Изотопная геохимия - Isotope geochemistry

Изотопная геохимия это аспект геология на основе изучения естественных вариаций относительной численности изотопы различных элементов. Вариации изотопного содержания измеряются изотопное соотношение масс-спектрометрия, и может раскрывать информацию о возрасте и происхождении горных пород, воздуха или водоемов или процессах их смешения.

Стабильный изотоп геохимия в значительной степени занимается изотопными вариациями, возникающими в результате массового фракционирования изотопов, тогда как радиогенный изотопная геохимия занимается продуктами естественной радиоактивности.

Геохимия стабильных изотопов

Для большинства стабильных изотопов величина фракционирования от кинетический и равновесное фракционирование очень маленький; 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 отношению к соотношению стандарт. 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

Биогеохимия изотопов водорода

Углерод

Основная статья: δ13C

Углерод имеет два стабильные изотопы, ¹²C и ¹³C и один радиоактивный изотоп, ¹⁴C.

Соотношение стабильных изотопов углерода, δ¹³C, сравнивается с Веной Пи Ди Белемнит (VPDB).^[2] Стабильные изотопы углерода фракционируются в основном по фотосинтез (Фор, 2004). В ¹³C /¹²Соотношение C также является показателем палеоклимата: изменение соотношения в остатках растений указывает на изменение количества фотосинтетической активности и, следовательно, на то, насколько благоприятной была среда для растений. Во время фотосинтеза организмы, использующие C₃ путь показать другое обогащение по сравнению с теми, кто использует C₄ путь, что позволяет ученым не только отличать органическое вещество от абиотического углерода, но и определять, какой тип фотосинтетического пути использует органическое вещество.^[1] Периодические всплески в мировом ¹³C /¹²Коэффициент C также использовался в качестве стратиграфических маркеров для хемостратиграфия, особенно во время Палеозой.^[3]

В ¹⁴C соотношение использовалось, среди прочего, для отслеживания циркуляции океана.

Азот

Азот имеет два стабильных изотопа, ¹⁴N и ¹⁵N. Отношение между ними измеряется относительно азота в окружающий воздух.^[2] Соотношение азота часто связано с сельскохозяйственной деятельностью. Данные по изотопу азота также использовались для измерения количества воздухообмена между стратосфера и тропосфера с использованием данных о парниковых газах N₂О.^[4]

Кислород

Кислород имеет три стабильных изотопа, ¹⁶О, ¹⁷O и ¹⁸О. Кислородный коэффициент измеряется относительно Венская стандартная средняя океанская вода (VSMOW) или Vienna Pee Dee Belemnite (VPDB).^[2] Вариации соотношений изотопов кислорода используются для отслеживания движения воды, палеоклимата и^[1] и атмосферные газы, такие 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-независимое фракционирование.^[6] Изотопные отношения в ископаемых фораминиферы использовались для определения температуры древних морей.^[7]

Сера

Сера имеет четыре стабильных изотопа со следующим содержанием: ³²S (0,9502), ³³S (0,0075), ³⁴S (0,0421) и ³⁶S (0,0002). Эти количества сравниваются с теми, которые содержатся в Каньон Диабло троилит.^[5] Вариации соотношений изотопов серы используются для изучения происхождения серы в рудное тело и температура образования серосодержащих минералов.^[8]

Радиогенная изотопная геохимия

Основная статья: Радиометрическое датирование

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 Мантия земли через геологическое время.

Свинец – изотопная геохимия свинца

Основная статья: Свидание со свинцом

Свинец имеет четыре конюшни изотопы: ²⁰⁴Pb, ²⁰⁶Pb, ²⁰⁷Pb и ²⁰⁸Pb.

Свинец создается на Земле в результате распада актинидные элементы, в первую очередь уран и торий.

Изотоп свинца геохимия полезно для предоставления изотопные даты на самых разных материалах. Поскольку изотопы свинца образуются в результате распада различных трансурановых элементов, соотношение четырех изотопов свинца друг к другу может быть очень полезным для отслеживания источника расплавов в Магматические породы, источник отложения и даже происхождение людей через изотопная дактилоскопия их зубов, кожи и костей.

Он использовался до сих пор ледяные керны с арктического шельфа и предоставляет информацию об источнике атмосферного свинца загрязнение.

Свинец – изотопы свинца успешно используются в Криминалистика на пули по отпечатку пальца, ведь каждая партия боеприпасов имеет свои особенности ²⁰⁴Pb /²⁰⁶Pb vs ²⁰⁷Pb /²⁰⁸Соотношение Pb.

Самарий-неодим

Основная статья: Самариево-неодимовое датирование

Самарий –неодим это изотопная система, которую можно использовать для определения даты, а также изотопные отпечатки пальцев геологических материалов и различных других материалов, включая археологические находки (горшки, керамика).

¹⁴⁷См распадается, чтобы произвести ¹⁴³Nd с периодом полураспада 1.06x10¹¹ годы.

Свидание обычно достигается путем попытки создать изохрон из нескольких минералов в образце породы. Начальный ¹⁴³Nd /¹⁴⁴Определено отношение Nd.

Это начальное соотношение моделируется относительно CHUR - хондритового однородного резервуара, который является приближением хондритового материала, который сформировал солнечную систему. ЧУР был определен путем анализа хондрит и ахондрит метеориты.

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

Основная статья: Рений-осмиевое датирование

Рений и осмий находятся сидерофильные элементы которые присутствуют в коре в очень малых количествах. Рений подвергается радиоактивный распад производить осмий. Отношение нерадиогенного осмия к радиогенному осмию во времени меняется.

Рений предпочитает поступать сульфиды легче, чем осмий. Таким образом, при плавлении мантии рений удаляется, что не позволяет существенно изменить соотношение осмий и осмий. Этот замки в начальное 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 пойман в ловушку на планете, когда она сформировалась. Немного ³К нему добавляется метеоритная пыль, в основном собирающаяся на дне океанов (хотя из-за субдукция, все океанические тектонические плиты моложе континентальных плит). Тем не мение, ³Он будет дегазирован из океанических отложений во время субдукция, так космогенный ³Он не влияет на концентрацию или благородный газ соотношения мантия.

Гелий-3 создается космический луч бомбардировка и литий реакции откола, которые обычно происходят в коре. Литий раскол это процесс, посредством которого нейтрон высоких энергий бомбардирует литий атом, создавая ³Он и ⁴Он ион. Это требует значительного количества лития, чтобы отрицательно повлиять на ³Он/⁴Он соотношение.

Весь дегазированный гелий в конечном итоге теряется в космосе из-за того, что средняя скорость гелия превышает допустимую. скорость убегания для Земли. Таким образом, предполагается содержание гелия и соотношения Атмосфера Земли остались практически стабильными.

Было замечено, что ³Он присутствует в вулкан выбросы и океанический хребет образцы. Как ³Он хранится на планете, ведется расследование, но это связано с мантия и используется как маркер материала глубокого происхождения.

Из-за сходства в гелий и углерод в магма химии, дегазация гелия требует потери летучие компоненты (воды, углекислый газ ) из мантии, что происходит на глубинах менее 60 км. Тем не мение, ³Его переносят на поверхность, прежде всего в ловушке кристалл решетка минералов внутри жидкие включения.

Гелий-4 создается радиогенный производство (распадом уран /торий -серии элементы ). В Континентальный разлом обогатился этими элементами по сравнению с мантией и, таким образом, больше Он⁴ производится в коре, чем в мантии.

Соотношение (р) из ³Он к ⁴Его часто используют для обозначения ³Он доволен. р обычно дается как кратное текущему атмосферному соотношению (Ра).

Общие значения для R / Ra:

• Старая континентальная кора: менее 1
• Срединно-океанский хребет базальт (MORB): от 7 до 9
• Распространение горных пород: 9,1 плюс-минус 3,6
• Точка доступа камни: от 5 до 42
• Океан и наземные воды: 1
• Осадочная пластовая вода: менее 1
• Термальная вода: от 3 до 11

³Он/⁴Он изотопная химия используется на сегодняшний день грунтовые воды, оценить скорость потока грунтовых вод, отслеживать загрязнение воды и получить представление о гидротермальный процессы, огненный геология и рудогенез.

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

Изотопы в цепочках распада актинидов

Изотопы в цепочки распада актиноидов уникальны среди радиогенных изотопов, потому что они являются радиогенными и радиоактивными. Поскольку их содержания обычно указываются как отношения активности, а не атомные отношения, их лучше всего рассматривать отдельно от других радиогенных изотопных систем.

Протактиний / Торий - ²³¹Па / ²³⁰Чт

Уран хорошо перемешан в океане, и его распад производит ²³¹Па и ²³⁰Th при постоянном коэффициенте активности (0,093). Продукты распада быстро удаляются адсорбция по оседанию частиц, но не с одинаковой скоростью. ²³¹Па имеет место жительства, эквивалентное времени проживания глубокая вода в Атлантический бассейн (около 1000 лет), но ²³⁰Удаляется быстрее (века). Термохалинное кровообращение эффективно экспортирует ²³¹Па из Атлантики в Южный океан, в то время как большая часть ²³⁰Th остается в атлантических отложениях. В результате возникает связь между ²³¹Па /²³⁰Th в атлантических отложениях и скорость опрокидывания: более быстрое опрокидывание приводит к меньшему количеству наносов ²³¹Па /²³⁰Соотношение Th, а более медленное переворачивание увеличивает это соотношение. Сочетание δ¹³C и ²³¹Па /²³⁰Таким образом, можно получить более полное представление об изменениях циркуляции в прошлом.

Антропогенные изотопы

Тритий / гелий-3

Тритий был выпущен в атмосферу во время атмосферных испытаний ядерных бомб. При радиоактивном распаде трития образуется благородный газ. гелий-3. Сравнивая отношение трития к гелию-3 (³ЧАС/³Он) позволяет оценить возраст недавних грунтовые воды.

• 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

Примечания

1. Древер, Джеймс (2002). Геохимия природных вод. Нью-Джерси: Прентис-Холл. стр.311–322. ISBN  978-0-13-272790-7.
2. «USGS - Изотопные индикаторы - Ресурсы - Геохимия изотопов». Получено 2009-01-18.
3. Зальцман, Мэтью Р. (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:2002ППП ... 187 ... 83С. Дои:10.1016 / s0031-0182 (02) 00510-2. Получено 7 янв 2017.
4. Парк, С .; Атлас, Э. Л .; Беринг, К. А. (2004). "Измерения N₂O изотопологи в стратосфере » (PDF). Журнал геофизических исследований. 109 (D1): D01305. Bibcode:2004JGRD..10901305P. Дои:10.1029 / 2003JD003731.
5. Brenninkmeijer, C.A.M .; Janssen, C .; Kaiser, J .; Röckmann, T .; Rhee, T. S .; Ассонов, С. С. (2003). «Изотопные эффекты в химии микропримесей атмосферы». Химические обзоры. 103 (12): 5125–5161. Дои:10.1021 / cr020644k. PMID  14664646.
6. Мауэрсбергер, К. (1987). «Измерения изотопов озона в стратосфере». Письма о геофизических исследованиях. 14 (1): 80–83. Bibcode:1987Георл..14 ... 80М. Дои:10.1029 / GL014i001p00080.
7. Эмилиани, Ц .; Эдвардс, Г. (1953). «Третичные температуры дна океана». Природа. 171 (4359): 887–888. Bibcode:1953Натура.171..887E. Дои:10.1038 / 171887c0.
8. Роллинсон, Х.Р. (1993). Использование геохимических данных: оценка, представление, интерпретация Longman Scientific & Technical. ISBN  978-0-582-06701-1
9. Дикин, А.П. (2005). Геология радиогенных изотопов. Издательство Кембриджского университета. Архивировано из оригинал на 2014-03-27. Получено 2013-10-10.

Рекомендации

Общий

• Allègre C.J., 2008. Изотопная геология (Издательство Кембриджского университета).
• Дикин А.П., 2005. Геология радиогенных изотопов (Издательство Кембриджского университета).
• Фор Г., Менсинг Т. (2004), Изотопы: принципы и применение (Джон Уайли и сыновья).
• 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 Э. А. Колдуэлл, глава 2 в Изотопные индикаторы в гидрологии водосбора [под редакцией К. Кендалла и Дж. Дж. Макдоннелл], 1998).
• Исследования стабильных изотопов и минеральных ресурсов в США  (USGS )

³Он/⁴Он

• Бернард П. Г., Фарли К. А., Тернер Г. (1998). «Множественные пульсации жидкости в самоанском гарцбургите». Химическая геология. 147 (1–2): 99–114. Bibcode:1998ЧГео.147 ... 99Б. Дои:10.1016 / с0009-2541 (97) 00175-7.
• 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. Дои:10.1144 / jgs.157.5.923.
• Порчелли Д., Холлидей, А. (2001). «Ядро как возможный источник мантийного гелия». Письма по науке о Земле и планетах. 192 (1): 45–56. Bibcode:2001E и PSL.192 ... 45P. Дои:10.1016 / s0012-821x (01) 00418-6.

Re – Os

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

внешняя ссылка

• 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 приложений (IDPRA) Программа Министерства энергетики США по производству изотопов, исследования и разработки в области производства