Изотопная геохимия

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 [ править ]

Для большинства стабильных изотопов степень фракционирования от кинетического и равновесного фракционирования очень мала; по этой причине обогащение обычно указывается в «промилле» (, части на тысячу). ^[1] Эти обогащения (δ) представляют собой отношение тяжелого изотопа к легкому изотопу в образце по сравнению с отношением стандарта . То есть,

{\ 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 [ править ]

Биогеохимия изотопов водорода

Углерод [ править ]

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). ^[2] 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, таким образом, 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 ученым не только отличать органическое вещество от абиотического углерода, но и определять, какой тип фотосинтетического пути использует органическое вещество. ^[1] Случайные всплески глобального отношения ¹³ C / ¹² C также были полезны в качестве стратиграфических маркеров для хемостратиграфии , особенно в палеозое . ^[3]

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

Азот [ править ]

Азот имеет два стабильных изотопа, ¹⁴ N и ¹⁵ N. Соотношение между ними измеряется относительно азота в окружающем воздухе . ^[2] 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 . ^[4]

Кислород [ править ]

Кислород имеет три стабильных изотопа: ¹⁶ О, ¹⁷ О и ¹⁸ О. Кислородные отношения измеряются относительно Венской стандартной средней океанической воды (VSMOW) или венского белемнит Пи Ди (VPDB). ^[2] Вариации соотношения изотопов кислорода используются для отслеживания движения воды, палеоклимата ^[1] и атмосферных газов, таких как озон и углекислый газ . ^[5] Обычно кислородный эталон VPDB используется для палеоклимата, тогда как VSMOW используется для большинства других приложений. ^[1] Изотопы кислорода появляются в атмосферном озоне в аномальных соотношениях в результате массово-независимого фракционирования.. ^[6] Изотопные соотношения в окаменелых фораминиферах использовались для определения температуры древних морей. ^[7]

Сера [ править ]

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 . ^[5] Вариации соотношений изотопов серы используются для изучения происхождения серы в рудном теле и температуры образования серосодержащих минералов. ^[8]

Геохимия радиогенных изотопов [ править ]

Радиогенные изотопы являются мощными индикаторами для изучения возраста и происхождения земных систем. ^[9] 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 [ править ]

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 особое соотношение ²⁰⁴ Pb / ²⁰⁶ Pb против ²⁰⁷ Pb / ²⁰⁸ Pb.

Самарий-неодим [ править ]

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 - хондритового однородного 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 [ править ]

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 [ править ]

Естественные изотопные вариации среди 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 [ править ]

Гелий-3 был захвачен на планете при ее образовании. Примерно ³ He добавляется метеорной пылью, собирающейся в основном 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 [ править ]

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 [ править ]

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 из ²³⁰Th 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 [ править ]

Тритий / гелий-3 [ править ]

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

См. Также [ править ]

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

Заметки [ править ]

^ a b c d Древер, Джеймс (2002). Геохимия природных вод . Нью-Джерси: Прентис-Холл. С. 311–322 . ISBN 978-0-13-272790-7.
^ a b c «Геологическая служба США - Изотопные индикаторы - Ресурсы - Геохимия изотопов» . Проверено 18 января 2009 .
^ Зальцман, Мэтью R (2002). «Стратиграфия изотопов углерода (d13C) через силурийско-девонский переход в Северной Америке: свидетельство нарушения глобального углеродного цикла» (PDF) . Палеогеография, палеоклиматология, палеоэкология . 187 (1–2): 83–100. Bibcode : 2002PPP ... 187 ... 83S . DOI : 10.1016 / s0031-0182 (02) 00510-2 . Дата обращения 7 января 2017 .
^ Парк, S .; Атлас, ЭЛ; Беринг, К.А. (2004). «Измерения изотопологов N 2 O в стратосфере» (PDF) . Журнал геофизических исследований . 109 (D1): D01305. Bibcode : 2004JGRD..10901305P . DOI : 10.1029 / 2003JD003731 .
^ a b Brenninkmeijer, CAM; Janssen, C .; Kaiser, J .; Röckmann, T .; Ри, Т.С.; Ассонов, С.С. (2003). «Изотопные эффекты в химии микропримесей атмосферы». Химические обзоры . 103 (12): 5125–5161. DOI : 10.1021 / cr020644k . PMID 14664646 .
^ Mauersberger, К. (1987). «Измерения изотопов озона в стратосфере». Письма о геофизических исследованиях . 14 (1): 80–83. Bibcode : 1987GeoRL..14 ... 80M . DOI : 10.1029 / GL014i001p00080 .
^ Эмилиани, C .; Эдвардс, Г. (1953). «Третичные температуры дна океана». Природа . 171 (4359): 887–888. Bibcode : 1953Natur.171..887E . DOI : 10.1038 / 171887c0 .
^ Rollinson, HR (1993). Использование геохимических данных: оценка, представление, интерпретация Longman Scientific & Technical. ISBN 978-0-582-06701-1
^ Дикин, AP (2005). Геология радиогенных изотопов . Издательство Кембриджского университета. Архивировано из оригинала на 2014-03-27 . Проверено 10 октября 2013 .

Ссылки [ править ]

Общие [ править ]

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 [ править ]

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 [ править ]

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 планетах . 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 [ править ]

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 [ править ]

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

[drever_2002-1] Древер, Джеймс (2002). Геохимия природных вод . Нью-Джерси: Прентис-Холл. С. 311–322 . ISBN 978-0-13-272790-7.

[usgs_isotope_tracers-2] «Геологическая служба США - Изотопные индикаторы - Ресурсы - Геохимия изотопов» . Проверено 18 января 2009 .

[3] Зальцман, Мэтью R (2002). «Стратиграфия изотопов углерода (d13C) через силурийско-девонский переход в Северной Америке: свидетельство нарушения глобального углеродного цикла» (PDF) . Палеогеография, палеоклиматология, палеоэкология . 187 (1–2): 83–100. Bibcode : 2002PPP ... 187 ... 83S . DOI : 10.1016 / s0031-0182 (02) 00510-2 . Дата обращения 7 января 2017 .

[boering_2004-4] Парк, S .; Атлас, ЭЛ; Беринг, К.А. (2004). «Измерения изотопологов N 2 O в стратосфере» (PDF) . Журнал геофизических исследований . 109 (D1): D01305. Bibcode : 2004JGRD..10901305P . DOI : 10.1029 / 2003JD003731 .

[Brenninkmeijer_2003-5] Brenninkmeijer, CAM; Janssen, C .; Kaiser, J .; Röckmann, T .; Ри, Т.С.; Ассонов, С.С. (2003). «Изотопные эффекты в химии микропримесей атмосферы». Химические обзоры . 103 (12): 5125–5161. DOI : 10.1021 / cr020644k . PMID 14664646 .

[mauersberger_1987-6] Mauersberger, К. (1987). «Измерения изотопов озона в стратосфере». Письма о геофизических исследованиях . 14 (1): 80–83. Bibcode : 1987GeoRL..14 ... 80M . DOI : 10.1029 / GL014i001p00080 .

[edwards_1953-7] Эмилиани, C .; Эдвардс, Г. (1953). «Третичные температуры дна океана». Природа . 171 (4359): 887–888. Bibcode : 1953Natur.171..887E . DOI : 10.1038 / 171887c0 .

[Rollinson-8] Rollinson, HR (1993). Использование геохимических данных: оценка, представление, интерпретация Longman Scientific & Technical. ISBN 978-0-582-06701-1

[9] Дикин, AP (2005). Геология радиогенных изотопов . Издательство Кембриджского университета. Архивировано из оригинала на 2014-03-27 . Проверено 10 октября 2013 .

[1]