Izotopová geochemie - Isotope geochemistry

Izotopová geochemie je aspekt geologie založený na studiu přírodních variací v relativním množství izotopů různých prvků . Rozdíly v množství izotopů se měří hmotnostní spektrometrií s poměrem izotopů a mohou odhalit informace o stáří a původu hornin, vzduchu nebo vodních útvarů nebo o procesech jejich míchání.

Stabilní izochopová geochemie se z velké části zabývá izotopovými variacemi vyplývajícími z hmotnostně závislé frakcionace izotopů , zatímco radiogenní izotopová geochemie se zabývá produkty přirozené radioaktivity .

Stabilní izochopová geochemie

U nejstabilnějších izotopů je velikost frakcionace z kinetické a rovnovážné frakcionace velmi malá; z tohoto důvodu se obohacení obvykle vykazují v „promile“ (‰, promile). Tato obohacení (δ) představují poměr těžkého izotopu k lehkému izotopu ve vzorku nad poměrem standardu . To znamená,

‰

Vodík

Biogeochemie vodíkových izotopů

Uhlík

Hlavní článek: δ13C

Uhlík má dva stabilní izotopy , 12 ° C a 13 ° C, a jeden radioaktivní izotop, 14 ° C .

Stabilní poměr izotopů uhlíku, 8 13 C , se měří proti Vienna Pee Dee Belemnite (VPDB). Stabilní izotopy uhlíku jsou frakcionovány primárně fotosyntézou (Faure, 2004). Poměr 13 C / 12 C je také indikátorem paleoklimatu: změna poměru ve zbytcích rostlin naznačuje změnu v množství fotosyntetické aktivity, a tedy v tom, jak příznivé bylo pro rostliny prostředí. Během fotosyntézy vykazují organismy využívající dráhu C 3 různá obohacení ve srovnání s těmi, které využívají dráhu C 4 , což vědcům umožňuje nejen odlišit organickou hmotu od abiotického uhlíku, ale také jaký typ fotosyntetické dráhy organická hmota používá. Příležitostné špičky v globálním poměru 13 C / 12 C byly také užitečné jako stratigrafické markery pro chemostratigrafii , zejména během paleozoika .

Poměr 14 C se mimo jiné používá ke sledování cirkulace oceánů.

Dusík

Dusík má dva stabilní izotopy, 14 N a 15 N. Poměr mezi nimi se měří vzhledem k dusíku v okolním vzduchu . Poměry dusíku jsou často spojeny se zemědělskými činnostmi. Dusík izotop dat byl rovněž použit pro měření množství výměny vzduchu mezi stratosféře a troposféře pomocí dat z skleníkového plynu N 2 O .

Kyslík

Kyslík má tři stabilní izotopy, 16 O, 17 O a 18 O. Poměry kyslíku se měří ve vztahu k Vienna Standard Mean Ocean Water (VSMOW) nebo Vienna Pee Dee Belemnite (VPDB). Změny poměrů izotopů kyslíku se používají ke sledování pohybu vody, paleoklimatu a atmosférických plynů, jako je ozon a oxid uhličitý . Referenční hodnota kyslíku VPDB se obvykle používá pro paleoklimatu, zatímco VSMOW se používá pro většinu ostatních aplikací. Izotopy kyslíku se objevují v anomálních poměrech v atmosférickém ozonu, což je výsledkem frakcionace nezávislé na hmotnosti . Poměry izotopů ve zkamenělé foraminifera byly použity k odvození teploty starověkých moří.

Síra

Síra má čtyři stabilní izotopy s následujícími množstvími: 32 S (0,9502), 33 S (0,0075), 34 S (0,0421) a 36 S (0,0002). Tyto množství se srovnávají s množstvím nalezeným v troilitu Cañon Diablo . Rozdíly v poměrech izotopů síry se používají ke studiu původu síry v těle a teploty tvorby minerálů obsahujících síru, stejně jako biosignatury, které mohou odhalit přítomnost mikrobů redukujících síran.

Radiogenní izotopová geochemie

Hlavní článek: Radiometrické datování

Radiogenní izotopy poskytují mocné stopovací látky pro studium stáří a původu pozemských systémů. Jsou zvláště užitečné pro pochopení procesů míchání mezi různými složkami, protože poměry (těžkých) radiogenních izotopů nejsou obvykle frakcionovány chemickými procesy.

Radiogenní izotopové stopovací látky jsou nejúčinnější, pokud se používají společně s dalšími stopovacími látkami: Čím více použitých stopovacích látek, tím větší kontrola procesů míchání. Příkladem této aplikace je vývoj zemské kůry a zemského pláště v geologickém čase.

Geochemie olova a olova izotopů

Hlavní článek: Lead – lead dating

Olovo má čtyři stabilní izotopy : 204 Pb, 206 Pb, 207 Pb a 208 Pb.

Olovo se v Zemi vytváří rozpadem aktinidových prvků , zejména uranu a thoria .

Geochemie olověných izotopů je užitečná pro poskytování izotopových dat na různých materiálech. Protože izotopy olova jsou vytvářeny rozpadem různých transuranových prvků, mohou být poměry čtyř izotopů olova k sobě navzájem velmi užitečné při sledování zdroje tavenin v vyvřelých horninách , zdroje sedimentů a dokonce původu lidí pomocí izotopových otisků prstů jejich zubů, kůže a kostí.

Používá se k datování ledových jader z arktického šelfu a poskytuje informace o zdroji znečištění ovzduší olovem .

Izotopy olova a olova byly úspěšně použity ve forenzní vědě k snímání otisků prstů, protože každá šarže munice má svůj vlastní zvláštní poměr 204 Pb / 206 Pb proti 207 Pb / 208 Pb.

Samarium – neodym

Hlavní článek: Samarium – neodymové randění

Samarium - neodym je izotopový systém, který lze použít k poskytnutí data a izotopových otisků geologických materiálů a různých dalších materiálů včetně archeologických nálezů (hrnce, keramika).

147 Sm se rozpadá na produkci 143 Nd s poločasem 1,06x10 11 let.

Datování je obvykle dosaženo pokusem o produkci izochronu několika minerálů v horninovém vzorku. Je určen počáteční poměr 143 Nd / 144 Nd.

Tento počáteční poměr je modelován vzhledem k CHUR - Chondritic Uniform Reservoir - což je přiblížení chondritického materiálu, který vytvořil sluneční soustavu. CHUR byla stanovena analýzou chondritových a achondritových meteoritů.

Rozdíl v poměru vzorku vzhledem k CHUR může poskytnout informace o modelovém stáří extrakce z pláště (pro které byla vypočtena předpokládaná evoluce relativně k CHUR) a o tom, zda byl extrahován z granitického zdroje (vyčerpaného radiogenem) Nd), plášť nebo obohacený zdroj.

Rhenium – osmium

Hlavní článek: Seznamování rhenium – osmium

Rhenium a osmium jsou siderofilní prvky, které jsou v kůře přítomny ve velmi malém množství. Rhenium prochází radioaktivním rozpadem a produkuje osmium. Poměr neradiogenního osmium k radiogennímu osmiu se v čase mění.

Rhenium raději vstupuje do sulfidů snadněji než osmium. Během tavení pláště je tedy rhenium odstraněno a brání znatelné změně poměru osmium-osmium. Tím se uzamkne počáteční poměr osmium vzorku v době tání. Počáteční poměry osmium – osmium se používají k určení zdrojové charakteristiky a stáří událostí tavení pláště.

Izotopy ušlechtilého plynu

Přirozené izotopové variace mezi vzácnými plyny jsou výsledkem radiogenních i nukleogenních výrobních procesů. Vzhledem k jejich jedinečným vlastnostem je užitečné je odlišit od konvenčních radiogenních izotopových systémů popsaných výše.

Hélium-3

Hélium-3 bylo uvězněno na planetě, když se formovalo. Asi 3 je přidáván meteorickým prachem, který se primárně shromažďuje na dně oceánů (i když kvůli subdukci jsou všechny oceánské tektonické desky mladší než kontinentální desky). Během subdukce však bude 3 odplyněn z oceánského sedimentu , takže kosmogenní 3 He neovlivňuje koncentraci ani poměry ušlechtilých plynů v plášti .

Helium-3 je vytvořeno bombardováním kosmickým paprskem a spalačními reakcemi lithia, které se obvykle vyskytují v kůře. Spalace lithia je proces, při kterém neutron s vysokou energií bombarduje atom lithia a vytváří iont 3 He a 4 He. To vyžaduje značné množství lithia, aby se nepříznivě ovlivnil poměr 3 He / 4 He.

Veškeré odplyněné hélium je nakonec ztraceno do vesmíru kvůli průměrné rychlosti helia, která překračuje únikovou rychlost Země. Předpokládá se tedy, že obsah helia a poměry zemské atmosféry zůstaly v zásadě stabilní.

Bylo pozorováno, že 3 He je přítomen ve emisích sopky a ve vzorcích oceánských hřebenů . Jak 3 je uložen na planetě, je předmětem vyšetřování, ale je spojováno s pláštěm a je používáno jako značka materiálu hlubokého původu.

Kvůli podobnostem v heliu a uhlíku v chemii magmatu vyžaduje odplyňování helia ztrátu těkavých složek ( voda , oxid uhličitý ) z pláště, k čemuž dochází v hloubkách menších než 60 km. Nicméně, 3 Ten je transportován na povrch především uvězněné v krystalové mřížce minerálů ve fluidních inkluzí .

Hélium-4 je vytvořen izotopů výroby (přeměnou uranu / thorium -series prvky ). Kontinentální kůra se stala obohacen těchto prvků vzhledem k plášti, a tím více se 4 se vyrábí v kůře než v plášti.

Poměr ( R ) 3 He k 4 He se často používá k vyjádření obsahu 3 He. R se obvykle udává jako násobek současného atmosférického poměru ( Ra ).

Společné hodnoty pro R / Ra :

  • Stará kontinentální kůra: méně než 1
  • středooceánský hřeben čediče (MORB): 7 až 9
  • Rozkládající se hřebenové kameny: 9,1 plus nebo minus 3,6
  • Hotspotové kameny: 5 až 42
  • Oceán a suchozemská voda: 1
  • Sedimentární voda: méně než 1
  • Termální pramenitá voda: 3 až 11

3 He / 4 He isotope chemistry is being used to date podzemních vod , odhadnout průtoky podzemní vody, sledovat znečištění vody, a poskytnout pohledy na hydrotermální procesy, magmatická geologie a rudy geneze .

Izotopy v řetězcích rozpadu aktinidů

Izotopy v řetězcích rozpadu aktinidů jsou mezi radiogenními izotopy jedinečné, protože jsou radiogenní i radioaktivní. Protože jejich početnosti jsou obvykle uváděny spíše jako poměry aktivity než jako atomové poměry, je nejlepší je zvažovat odděleně od ostatních radiogenních izotopových systémů.

Protactinium / Thorium - 231 Pa / 230 tis

Uran je v oceánu dobře promíchán a jeho rozpad produkuje 231 Pa a 230 Th při konstantním poměru aktivity (0,093). Produkty rozpadu se rychle odstraňují adsorpcí na usazujících se částicích, ale ne stejnou rychlostí. 231 Pa má bydliště ekvivalentní době pobytu hluboké vody v povodí Atlantiku (kolem 1000 let), ale 230 Th je odstraňováno rychleji (století). Cirkulace termohalin skutečně vyváží 231 Pa z Atlantiku do Jižního oceánu , zatímco většina z 230 Th zůstává v atlantických sedimentech. Výsledkem je vztah mezi 231 Pa / 230 Th v atlantických sedimentech a rychlostí převrácení: rychlejší převrácení produkuje nižší poměr 231 Pa / 230 Th, zatímco pomalejší převrácení tento poměr zvyšuje. Kombinace 8 13 C a 231 Pa / 230 Th proto může poskytnout úplnější pohled na minulé změny oběhu.

Antropogenní izotopy

Tritium / helium-3

Tritium bylo vypuštěno do atmosféry během atmosférických zkoušek jaderných bomb. Radioaktivní rozpad tritia produkuje vzácný plyn helium-3 . Porovnání poměru tritia k heliu-3 ( 3 H / 3 He) umožňuje odhad stáří posledních podzemních vod .

Viz také

Poznámky

Reference

Všeobecné

  • Allègre CJ , 2008. Izotopová geologie (Cambridge University Press).
  • Dickin AP, 2005. Radiogenic Isotope Geology (Cambridge University Press).
  • Faure G. , Mensing TM (2004), Isotopes: Principles and Applications (John Wiley & Sons).
  • Hoefs J., 2004. Stabilní izotopová geochemie (Springer Verlag).
  • Sharp Z., 2006. Principy stabilní izotopové geochemie (Prentice Hall).

Stabilní izotopy

3 He / 4 He

Re – Os

  • Arne D., Bierlein FP, Morgan JW, Stein HJ (2001). "Re-Os datování sulfidů spojených s mineralizací zlata v centrální Victoria, Austrálie". Ekonomická geologie . 96 (6): 1455–1459. doi : 10,2113 / 96.6.1455 .CS1 maint: více jmen: seznam autorů ( odkaz )
  • Martin C (1991). "Osmium izotopové vlastnosti hornin získaných z pláště". Geochimica et Cosmochimica Acta . 55 (5): 1421–1434. Bibcode : 1991GeCoA..55.1421M . doi : 10.1016 / 0016-7037 (91) 90318-r .

externí odkazy