Изотопная геохимия - Isotope geochemistry

Геохимия изотопов - это аспект геологии, основанный на изучении естественных вариаций относительного содержания изотопов различных элементов . Вариации изотопного содержания измеряются масс-спектрометрией изотопного отношения и могут дать информацию о возрасте и происхождении горных пород, воздуха или водоемов или процессах их смешения.

Геохимия стабильных изотопов в значительной степени связана с изотопными вариациями, возникающими в результате массового фракционирования изотопов , тогда как геохимия радиогенных изотопов связана с продуктами естественной радиоактивности .

Геохимия стабильных изотопов

Для большинства стабильных изотопов степень фракционирования от кинетического и равновесного фракционирования очень мала; по этой причине обогащение обычно указывается в «промилле» (, части на тысячу). Эти обогащения (δ) представляют собой отношение тяжелого изотопа к легкому изотопу в образце по сравнению с отношением стандарта . Это,

${\ displaystyle \ delta {\ ce {^ {13} C}} = \ left ({\ frac {\ left ({\ frac {{\ ce {^ {13} C}}}) {{\ ce {^ { 12} C}}}} \ right) _ {sample}} {\ left ({\ frac {{\ ce {^ {13} C}}} {{\ ce {^ {12} C}}}} \ right) _ {standard}}} - 1 \ right) \ times 1000}$ ‰

Водород

Биогеохимия изотопов водорода

Углерод

Углерод имеет два изотопа стабильных , ¹² С и ¹³ С, а также один радиоактивного изотопа, ¹⁴ C .

Отношение стабильных изотопов углерода, δ ¹³ C , измеряется по отношению к белемниту Vienna Pee Dee (VPDB). Стабильные изотопы углерода фракционируются в основном путем фотосинтеза (Faure, 2004). Отношение ¹³ C / ¹² C также является индикатором палеоклимата: изменение соотношения в остатках растений указывает на изменение количества фотосинтетической активности и, следовательно, на то, насколько благоприятна среда для растений. В ходе фотосинтеза, организмы , использующие С ₃ путем показывают различное обогащение по сравнению с теми , с использованием С ₄ пути , что позволяет ученые не только различать органические вещества из абиотического углерода, но также и какой типа фотосинтетического пути органическое вещества использовало. Случайные всплески глобального отношения ¹³ C / ¹² C также использовались в качестве стратиграфических маркеров для хемостратиграфии , особенно в палеозое .

Отношение ¹⁴ C использовалось, среди прочего, для отслеживания циркуляции океана.

Азот

Азот имеет два стабильных изотопа, ¹⁴ N и ¹⁵ N. Соотношение между ними измеряется относительно азота в окружающем воздухе . Соотношение азота часто связано с сельскохозяйственной деятельностью. Изотоп азота данные также используются для измерения количества обмена воздуха между стратосферой и тропосферой с использованием данных из парникового газа N ₂ O .

Кислород

Кислород имеет три стабильных изотопа: ¹⁶ О, ¹⁷ О и ¹⁸ О. Кислородные отношения измеряются относительно Венской стандартной средней океанической воды (VSMOW) или венского пиди-ди-белемнита (VPDB). Вариации соотношений изотопов кислорода используются для отслеживания движения воды, палеоклимата и атмосферных газов, таких как озон и углекислый газ . Обычно кислородный эталон VPDB используется для палеоклимата, тогда как VSMOW используется для большинства других приложений. Изотопы кислорода появляются в атмосферном озоне в аномальных соотношениях в результате массово-независимого фракционирования . Соотношения изотопов в окаменелых фораминиферах использовались для определения температуры древних морей.

Сера

Сера имеет четыре стабильных изотопа со следующими содержаниями: ³² S (0,9502), ³³ S (0,0075), ³⁴ S (0,0421) и ³⁶ S (0,0002). Эти количества сравниваются с таковыми в троилите Каньон Диабло . Вариации соотношений изотопов серы используются для изучения происхождения серы в рудном теле и температуры образования серосодержащих минералов, а также биосигнатуры, которая может выявить присутствие сульфатредуцирующих микробов.

Радиогенная изотопная геохимия

Радиогенные изотопы являются мощными индикаторами для изучения возраста и происхождения земных систем. Они особенно полезны для понимания процессов смешивания между различными компонентами, потому что соотношения (тяжелых) радиогенных изотопов обычно не разделяются химическими процессами.

Радиогенные изотопные индикаторы наиболее эффективны при использовании вместе с другими индикаторами: чем больше индикаторов используется, тем больше контроля над процессами смешивания. Примером этого приложения является эволюция земной коры и мантии Земли в геологическом времени.

Свинец – изотопная геохимия свинца

Свинец имеет четыре стабильных изотопа : ²⁰⁴ Pb, ²⁰⁶ Pb, ²⁰⁷ Pb и ²⁰⁸ Pb.

Свинец создается на Земле в результате распада актинидных элементов , в первую очередь урана и тория .

Геохимия изотопов свинца полезна для получения изотопных дат для различных материалов. Поскольку изотопы свинца образуются при распаде различных трансурановых элементов, соотношение четырех изотопов свинца друг к другу может быть очень полезным для отслеживания источника расплавов в вулканических породах , источника отложений и даже происхождения людей с помощью изотопных отпечатков пальцев. их зубов, кожи и костей.

Он использовался для датирования ледяных кернов арктического шельфа и предоставляет информацию об источнике загрязнения атмосферы свинцом .

Свинец-свинцовые изотопы успешно используются в судебной медицине для снятия отпечатков пальцев на пулях, потому что каждая партия боеприпасов имеет свое своеобразное соотношение ²⁰⁴ Pb / ²⁰⁶ Pb против ²⁰⁷ Pb / ²⁰⁸ Pb.

Самарий-неодим

Самарий - неодимовым представляет собой систему изотоп , который может быть использован , чтобы обеспечить дату, а также изотопные отпечатки пальцев геологических материалов, а также различные другие материалы , в том числе археологических находок (горшки, керамика).

¹⁴⁷ Sm распадается с образованием ¹⁴³ Nd с периодом полураспада 1.06x10 ¹¹ лет.

Датирование обычно достигается путем попытки получить изохрону нескольких минералов в образце породы. Определено исходное отношение ¹⁴³ Nd / ¹⁴⁴ Nd.

Это начальное соотношение моделируется относительно CHUR - однородного хондритового резервуара, который является приближением хондритового материала, который сформировал солнечную систему. ЧУР определяли путем анализа хондритовых и ахондритовых метеоритов.

Разница в соотношении образца по отношению к CHUR может дать информацию о модельном возрасте извлечения из мантии (для которого предполагаемая эволюция была рассчитана относительно CHUR) и о том, было ли оно извлечено из гранитного источника (обедненного радиогенными Nd), мантия или обогащенный источник.

Рений-осмий

Рений и осмий являются сидерофильными элементами, которые присутствуют в земной коре в очень малых количествах. Рений подвергается радиоактивному распаду с образованием осмия. Отношение нерадиогенного осмия к радиогенному осмию с течением времени меняется.

Рений предпочитает более легко поступать в сульфиды, чем осмий. Таким образом, при плавлении мантии рений удаляется, что не позволяет существенно изменить соотношение осмий и осмий. Это фиксирует исходное соотношение осмия в образце во время плавления. Исходные отношения осмий – осмий используются для определения источника и возраста событий плавления мантии.

Изотопы благородных газов

Естественные изотопные вариации благородных газов являются результатом как радиогенных, так и нуклеогенных производственных процессов. Из-за их уникальных свойств полезно отличать их от обычных радиогенных изотопных систем, описанных выше.

Гелий-3

Гелий-3 был захвачен на планете при ее образовании. Примерно ³ He добавляется метеорной пылью, в основном собирающейся на дне океанов (хотя из-за субдукции все океанические тектонические плиты моложе континентальных плит). Однако ³ He будет дегазирован из океанических отложений во время субдукции , поэтому космогенный ³ He не влияет на концентрацию или соотношение благородных газов в мантии .

Гелий-3 создается бомбардировкой космическими лучами и реакциями расщепления лития, которые обычно происходят в коре. Расщепление лития - это процесс, при котором нейтрон высокой энергии бомбардирует атом лития , создавая ион ³ He и ⁴ He. Это требует значительного количества лития, чтобы отрицательно повлиять на соотношение ³ He / ⁴ He.

В конечном итоге весь дегазированный гелий теряется в космосе из-за того, что средняя скорость гелия превышает космическую скорость для Земли. Таким образом, предполагается, что содержание гелия и соотношения в атмосфере Земли остались в основном стабильными.

Было замечено, что ³ He присутствует в выбросах вулканов и в образцах океанических хребтов . Как ³ He хранится на планете, изучается, но это связано с мантией и используется в качестве маркера материала глубокого происхождения.

Из-за сходства гелия и углерода в химии магмы дегазация гелия требует потери летучих компонентов ( воды , углекислого газа ) из мантии, что происходит на глубинах менее 60 км. Однако ³ He переносится на поверхность, прежде всего захваченный кристаллической решеткой минералов во флюидных включениях .

Гелий-4 создается радиогенным производства (при распаде урана / тория -рядов элементов ). Континентальная кора обогатилась этими элементами по отношению к мантии и , следовательно , более он ⁴ продуцируется в земной коре , чем в мантии.

Отношение ( R ) ³ He к ⁴ He часто используется для обозначения содержания ³ He. R обычно выражается кратным настоящему атмосферному отношению ( Ra ).

Общие значения для R / Ra :

• Старая континентальная кора: менее 1
• базальт срединно-океанического хребта (MORB): от 7 до 9
• Распространение горных пород: 9,1 плюс-минус 3,6
• Горячие точки : от 5 до 42
• Океан и наземные воды: 1
• Осадочная пластовая вода: менее 1
• Термальная вода: от 3 до 11

Химия изотопа ³ He / ⁴ He используется для датирования подземных вод , оценки скорости потока подземных вод, отслеживания загрязнения воды и обеспечения понимания гидротермальных процессов, магматической геологии и рудогенеза .

• (U-Th) / He датирование апатита как инструмент термической истории
• Геологическая служба США: выброс гелия в фумароле Мамонтовой горы (MMF)

Изотопы в цепочках распада актинидов

Изотопы в цепочках распада актинидов уникальны среди радиогенных изотопов, потому что они и радиогенные, и радиоактивные. Поскольку их содержания обычно указываются как отношения активности, а не атомные отношения, их лучше всего рассматривать отдельно от других радиогенных изотопных систем.

Протактиний / торий - ²³¹ Па / ²³⁰ Th

Уран хорошо перемешан в океане, и его распад дает ²³¹ Па и ²³⁰ Th при постоянном соотношении активности (0,093). Продукты распада быстро удаляются адсорбцией на оседающих частицах, но не с одинаковой скоростью. ²³¹ Па имеет время пребывания, эквивалентное времени пребывания глубоководных вод в Атлантическом бассейне (около 1000 лет), но ²³⁰ Th удаляется быстрее (столетия). Термохалинная циркуляция эффективно экспортирует ²³¹ Па из Атлантики в Южный океан , в то время как большая часть ²³⁰ Th остается в атлантических отложениях. В результате существует взаимосвязь между ²³¹ Па / ²³⁰ Th в атлантических отложениях и скоростью опрокидывания: более быстрое опрокидывание дает более низкое соотношение отложений ²³¹ Па / ²³⁰ Th, а более медленное опрокидывание увеличивает это соотношение. Таким образом, комбинация δ ¹³ C и ²³¹ Па / ²³⁰ Th может дать более полное представление об изменениях циркуляции в прошлом.

Антропогенные изотопы

Тритий / гелий-3

Тритий был выброшен в атмосферу во время атмосферных испытаний ядерных бомб. При радиоактивном распаде трития образуется благородный газ гелий-3 . Сравнение отношения трития к гелию-3 ( ³ H / ³ He) позволяет оценить возраст современных грунтовых вод .

• USGS Tritium / Helium-3 Знакомства
• Гидрологические изотопные индикаторы - гелий

Смотрите также

• Космогенные изотопы
• Изотопы окружающей среды
• Геохимия
• Изотопная подпись
• Радиометрическое датирование
• Масс-спектрометрия изотопного отношения
• Биогеохимия изотопов серы

Заметки

Рекомендации

Общий

• Allègre CJ , 2008. Геология изотопов (издательство Кембриджского университета).
• Дикин А.П., 2005. Геология радиогенных изотопов (Издательство Кембриджского университета).
• Фор Г. , Менсинг TM (2004), Изотопы: принципы и приложения (John Wiley & Sons).
• Хофс Дж., 2004. Геохимия стабильных изотопов (Springer Verlag).
• Шарп З., 2006. Принципы геохимии стабильных изотопов (Прентис Холл).

Стабильные изотопы

• Экологические изотопы  (Университет Оттавы)
• Основы геохимии изотопов  (К. Кендалл и Е. А. Колдуэлл, глава 2 в Изотопные индикаторы в гидрологии водосбора [под редакцией К. Кендалла и Дж. Дж. Макдоннелла], 1998 г.)
• Исследования стабильных изотопов и минеральных ресурсов в США  ( USGS )

³ He / ⁴ He

• Бернард П.Г., Фарли К.А., Тернер Г. (1998). «Множественные пульсации жидкости в самоанском гарцбургите» . Химическая геология . 147 (1–2): 99–114. Bibcode : 1998ChGeo.147 ... 99B . DOI : 10.1016 / s0009-2541 (97) 00175-7 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
• Кирштейн Л., Тиммерман М. (2000). «Свидетельства протоисландского люма на северо-западе Ирландии на уровне 42 млн лет от изотопов гелия». Журнал Геологического общества, Лондон . 157 (5): 923–927. Bibcode : 2000JGSoc.157..923K . DOI : 10,1144 / jgs.157.5.923 .
• Порселли Д., Халлидей А.Н. (2001). «Ядро как возможный источник мантийного гелия». Письма о Земле и планетологии . 192 (1): 45–56. Bibcode : 2001E и PSL.192 ... 45P . DOI : 10.1016 / s0012-821x (01) 00418-6 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

Re – Os

• Арне Д., Бирлейн Ф. П., Морган Дж. У., Штейн Х. Дж. (2001). «Re-Os датирование сульфидов, связанных с золотым оруденением в центральной Виктории, Австралия». Экономическая геология . 96 (6): 1455–1459. DOI : 10.2113 / 96.6.1455 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
• Мартин С. (1991). «Изотопные характеристики осмия мантийных пород». Geochimica et Cosmochimica Acta . 55 (5): 1421–1434. Bibcode : 1991GeCoA..55.1421M . DOI : 10.1016 / 0016-7037 (91) 90318-у .

Внешние ссылки

• Национальный центр разработки изотопов Справочная информация об изотопах, а также о координации и управлении производством, доступностью и распределением изотопов
• Разработка и производство изотопов для исследований и применений (IDPRA) Программа Министерства энергетики США по производству изотопов и производственным исследованиям и разработкам