0	-16,5
100	3,90	-5,0	-15,5
200	3,75	-3,0	-15,2
300	3,60	-	-15,0
400	3,50	-9,0	-14,8
600	3,90	-	-15,4
700	-	-6,0	-16,5

*Измерения выполнены фотонейтронным методом с погрешностью 3%. Концентрация дейтерия московской водопроводной воды 0,0147 ат,%

Распределение концентрации дейтерия [Сойфер В.Н и др.,1966г.] и кислорода-18 в воде исследовалось по вертикальному разрезу через интервалы 100-200 м в районе северной и средней глубоководных впадин озера [38]. Одновременно определялась температура. Время отбора проб (август 1963 г.) совпало с периодом летнего неустойчивого равновесия температурного режима озера, который начинается с момента установления прямой термической стратификации и продолжается до установления максимальных температур в верхнем 250-метровом слое. Результаты проведенных экспериментов (табл.11, рис.14) показали, что изотопный состав байкальской воды характеризуется низкой концентрацией тяжелых изотопов и относительно высокой его однородностью. Среднее содержание дейтерия (0,95% относительно московской водопроводной воды) и кислорода-18(-15,7% относительно SMOW) в озере варьирует в пределах 4% и 1% относительно стандартов, что соответствует уровню концентрации дейтерия и кислорода-18 в водах рек и озер Сибири.

Несмотря на относительное постоянство количественных соотношений изотопов по разрезу и по площади, в пределах каждой из впадин отмечаются определенные закономерности в распределении изотопов. В частности, наблюдается сходство в изменении содержания дейтерия и кислорода-18 по вертикали самой глубоководной(северной) впадины озера(в 5 км восточнее м.Ухаи). Максимальные концентрации дейтерия (-1%) и кислорода-18 (-15%) установлены на глубине 700 м, что, видимо, характеризует наиболее застойную зону. В поверхностном слое также отмечается повышенная концентрация дейтерия и кислорода-18, которая объясняется испарением воды с верхнего слоя озера. В придонном слое воды и на глубине 200 м содержание дейтерия и кислорода-18 минимальны. Можно допустить, что вода с минимальной концентрацией изотопов обязана своим происхождением поверхностному(речному) стоку вод снеготаяния. Пропорциональное изменение изотопов кислорода и водорода по разрезу обеих впадин может быть объяснено наличием вертикальной циркуляции вод различного состава, а также испарением воды с поверхности озера в летний период. Наличие стратификации вод, выделяемых по изотопному составу в изученных разрезах, не противоречит данным гидролигических исследований.

ОКЕАНИЧЕСКИЕ ВОДЫ

Распределение стабильных изотопов в океанических водах изучается с целью использования их в качестве одного из индикаторов происхождения, перемещения и условий формирования водных масс,

А.И.Бродский с сотрудниками первыми в 1939 г. использовали методику раздельного анализа изотопного состава водорода и кислорода для исследования океанических и морских вод и льдов Северного Ледовитого океана. Была показана перспективность картирования распределения концентраций дейтерия и кислорода-18 в различных слоях воды и пунктах с целью выяснения их природы и направленности течений. Однако широкая постановка работ тормозилась трудоемкостью методик и относительно низкой точностью. Лишь применение методов прецизионной масс-спектрометрии позволило почти на порядок повысить точность измерений и значительно ускорить анализ. Стало возможным наблюдать вариации в содержании изотопов, например, по разрезу водных толщ океанов и морей ([78, 80] и др.), которые ранее не могли быть обнаружены,

Результаты изучения распространенности стабильных изотопов в водах океанов и морей приводятся в оригинальных статьях С.Эпштейна и Т.Майеды [78], И.Фридмена [80], Г.Крейга и Л.Гордона [74] и других и обобщены в коллективном труде под руководством В.И.Ферронского [53],

Особый и разносторонний интерес к изучению Мирового океана проявляется в последнее время многими странами в связи с его значительными минеральными, биологическими и энергетическими ресурсами. Океан занимает поверхности Земли при средней глубине ~ 3700 м. В нем сосредоточена основная масса природной воды (1370 млн. км3). Уровень океана имеет самое низкое гипсометрическое положение, вследствие чего к нему направлены поверхностный и подземный стоки с материков. Велика роль океанов в гидрологическом цикле Земли и соответственно в регулировании круговорота воды, тепла, газов и многих других процессов. протекающих на Земле.

Вместе с тем, несмотря на всю значимость океана для человечества, его изученность и освоение до сего времени остаются на весьма низком уровне. Видимо, лишь этим можно объяснить использование его рядом капиталистических стран дли сбрасывания различных промышленных отходов, в том числе и таких высокотоксичных, как контейнеры с нервно-паралитическим газом, отходов атомных производств и т. д.

Данные, полученные автором совместно с А. Б. Бабинцом, Г.А.Малюк и др. [2. 15. 38] по изучению распределения стабильных изотопов в океанической воде, а также сведения о координатах пунктов отбора проб, температуре и солености, приведенные в табл. 12,13, позволяют выявить некоторые общие закономерности и распространении изотопов в водах Мирового океана.

В океанической воде содержится основное количество дейтерия ( г) и кислорода-18 (г). Средняя концентрация кислорода-18 в них выше, чем в пресных водах умеренных широт примерно на 8-11, дейтерия -- на 60--90‰. Установлено, что океанические волны имеют довольно однородный изотопный состав, за исключением мест разбавления пресными водами. Амплитуда колебания значений , D. Гравитационного разделения изотопов не отмечается как в изученных нами впадинах океанов Атлантического (Романш, Бразильская и Сьерра-Леоне)[2], Тихого (Курильский желоб)[7] и глубинных водах Центральной Арктики [15], так и в Филиппинской впадине Тихого океана, исследовавшейся В. Дансгаардом [75]. Ожидаемое обогащение. например, изотопом 18О в 35-100‰ для интервала глубин 4-10 тыс.м, вычисленное по барометрической формуле, ни в одном из пунктов не установлено. Последнее обусловлено преобладающим влиянием процессов вертикальной и латеральной циркуляции вод. Это прежде всего означает, что ни глубоководные впадины Мирового океана, ни глубоководные котловины крупных континентальных водоемов не могут быть использованы дли захоронения промышленных и других отходов.

В. Ф. Ферронский с соавторами считают [53]. что полный водообмен океанов происходит через каждые 14 тыс. лет. Многократный водообмен за миллионы лет привел к выравниванию изотопного и химического составов, что и позволило, в частности, Г. Крейгу[73] предложить использовать эту природную константу в качестве SMOW. С другой стороны, соленая масса океана также настолько стабильна и огромна (56*1015т), что практически изменить ее приходную в расходную части общего баланса можно лишь за геологическое время.

Таблица 12

Распределение кислорода-18 в водах Северного Ледовитого океана[15]

Номер пробы	Горизонт,м	Температура	Соленость S,‰	18О, ‰
«СП-17», станция А.Зима 1969г.
648	10	-1,78	32,14	-2,5
811	50	-1,74	32,16	-2,1
803	100	-1,67	33,13	-1,4
510	250	0,38	34,72	-0,4
521	400	0,88	34,79	0,0
789	750	-0,01	34,87	+0,2
652	1500	-0,56	34,90	-0,3
788	2000	-0,77	34,92	+0,3
800	3000	-0,83	34,92	-0,3
653	4000	-0,70	34,92	-0,4
«СП-16», станция А.Зима 1969г.
586	10	-1,60	29,65	-4,5
606	50	-1,32	31,73	-2,7
656	100	-1,56	32,68	-2,0
679	250	0,04	34,63	-0,6
793	400	0,71	34,87	-0,2
799	750	0,16	34,88	-0,2
806	1400	-0,49	34,92	-0,6
«СП-15», станция А.Зима 1967г.
274	5	-1,67	31,04	-3,6
296	35	-1,66	31,00	-2,8
315	130	-1,54	33,75	-1,4
255	400	0,76	34,87	+0,1
«СП-15», станция Б.
251	5	-1,67	-1,72	-3,8
208	35	-1,66	-1,82	-2,6
313	130	-1,50	0,88	-1,6
387	400	0,76	-0,80	+0,5
«СП-13», станция А.Зима 1967г.
313	15	-1,72	31,13	-2,3
254	75	-1,82	33,22	-2,0
318	400	0,88	34,85	+0,2
302	3500	-0,80	34,92	-0,4
«СП-13», станция Б.Зима 1967г.
397	15	-1,80	32,79	-1,0
312	75	-1,79	33,33	-1,5
278	400	0,82	34,88	+0,1
260	3000	-0,80	34,90	-0,8

Таблица 13

Распределение кислорода-18 в водах Атлантического и Тихого Океанов

Место взятия пробы;дата	Номер пробы	Глубина,м	Соленость S,‰	18О, ‰
Атлантический океан[2]
Экватор, район Северо-Атлантического хребта, 001' с.ш., 25 з.д.; V 1964	1	0	38,2	+0,5
	2	150	36,2	+0,3
	3	300	36,7	+0,02
	4	500	36,3	-0,8
	5	1000	35,9	-0,2
	6	2600	36,2	-0,4
	7*	2800	36,4	-0,8
Экватор, район желоба Романш,общая глубина 7856 м, 001'07'' с.ш.,1503'08'' з.д.; IX 1963	8	0	-	+1,4
	9*	3530	35,7	-0,7
Южно-Атлантический хребет,457'03'' ю.ш., 1502'03'' з.д.; IX 1963	10*	3740	35,4	-1,4
Бразильская впадина,502'01'' ю.ш.,3000'06'' з.д.; Х 1963	11*	3000	36,2	-1,6
Впадина Сьерра-Леона,602'09'' с.ш.,1441'07'' з.д.; IX 1963	12*	4900	35,0	-2,8
Тихий океан[7]
Курило-Камчатский желоб, 4410' с.ш.,1530' в.д.; VIII 1964	13	500	34,1	-2,4

*Примечание. Звездочками отмечены образцы придонной воды.

Вместе с тем современные тонкие масс-спектрометрические исследования позволяют в пределах Мирового океана по изотопным данным отчетливо выделить горизонтальную и вертикальную зональности с различными показателями концентрации дейтерия и кислорода-18. В общем случае горизонтальная зональность проявляется в обогащенности легкими изотопами поверхностных полярных вод и в увеличении концентрации тяжелых изотопов по мере приближения к экваториальной зоне. По вертикальному разрезу значения D и 18О уменьшаются вначале быстро, затем все медленнее. Главными факторами, определяющими изотопную зональность вод, являются климатические условия, океанические и морские течения.

Северный Ледовитый океан

Для изучения распределения изотопов кислорода по вертикальному разрезу Северного Ледовитого океана образцы были отобраны в процессе дрейфа станций «СП-13», «СП-15», «СП-16», «СП-17» в момент выхода их в наиболее глубоководные районы центральной части Арктики (рис. 15) с западной и восточной сторон хр. Ломоносова. Пробы отбирались батометрами типа БИ-48. Исследования показали (см. табл. 12), что максимальная амплитуда значений 18О в водах исследуемого региона по поверхности и по вертикали до глубин 4285 м колеблется от -4,5 до -0,3‰, солености - от 26,65 до 34,92‰ и температуры - от -1,8 до 0,88.

Выполненные комплексные исследования показали [15 и др.], что водные массы и промежуточные слои западнее хр. Ломоносова формируются при подавляющем влиянии атлантических вод, восточнее, напротив, заметно значительное влияние вод тихоокеанского происхождения, поступающих через Берингов пролив.

Наиболее динамичны поверхностные арктические воды, изотопные характеристики которых определяются влиянием не только атлантических или тихоокеанских вод, но также вод речного стока, атмосферных осадков и процессов ледообразования и ледотаяния. Поэтому вопрос о формировании изотопного состава поверхностных арктических вод, степени участия каждого из вышеперечисленных факторов, циркуляции этой водной массы в бассейне н ее трансформации представляет первостепенный интерес для океанологии.

Арктические поверхностные воды (от 0 до 250 м) отличаются наибольшим интервалом изменения 18О ,наименьшим содержанием кислорода-18 и солей в воде и наиболее низкими температурами. Учитывая, что поверхностные воды в различных районах Арктического бассейна формируются под воздействием вод, поступающих из районов со значительной разницей средних годовых температур, следует ожидать заметных колебаний в содержании кислорода-18 в зависимости от района их формирования. Так, поверхностные воды западнее хр. Ломоносова формируются в основном под влиянием вод атлантического происхождения с высокой соленостью, имеют максимальное содержание кислорода-18, составляющее -1,0‰ при солености 32,79‰ («СП-13», станция Б). Напротив, собственно арктические поверхностные воды восточной части бассейна, формирующиеся под значительным воздействием вод ледотаяния в зоне низких среднегодовых температур при участии речного стока и поступления тихоокеанских вод из Берингового моря, имеют самое низкое содержание кислорода-18 во всем Арктическом бассейне при минимальных соленостях. Так, в самой восточной точке отбора проб («СП-16», станция А) содержание кислорода-18 составило -4,5‰ при минимальной для поверхностных вод солености 29,65‰. Концентрация кислорода-18 и солей в поверхностных водах станций («СП-13», станция А; «СП-17», станция А; «СП-15», станции А, Б), расположенных между крайними пунктами отбора проб, имеют промежуточные характеристики, отражающие процесс смешения вод западного и восточного секторов Арктического бассейна.

Рассмотрим для поверхностного слоя воды зависимость между 18О и соленостью S (рис. 16). Как из нее следует, в пределах аналитических погрешностей точки ложатся на прямую, описываемую уравнением

18О = 0,7S -- 24,6. (50)

Зависимость 18О --S, по существу, характеризует процесс разбавления океанических вод пресными. Наклон прямой ( = 0,7) хорошо согласуется со значением 0,75, полученным Г. Крейгом и Л. Гордоном [74]. Экстраполяция прямой к нулевому значению солености дает значение концентрации 18О около - 25‰. Можно предположить, что это значение примерно отвечает среднему изотопному составу пресных вод для исследуемых широт.

На основании изотопных данных можно приближенно оценить содержание пресной воды в океанической по формуле

, (51)

где Q -- количество пресной воды, которое приходится на единицу площади, г/см2; h -- глубина распространения пресной воды, см (h1 = 103 см; h2 = 2,5*104 см); -- плотность пресной воды, г/см3; -- доля пресной воды в океанической (весовые части).

Из уравнения изотопного разбавления

= Мпр.в /Mок.в = (С-В)/(А-С), (52)

где Мпр.в и Mок.в -- количество пресной и океанической воды соответственно; А, В, С -- концентрация кислорода-18 в пресной, океанической водах и их смеси соответственно, ‰; = mпр.в /mок.в (mпр.в и mок.в -- атомная масса пресной и океанической воды соответственно).

Проведенный расчет позволил установить, что для станции А «СП-16» и станции А «СП-17» доля пресной воды в океанической составляет приблизительно 1,9*103 и 1,4*103 г/см2 соответственно (0,3 и 0,2%).

Наиболее высокое содержание 18О при весьма узком интервале изменения 18О (от -0,4 до +0,3‰) наблюдается в водах, расположенных в слое от 200--250 до 750 м. Они также характеризуются положительными температурами и концентрацией солей более высокой, чем поверхностные воды. По изотопным, гидрологическим и гидрохимическим характеристикам эти воды соответствуют атлантическим.

В придонных слоях воды содержание тяжелых изотопов кислорода изменяется очень незначительно, обнаруживается лишь некоторая тенденция к уменьшению концентрации кислорода-18 ко дну. Это указывает, с одной стороны, на отсутствие гравитационного разделения изотопов в глубоководной части Центральной Арктики, что значительно облегчает решение вопросов, связанных с динамикой водной массы, с другой -- на некоторое различие в изотопном составе донных и атлантических вод и позволяет предположить, что в формировании донных вод принимают участие воды не только атлантические, но и другого происхождения с более низким содержанием кислорода-18.

Атлантический и Тихий океаны

Результаты изучения распределения изотопного состава кислорода в водах Атлантического [2] и Тихого [7] океанов приведены в табл. 13. В пределах Атлантического океана (экваториальная часть) исследование проводилось в районах Северо- и Южно-Атлантического хребтов и в глубоководных впадинах Романш, Бразильской и Сьерра-Леоне. Кроме того, изучался изотопный состав поровых вод донных отложений океана в районе впадин Романш и Сьерра-Леоне [2]. Пробы отбирались батометрами из неорганического стекла во время рейсов научно-исследовательского судна «М. Ломоносов». Придонные воды сливались из грунтовой трубки после поднятия ее с пробой грунта. Пробы вод до прибытия судна и подготовки к анализу хранились в холодильнике в стеклянной посуде.

Как следует из табл. 13, распределение концентраций кислорода-18 и солености в водной толще экваториальной зоны Северо- Атлантического хребта (пробы 1-7) испытывает очень небольшие колебания по разрезу - от 0,5 до - 0,8 и от 38,2 до 36,4‰ соответственно. В пределе вариации достигают ± (0,640,7)‰ для всей толщи (от поверхности до 2800 м). Максимум содержания кислорода-18 наблюдается в поверхностном слое воды, что обусловлено интенсивным испарением, преобладающим над выпадением осадков. С глубиной концентрация тяжелого изотопа уменьшается. Минимум отмечается на отметках 500 м и в придонном слое. Аналогичная тенденция устанавливается и в других пунктах экваториальной части Атлантики. В частности, для района желоба Романш также на поверхности найдено повышенное значение (1,4‰), а в придонном слое здесь (проба 9) и в экваториальной зоне Южно-Атлантического хребта, Бразильской впадине и впадине Сьерра-Леоне (пробы 10-12) обнаружено его убывание. Если в приповерхностном слое экваториальной части отмечается закономерное изменение величины и солености, то с глубиной такой корреляции не наблюдается. Последнее, видимо, связано с разными условиями формирования изотопного состава воды и ее ионно-солевой части. В процессе изменения и выравнивания изотопного состава определяющая роль принадлежит закономерностям, связанным с глобальным и локальным водообменом в океане, испарением и смешением с пресными водами. Вполне вероятным представляется, что холодные и более плотные воды полюсов формируются и двигаются в виде морских течений по направлению к экватору, опускаясь и образуя в этом районе придонные течения, обедненные тяжелыми изотопами. Такая упрощенная схема согласуется с полученными данными и с фактически наблюдаемыми течениями в океане. Впервые подобная точка зрения была высказана С. Эпштейном и Т. Майедой [78].

Вода Тихого океана в районе Курило-Камчатского желоба, отобранная с отметки 500 м, содержит меньше кислорода-18 ( - 2,4‰), чем вода аналогичных горизонтов в изученных пунктах Атлантического и Северного Ледовитого океанов. Г. Крейг и Л. Гордон [74] показали, что средняя концентрация кислорода-18 в тихоокеанских водах ниже, чем в других океанах.

Морские воды

Несмотря на то что раздельное изучение изотопного состава природных вод начиналось именно с океанических и морских вод [5], омывающих территорию Советского Союза, до сего времени в этой области проведен лишь небольшой объем исследований.

С известным приближением можно считать, что морские воды являются разбавленными океаническими. Вариации в содержании изотопов при этом будут обусловлены такими факторами, как степень изолированности моря от океана, климатическими условиями и соответственно интенсивностью испарения и количеством выпадающих осадков, материковым стоком и скоростью водообмена (глубиной).

Нами изучен изотопный состав воды Черного моря, отобранной в районе г. Сочи (табл. 14, пробы 1-3) и по разрезу центральной части акватории (пробы 4-9), а также Тирренского и Охотского морей и Финского залива. Как известно, в Черное море через прол. Босфор проникают глубинные воды Средиземного моря с изотопным составом, близким к таковому средней океанической воды, и соленостью около 35%о [Скопинцев Б. А., 1959 г. и др.]. В обратном направлении движется черноморская вода с соленостью примерно 18‰. Таким образом, воды Черного моря являются продуктом смешения речных вод, впадающих в него, и вод Средиземного моря. В этом отношении изученный разрез представляет наиболее сбалансированную систему с выраженной стратификацией вод по солености: до отметок 60 - 100 м она составляет 17,5 - 18, затем возрастает до 22,3‰.

Таблица 14

Содержание дейтерия и кислорода-18 в морских водах

Место отбора пробы;дата	Номер образца	Глубина, м	Соленость,‰	D,‰	,‰
Черное море, район г. Сочи; 1969	1	0,5	17,5	-25	-3,0
	2	100	18,1	-30	-4,0
	3	900	20,3	-28	-4,0
Черное море, 43° 15' с. ш, 34° з.д.; 1969	4	0,5	18,5	-	-4,9
	5	150	21,4	-	-3,5
	6	200	21,4	-	-3,9
	7	500	22,1	-	-4,5
	8	1000	22,3	-	-4,8
	9*	2260	-	-	-4,1
Тирренское море; 1963	10*	3560	39,6	-	-0,6
Охотское море; 0,5 км от о.Парамушир; 1964	11	5,0	-	-	-4,4
Финский залнв; 1976		3,0	3.8	-52	-6,5

Примечание. Звездочками отмечены образцы воды

По глубине выделяются три зоны: верхняя (до 100 - 150 м)--окислительная, где присутствует кислород до 6,5 - 7 мг/л, промежуточная (до 300 м), в которой кислорода очень мало, и нижняя (свыше 300 м и до дна) -- сероводородная зона. Установленная особенность распределения солености и других компонентов химического состава является результатом слабого перемешивания воды и образованием восстановительной обстановки в Черном море. Согласно косвенным вычислениям Б. А. Скопинцева [1959 г.] (по водно-солевому балансу), время, в течение которого придонный слой открытой части достигает поверхности моря (т. е. совершает путь 2000 м), составляет примерно 130 лет.

Как следует из табл. 14, в верхнем слое воды изученного разреза на поверхности наблюдаются минимумы содержания кислорода-18 (-4,9‰) и солености (18,5‰). На отметке 150 м устанавливаются максимум (- 3,5‰) и повышенная соленость (21,4‰). С глубиной до 1000 м концентрация кислорода-18 понижается до -4,8‰ с некоторым увеличением его содержания в придонном слое воды (до - 4,1‰). Как уже упоминалось, выявленное изотопное и ионно-солевое распределение связано главным образом с особенностями водного баланса моря и его составляющими.

СНЕГОВОЙ И ЛЕДНИКОВЫЙ ПОКРОВЫ

Твердые атмосферные осадки (снег, град), выпадая на земную поверхность, образуют снеговой и ледниковый покровы. При устойчивых отрицательных температурах воздуха высоких полярных широт (Арктика. Антарктида, Гренландия) выпавшие осадки сохраняются круглый год. В умеренных и тропических широтах снеговой покров остается лишь на больших высотах в виде десятков тысяч ледников, разбросанных по горным цепям во всем мире. Таким образом, огромная часть поверхности Земли постоянно несет на себе снеговой и ледниковый покровы. По объему воды они занимают второе место (24 тыс. км3) после Мирового океана. Из них 9% льда сконцентрировано в полярных областях, 91% - в Антарктиде.

Уже первые изотопные исследования, выполненные в 1959-1965 гг. Р. Гонфиантини и Э. Пиччиотто [1959 г.], В. Дансгаардом [1961, 1964 г.], Э. Пиччиотто и др. [1960 г.], С. Эпштейном и др. [1965 г.], позволили получить интересную информацию об изотопном составе снега, льда и инея Антарктиды, Гренландии, Северной Америки. В частности, установлена тесная корреляционная связь между распределением дейтерия и кислорода-18 по разрезу ледников, между этими изотопами и температурой, которые позволяют идентифицировать сезонные и годовые слои подобно кольцам на срезе дерева. По мнению специалистов, изотопные исследования являются наиболее объективным способом при решении таких фундаментальных проблем гляциологии, как оценка скорости аккумуляции осадков и возраста ледникового покрова, законов движения и материального баланса ледников, вековых изменений температур и причин фазовых превращений, влияния физических процессов на формирование осадков в облаках и т. д.

Таблица 15

Среднее содержание дейтерия и кислорода-18 в

атмосферных осадках разных широт

Район, объект	D,‰	,‰
Океаническая вода	0	0
Осадки умеренного климата	-70	-10
Осадки в полярном климате тундры (побережье Арктического бассейна, Гренландии, Южной Аргентины)	-120	-16
Гренландский ледниковый покров	-190	-25
Антарктический ледниковый покров	-310	-40

Большинство изотопно-гляциологических работ проведено в Антарктиде. Это объясняется двумя главными причинами.

Интенсивное освоение в последние годы этого материка и проведение разносторонних научно-исследовательских работ в связи с большим влиянием его на метеорологические и другие процессы, происходящие в земной атмосфере.

Отложение и сохранение осадков, происходящие здесь в наиболее не загрязненном другими процессами виде, что позволяет получать надежную информацию о палеоклимате.

По материалам исследований, выполненных различными авторами и нами по распределению изотопов водорода и кислорода в жидких и твердых атмосферных осадках (табл. 15), установлена гидроизотопная зональность, отчетливо выраженная для разных широт.

Изучение изотопного состава ледникового покрова на территории СССР ранее не проводилось. Поэтому представляло естественный интерес исследовать распространенность стабильных изотопов в ледниках Главного Кавказского хребта с целью как выяснения условий формирования их изотопного состава (метеорология, гляциология), так и установления содержания изотопов в талых водах ледников, дающих начало горным рекам, ручьям и озерам (гидрология, гидрогеология). Работа проводилась автором совместно с А. Г. Мирошниченко и Э. В. Соботовичем [Ветштейн В. Е. и др., 1974 г.].

Пробы льда отбирались по сечению и вдоль языковой части ледника Алибек во время полевых экспедиционных работ в июле 1970 г. Образцы были взяты по слоям из двух противоположных стенок естественной трещины глубиной 5 м, заполненной в это время года ледниковой водой до уровня 3 м. Каждый слой мощностью 40-60 см визуально хорошо выделялся и включал в себя по 5-10 слоев мощностью от 2 до 10 см, различаемых значительно хуже и представляющих, по-видимому, собой сезонные слои.

Годичные и сезонные слои, к сожалению, четко выделить и отобрать не удалось. Пробы отбирались после предварительной чистки стенок трешины до глубины ~30 см.

Распределение изотопного состава водорода и кислорода в образцах ледниковых вод представлено на рис. 17. В целом для всех исследованных проб содержание дейтерия варьирует от -70 до -108, кислорода-18 - от -10,6 до -15,5‰. Среднее значение минерализации в водах составляет ~40 мг/л с преобладанием ионов Mg, К, Na и Сl, при этом количество взвесей 10--50 мг/л. Установленные относительно высокие концентрации дейтерия и кислорода-18 н небольшие их колебания могут, по-видимому, объясняться повышенными значениями изотопов в источниках питания атмосферной влаги, формирующихся преимущественно в теплых районах (Атлантический океан и Средиземное море), изотопный состав которых не прошел столь многостадийный процесс фракционирования, как это имеет место в области полюсов. Указанное обстоятельство обусловлено также относительно высокими температурами воздуха и незначительным пределом их среднегодовых колебаний, наблюдаемых в данном районе. Согласно В. Д. Панову [1968 г.], для недалеко расположенной станции Бермамыт (высота 2583 м) среднегодовая температура составляет -0,2 при годовых изменениях от -9,0 до +8,5 . Для сравнения напомним, что С. Эпштейном и др. [79] для ледников Антарктического материка были найдены пределы изменения содержания кислорода-18 от -11,9 до -55,4‰(это максимальные), а значение = - 55,4‰, установленное для района Южного полюса, самое низкое для природных вод Земли. Для северных же широт В. Дансгаардом [76] в скважине Гренландского ледника глубиной 400 м были определены несколько меньшие интервалы, чем для Южного полюса, и установлена пропорциональность в изменении содержания дейтерия и кислорода-18 в течение нескольких сотен лет. В. Амбач и др. [Ambach W. е. а., 1968 г.] для средних широт (Альпы) установили несколько меньшие концентрации кислорода-18 и большие пределы его изменений, чем найденные нами, что обусловлено широтным эффектом, большими абсолютными отметками и высотным изотопным эффектом, отвечающим для D 3, , 0,2‰ на 100 м. Эти значения согласуются с данными по талым водам Забайкалья, отобранным и изученным нами в интервале отметок 1100 - 2500 м [Ветштейн В. Е. и др., 1971 г.]. Отношение /100 м для этого географического района, характеризующегося другими климатическими условиями и иными абсолютными отметками, составляет м. Так как близкие значения устанавливаются для Альп, Кавказа и Забайкалья, можно полагать, что выявленная зависимость носит повсеместный характер в некоторых широтных и температурных пределах.