Elementy
Elementy
geochemii
geochemii
izotopów
izotopów
Stanley 2005
Izotopy
Np. atom węgla o liczbie atomowej 6 może mieć liczbę
masową 12, 13 lub 14 w zależności od ilości neutronów;
atomy poszczególnych izotopów to
nuklidy
Stanley 2005
• izotopy –
przypomnieć z poprzednich wykładów
• izobary
- to nuklidy o tej samej liczbie masowej A,
różniące się liczbą atomową Z - np.
3
1
H i
3
2
He
• izotony
- to nuklidy o tej samej liczbie neutronów,
ale różnych liczbach masowych i atomowych - np.
14
6
C,
15
7
N,
16
8
O.
Różne pierwiastki posiadają różne ilości izotopów, przy
czym
-
więcej izotopów mają pierwiastki o parzystej liczbie
atomowej
,
- pierwiastki o nieparzystym Z często mają tylko jeden
izotop.
Wśród naturalnych izotopów :
-
najczęstsze są te, które posiadają parzystą liczbę
protonów i neutronów
, a
- najrzadsze te, które mają nieparzystą ilość zarówno
protonów, jak i neutronów
Wyjątki:
azot - najpospolitszy
14
7
N
beryl - tylko jeden naturalny izotop
9
4
Be
Obecnie znanych jest około 1700 nuklidów (ze
118 pierwiastków), z których tylko około 260
jest trwałych - pozostałe ulegają
rozpadowi
promieniotwórczemu
Rozprzestrzenienie izotopów w przyrodzie
nazywamy
abundancją
W 1896 roku Henry Becquerel
odkrył radioaktywność soli uranu.
W 1903 r Maria Skłodowska-
Curie, jej mąż Piotr i H.Becquerel
otrzymali nagrodę Nobla z fizyki.
W 1911 Maria Skłodowska-Curie
otrzymała nagrodę Nobla z
chemii. W 1935 roku jej córka
Irena również otrzymała nagrodę
Nobla za badanie radioaktywności
W 1896 roku Henry Becquerel
odkrył radioaktywność soli uranu.
W 1903 r
Maria Skłodowska-
Curie
, jej mąż Piotr i H.Becquerel
otrzymali nagrodę Nobla z fizyki.
W 1911
Maria Skłodowska-Curie
otrzymała nagrodę Nobla z
chemii. W 1935 roku jej córka
Irena również otrzymała nagrodę
Nobla za badanie radioaktywności
izotopy
izotopy
promieniotwórcze
promieniotwórcze
trwałe
trwałe
pierwotne
pierwotne
wtórne
wtórne
White 2003
Naturalnie występujące pierwiastki
Naturalnie występujące pierwiastki
promieniotwórcze i produkty ich rozpadu
promieniotwórcze i produkty ich rozpadu
Na Ziemi zawartość
pierwotnych
izotopów
promieniotwórczych,
będących głównym
źródłem ciepła
Ziemi, stopniowo
spada
Źródłem niestabilności jąder atomowych jest nadmiar
lub niedobór neutronów
Źródłem niestabilności jąder atomowych jest nadmiar
lub niedobór neutronów
Nadmiar
Nadmiar
neutronów
neutronów
Niedobór
Niedobór
neutronów
neutronów
Stabilne izotopy lekkich pierwiastków mają N ~ Z
Stabilne izotopy lekkich pierwiastków mają N ~ Z
Nadmiar
Nadmiar
neutronów
neutronów
Niedobór
Niedobór
neutronów
neutronów
Dla cięższych stabilnych izotopów stosunek N/Z rośnie
Dla cięższych stabilnych izotopów stosunek N/Z rośnie
Dla cięższych stabilnych izotopów stosunek N/Z rośnie
Nadmiar
Nadmiar
neutronów
neutronów
Niedobór
Niedobór
neutronów
neutronów
dlaczego?
dlaczego?
Lee 2005
„
„
dolina stabilności”
dolina stabilności”
Lee 2005
Niestabilne izotopy dążą do uzyskania stabilności
poprzez różnego rodzaju
przemiany
promieniotwórcze
, związane z emisją cząstek i/lub
promieniowania. Przemiany te zachodzą dopóki z
pierwotnych
izotopów macierzystych
(
parent
isotope
) nie powstaną trwałe
izotopy potomne
(daughter isotope).
Rodzaj tych przemian zależy
m.in. od tego, czy dany izotop charakteryzuje się
nadmiarem, czy niedoborem neutronów
Rodzaje przemian promieniotwórczych
Rodzaje przemian promieniotwórczych
•
•
rozpad
rozpad
-
-
wydzielenie
wydzielenie
cz
cz
ą
ą
stek
stek
(j
(j
ą
ą
dra
dra
4
4
He)
He)
•
•
rozpad
rozpad
-
-
zmiana
zmiana
ł
ł
adunku j
adunku j
ą
ą
dra, przy
dra, przy
zachowaniu jego masy
zachowaniu jego masy
•
•
rozpad
rozpad
-
-
emisja fotonu,
emisja fotonu,
bez zmiany A i Z
bez zmiany A i Z
•
•
spontaniczny rozpad
spontaniczny rozpad
promieniotw
promieniotw
ó
ó
rczy
rczy
Cobb 2004
Rozpad (przemiana)
Rozpad (przemiana)
Przemianie tej mogą
ulegać jądra atomowe o
dużej masie (> 58) i
niektóre lekkie (
5
2
He,
5
3
Li,
6
4
Be). Wydzielają się
cząstki (2 protony + 2
neutrony), czyli
jądra
4
He
.
Ich energia podczas kolizji
z cząstkami otoczenia
zamienia się w ciepło.
Konsekwencją tej przemiany jest spadek Z o 2 i A o 4
np.
238
92
U
234
90
Th +
4
2
Konsekwencją tej przemiany jest spadek Z o 2 i A o 4
np.
238
92
U
234
90
Th +
4
2
Cobb 2004
Rozpad (przemiana)
Rozpad (przemiana)
241
237
4
95
93
2
Am
Np
He
Cobb 2004
Rozpad (przemiana)
Rozpad (przemiana)
Rozpad ten może przebiegać na
trzy sposoby
,
w zależności od tego, czy dany nuklid ma
nadmiar, czy niedobór neutronów. Kilka
nuklidów może ulegać rozpadowi na
wszystkie trzy sposoby
Rozpad (przemiana)
Rozpad (przemiana)
-
-
Nuklidy charakteryzujące się
nadmiarem neutronów emitują
z jądra ujemnie naładowaną
cząstkę
, identyczną z
elektronem. Powoduje to
zmniejszenie ilości neutronów
i wzrost ilości protonów.
Równocześnie powstaje
antyneutrino
:
p
n
Konsekwencją jest wzrost Z o 1
Ewentualny nadmiar energii powstałego nuklidu jest
emitowany w formie
promieniowania
Cobb 2004
Rozpad (przemiana)
Rozpad (przemiana)
+
+
Nuklidy charakteryzuje się
niedoborem neutronów
emitują z jądra dodatnio
naładowaną cząstkę
(
pozytron
). Powoduje to
zwiększenie ilości neutronów i
spadek ilości protonów.
Równocześnie powstaje
neutrino
:
n
p
Konsekwencją jest spadek Z o 1
Emitowane pozytrony anihilują z elektronami powodując
wydzielenie energii w postaci
promieniowania
Cobb 2004
Wychwyt elektronu (przemiana K)
Wychwyt elektronu (przemiana K)
(E.C.
(E.C.
-
-
electron
electron
capture
capture
)
)
Ma taki sam skutek jak
przemiana
+
n
e
p
Konsekwencją jest spadek Z o 1
Cobb 2004
Nazwa - przemiana K -
pochodzi stąd, że
najczęściej wychwytywany
jest elektron z najbliższej
jądru orbity (K)
Rozpad (przemiana)
Rozpad (przemiana)
3
3
1
2
e
H
He e
11
11
6
5
e
C
B e
7
7
4
3
EC
e
Be e
B
Cobb 2004
Rozpad (przemiana
Rozpad (przemiana
W wyniku tej przemiany, towarzyszącej zwykle
innym rozpadom, emitowane są
fotony
.
A i Z nie ulegają zmianie
Cobb 2004
Spontaniczny rozpad promieniotwórczy
Spontaniczny rozpad promieniotwórczy
(SF
(SF
-
-
spontaneous
spontaneous
fission
fission
)
)
Ulegają mu niektóre ciężkie nuklidy - np. izotopy U i
transuranowców. Rozpadają się na dwa różnej wielkości
fragmenty z wydzieleniem dużej ilości energii.
256
140
112
100
54
46
4
sf
Fm
Xe
Pd
n
Taki rozpad może być też wymuszony, np.
bombardowaniem atomów
235
U neutronami wywołując
reakcję łańcuchową. Rozpadowi temu towarzyszy emisja
promieniowania i X
n
Cs
Rb
n
U
2
141
55
93
37
235
92
Cząstki alfa są najcięższe i mogą powodować
uszkodzenia
struktury kryształów
w sąsiedztwie źródła promieniowania
ale mają niewielką przenikliwość. Najbardziej przenikliwe
jest promieniowanie X, promieniowanie gamma i
promieniowanie kosmiczne, o dużej energii i krótkiej fali
Szybkość rozpadu promieniotwórczego nuklidu jest
proporcjonalna do ilości atomów tego nuklidu
Prawo promieniotwórczości
Prawo promieniotwórczości
(
(
Rutheford
Rutheford
&
&
Soddy
Soddy
, 1902)
, 1902)
N
dt
dN
- stała proporcjonalności -
stałą rozpadu
(inna dla
każdego nuklidu promieniotwórczego)
znak minus oznacza, że
prędkość rozpadu maleje z czasem
N
dt
dN
Prędkość
reakcji
[N]
Czas
[N]
N => D
-
czas połowicznego rozpadu
(czas
potrzebny do zaniku połowy atomów
promieniotwórczych)
2
ln
2
/
1
t
- prędkość reakcji zaniku jest
proporcjonalna liniowo do stężenia
rozpadającego się nuklidu
PODSTAWY GEOCHRONOLOGII
PODSTAWY GEOCHRONOLOGII
PODSTAWY GEOCHRONOLOGII
PODSTAWY GEOCHRONOLOGII
Radiometryczne datowanie minerałów i skał
pozwala na ustalenie „bezwzględnego” wieku
utworów i niektórych procesów geologicznych.
Podstawą teoretyczną zastosowania radioizotopów
do oznaczania wieku jest stwierdzenie, że
szybkość przemiany promieniotwórczej jest stała,
bez względu na zmiany ciśnienia, temperatury
i reakcje chemiczne
PODSTAWY GEOCHRONOLOGII
U podstaw radiometrycznej geochronologii leży fakt,
że z upływem czasu geologicznego ubywa pewnych
izotopów (macierzystych izotopów ulegających
samorzutnemu rozpadowi) a jednocześnie w wyniku
tego procesu przybywa innych izotopów (produktów
samorzutnego rozpadu). Znając stałą prędkości
rozpadu i mierząc dzisiejsze wzajemne proporcje
izotopów można wyznaczyć czas jaki upłynął od
krystalizacji (lub rekrystalizacji) datowanych
minerałów czy skał
PODSTAWY GEOCHRONOLOGII
U podstaw radiometrycznej geochronologii leży fakt,
że
z upływem czasu geologicznego ubywa pewnych
izotopów
(macierzystych izotopów ulegających
samorzutnemu rozpadowi) a
jednocześnie w wyniku
tego procesu przybywa innych izotopów
(produktów
samorzutnego rozpadu). Znając stałą prędkości
rozpadu i mierząc dzisiejsze wzajemne proporcje
izotopów można wyznaczyć czas jaki upłynął od
krystalizacji (lub rekrystalizacji) datowanych
minerałów czy skał
)
1
(
t
e
N
D
N
N
N
D
D
D
mierzymy
znamy
szukany czas
Koncepcja czasu połowicznego rozpadu
Koncepcja czasu połowicznego rozpadu
PODSTAWY GEOCHRONOLOGII
Ważne jest, by izotopy radiogeniczne (czyli produkty
rozpadu promieniotwórczego) nie „uciekały” z
minerału np. poprzez procesy dyfuzji. W takim
przypadku ich zawartość w minerale jest mniejsza niż
wynikająca z wieku, a konsekwencją jest otrzymanie
wieku zawyżonego. Dyfuzji, a zatem i ucieczce
produktów rozpadu sprzyjają wysokie temperatury,
jednak poniżej tzw. temperatury zamknięcia struktura
minerału staje się układem zamkniętym i nie pozwala
na dyfuzję pierwiastków do otoczenia
PODSTAWY GEOCHRONOLOGII
Ważne jest, by izotopy radiogeniczne (czyli produkty
rozpadu promieniotwórczego) nie „uciekały” z
minerału np. poprzez procesy dyfuzji. W takim
przypadku ich zawartość w minerale jest mniejsza niż
wynikająca z wieku, a konsekwencją jest otrzymanie
wieku zawyżonego
. Dyfuzji, a zatem i ucieczce
produktów rozpadu sprzyjają wysokie temperatury,
jednak poniżej tzw.
temperatury zamknięcia
struktura
minerału staje się układem zamkniętym i nie pozwala
na dyfuzję pierwiastków do otoczenia
Jak zmienia się skład izotopowy w historii skały magmowej?
Jak zmienia się skład izotopowy w historii skały magmowej?
magma
minerał
krystalizujący z
magmy
skała magmowa
izotopy promieniotwórcze
izotopy trwałe
izotopy promieniotwórcze
izotopy trwałe
prom. izotopy pierwotne
trwałe izotopy potomne
a)
Stopiona magma jest homogeniczną mieszaniną.
b)
W momencie
krystalizacji w strukturę niektórych minerałów wchodzą śladowe ilości
nietrwałych izotopów promieniotwórczych.
c)
Ilość atomów
promieniotwórczych
z upływem czasu
maleje (granatowe kropki) a
przybywa produktów przemiany (czerwone kropki)
Jak zmienia się skład izotopowy w historii skały metamorficznej?
Jak zmienia się skład izotopowy w historii skały metamorficznej?
a) Minerał krystalizował w
skale magmowej 700 mil. lat
temu. b) Po upływie 300 Ma
(czyli 400 milionów lat temu)
powstało trochę produktów
przemiany promieniotwórczej,
jednakże metamorfizm 350
mil. lat temu (c) spowodował
utratę tych produktów
przemiany i zresetowanie
zegara radiogenicznego.
d) Dzisiejsze datowanie
minerału wyseparowanego ze
skały pozwoli ustalić wiek
metamorfizmu (podczas gdy
datowanie całej skały pozwoli
ustalić wiek krystalizacji
protolitu magmowego 700Ma)
a)
Minerał krystalizował w
skale magmowej 700 mil. lat
temu.
b)
Po upływie 300 Ma
(czyli 400 milionów lat temu)
powstało trochę produktów
przemiany promieniotwórczej,
jednakże metamorfizm 350
mil. lat temu
(c)
spowodował
utratę tych produktów
przemiany i zresetowanie
zegara radiogenicznego.
d)
Dzisiejsze datowanie
minerału wyseparowanego ze
skały pozwoli ustalić wiek
metamorfizmu (podczas gdy
datowanie całej skały pozwoli
ustalić wiek krystalizacji
protolitu magmowego 700Ma)
Niektóre izotopy wykorzystywane w geochronologii
Niektóre izotopy wykorzystywane w geochronologii
S
tan
le
y
2005
Oznaczenia zawartości izotopów
Oznaczenia zawartości izotopów
Oznaczenia izotopowe wykonuje się z użyciem
spektrometru
masowego (MS)
. Jest to urządzenie pozwalające odróżniać i zliczać
pojedyncze atomy według ich masy: może więc osobno oznaczać
izotopy tego samego pierwiastka
Oznaczenia zawartości izotopów
Oznaczenia zawartości izotopów
Badaną substancję w postaci gazu wprowadza się do komory
próżniowej i jonizuje strumieniem elektronów. Strumień jonów
dodatnich jest przyspieszany w polu elektrycznym. Ich bieg odchyla
się pod wpływem pola magnetycznego w różnym stopniu w
zależności od ich masy
Metoda K-Ar
Minerały zawierające K nie zawierają w swym składzie Ar
w momencie krystalizacji. Dzisiejsza obecność Ar jest
jedynie wynikiem przemiany promieniotwórczej
40
K.
Mierząc zawartość
40
Ar w próbce i wyznaczając zawartość
40
K można obliczyć jak długo Ar akumuluje się w próbce
(a więc ile lat minęło od krystalizacji):
40
K
40
Ar
40
Ca
wychw
yt K
)
1
(
117
,
0
40
40
t
e
K
Ar
t
1/2
= 1,3·10
9
lat
Metoda K-Ar
• K jest pierwiastkiem powszechnym, Ar unikalnym w
minerałach i skałach
• można wyznaczać
wiek minerałów
(miki, hornblenda,
K-skalenie) i
całych skał
(np. szkliwo w bazaltach)
• datując
minerały autigeniczne
(glaukonit, illit, sole
potasowe) można wyznaczyć wiek skał osadowych
• duży zakres stosowalności -
od wieku Ziemi do ok. 5000
lat
• wadą jest że
nie ma pewności, czy argon nie ulotnił się
częściowo z sieci krystalicznej minerału w wyniku
późniejszych przemian metamorficznych itp.. procesów
• wadą jest też
że nie ma sposobu aby stwierdzić czy argon
ulotnił się czy nie w wiec nigdy nie wiemy, czy oznaczony
wiek ma sens geologiczny, czy też jest przypadkowym
uśrednieniem dat powstania minerału, skały i
późniejszych przemian metamorficznych
Metoda Rb-Sr
Sr
Rb
87
38
87
37
t
1/2
= 48,6·10
9
lat
)
1
(
87
87
_
87
t
pocz
dziś
zmierzone
e
Rb
Sr
Sr
Metoda Rb-Sr
)
1
(
87
0
87
87
t
zmierzone
e
Rb
Sr
Sr
)
1
(
86
87
0
86
87
86
87
t
e
Sr
Rb
Sr
Sr
Sr
Sr
Ponieważ przy użyciu spektroskopów masowych
łatwiej (i dokładniej) można zmierzyć proporcje izotopów,
we wzorach stosuje się stosunek dwóch izotopów:
ale mamy dwie niewiadome!?
ale mamy dwie niewiadome!?
Metoda Rb-Sr
)
1
(
86
87
0
86
87
86
87
t
e
Sr
Rb
Sr
Sr
Sr
Sr
y
b
x
a
=
+
obecnie
początkowo
obecnie
Datowanie tą metodą polega na
wykreśleniu
IZOCHRONY
: linii
ewolucji izotopów Sr i Rb. Dlatego
do datowania trzeba wykorzystać
co najmniej dwa minerały, które
mają różny skład a więc różne
zawartości izotopów ale ten sam
wiek - dostajemy układ dwóch
równań z dwiema niewiadomymi.
Metoda Rb-Sr
Wyznaczone względne
zawartości izotopów są
nanoszone na wykres w
postaci linii prostej
zwanej
izochroną
– z jej
nachylenia
a
wyznacza
się wiek badanych
próbek
)
1
(
86
87
0
86
87
86
87
t
e
Sr
Rb
Sr
Sr
Sr
Sr
obecnie
y
b
x
a
=
+
początkowo
obecnie
Powyższy wykres przedstawia
wyniki analizy całej skały (TR)
oraz wyniki analiz trzech
minerałów: A, B i C
wyseparowanych z tej skały.
Metoda Rb-Sr
Rubid jest często obecny w
minerałach zawierających potas,
dlatego oprócz datowania skał
wykonuje się również datowania
separatów mineralnych
muskowitu
,
biotytu
czy
skaleni potasowych
.
Metodę stosuje się najczęściej do
kompleksów skał magmowych lub
metamorficznych. Udaje się też
datować autigeniczny
glaukonit
w
skałach osadowych. Datowane
minerały nie mogą zawierać wapnia,
gdyż Ca często towarzyszy Sr
Metoda U-Th-Pb
Ta metoda jest najbardziej skomplikowaną ale i jedną z
najbardziej użytecznych. Wykorzystuje jednocześnie
serie promieniotwórcze uranu i toru prowadzące do
powstania izotopów ołowiu:
238
U =>
206
Pb + 8 + 6;
t
1/2
= 4.51 · 10
9
lat
235
U =>
207
Pb + 7 + 4;
t
1/2
= 0.71 · 10
9
lat
232
Th =>
208
Pb + 6 + 4;
t
1/2
= 13.9 · 10
9
lat
(
206
Pb/
204
Pb)
t
= (
206
Pb/
204
Pb)
o
+ (
238
U/
204
Pb)
t
(e
t
– 1)
obecnie początkowo
obecnie
Brownlow 1996
Rozpad
Rozpad
235
235
U do trwałego
U do trwałego
207
207
Pb
Pb
Rozpad
Rozpad
238
238
U do trwałego
U do trwałego
206
206
Pb
Pb
Stosuje się głównie do datowania
cyrkonu
,
apatytu
,
monacytu
czy
tytanitu
ze skał magmowych i
metamorficznych.
Minerały te mają pozycje
strukturalne zdolne pomieścić
niekompatybilne jony uranu i
toru, natomiast w chwili powstania
nie zawierają w sobie pierwotnego
ołowiu: cały oznaczany ołów jest
pochodzenia radiogenicznego!
Metoda U-Th-Pb
Oznaczony wiek podaje czas
krystalizacji cyrkonu tylko wtedy, gdy
w międzyczasie nie nastąpiła
częściowa
utrata radiogenicznego ołowiu
w wyniku metamorfizmu czy
wietrzenia.
Ta sama wada metody co K-Ar?
NIE!
Udało się potencjalną wadę metody
obrócić w jej największą zaletę!!
Metoda U-Th-Pb
A więc jeszcze raz:
Oznaczony wiek podaje czas krystalizacji
cyrkonu tylko wtedy, gdy w międzyczasie
nie nastąpiła częściowa
utrata
radiogenicznego ołowiu
w wyniku
metamorfizmu czy wietrzenia. Jeśli dwa
lub więcej oznaczeń wieku nie zgadzają
się ze sobą, oznaczenia U-Pb można
wykorzystać nie tylko do wyznaczenia
wieku krystalizacji
ale i
czasu
metamorfizmu
, który spowodował ten
ubytek. Możliwe jest nawet oznaczanie
kolejnych dat epizodów wzrostu
poszczególnych stref pojedynczego ziarna
zonalnego cyrkonu.
Metoda U-Th-Pb
Metoda U-Th-Pb
Na osi X jest stosunek innych izotopów ołowiu i uranu niż na osi Y.
Natomiast skala wieku podana jest na krzywej zwanej CONCORDIĄ.
Krzywa ta jest wyliczona teoretycznie.
Jeśli cyrkony nie straciły CZĘŚCIOWO izotopów od momentu powstania to
ich wiek uplasuje się na concordii.
Na osi X jest stosunek innych izotopów ołowiu i uranu niż na osi Y.
Natomiast skala wieku podana jest na krzywej zwanej CONCORDIĄ.
Krzywa ta jest wyliczona teoretycznie.
Jeśli cyrkony nie straciły CZĘŚCIOWO izotopów od momentu powstania to
ich wiek uplasuje się na concordii.
Concordia
Concordia
Metoda U-Th-Pb
Oznaczenia wieku różnych ziaren cyrkonu z ubytkiem Pb
układają się na prostej zwanej dyskordią.
T1 podaje datę krystalizacji a T2 czas metamorfizmu (moment
częściowej utraty ołowiu).
Oznaczenia wieku różnych ziaren cyrkonu z ubytkiem Pb
układają się na prostej zwanej
dyskordią
.
T1 podaje datę krystalizacji a T2 czas metamorfizmu (moment
częściowej utraty ołowiu).
Dyskordia
Dyskordia
Concordia
Concordia
DATOWANIE METODĄ Ar-Ar
Jedną z wspomnianych uprzednio wad
datowania
K-Ar
jest
potencjalne
otrzymywanie błędnie młodszych dat w
wyniku dyfuzji i utraty argonu ze
struktury kryształu. Modyfikacją metody,
która pozwala ominąć tę trudność jest
metoda
40
Ar-
39
Ar. Wykorzystuje się tu
promieniotwórczość wzbudzoną.
DATOWANIE METODĄ Ar-Ar
Jedną z wspomnianych uprzednio wad
datowania
K-Ar
jest
potencjalne
otrzymywanie błędnie młodszych dat w
wyniku dyfuzji i utraty argonu ze
struktury kryształu.
Modyfikacją metody,
która pozwala ominąć tę trudność jest
metoda
40
Ar-
39
Ar. Wykorzystuje się tu
promieniotwórczość wzbudzoną.
Jak zmienia się skład izotopowy w historii skały metamorficznej?
Jak zmienia się skład izotopowy w historii skały metamorficznej?
Epizod metamorficzny może
być na tyle słaby, że spowo-
duje tylko częściowe zreseto-
wanie zegara (częściową
homogenizacje minerału z
resztą skały). Taki minerał
przy datowaniu np. metodą
K-Ar da wypadkowy wynik
pomiędzy 350 a 700 Ma,
którego nie da się zinterpre-
tować geologicznie. Tej wady
pozbawiona jest metoda Ar-
Ar, pozwalająca zidentyfiko-
wać częściowe zresetowanie i
oznaczyć poprawny wiek.
Epizod metamorficzny może
być na tyle słaby, że spowo-
duje tylko częściowe zreseto-
wanie zegara (częściową
homogenizacje minerału z
resztą skały). Taki minerał
przy datowaniu np. metodą
K-Ar da wypadkowy wynik
pomiędzy 350 a 700 Ma,
którego nie da się zinterpre-
tować geologicznie. Tej wady
pozbawiona jest metoda Ar-
Ar, pozwalająca zidentyfiko-
wać częściowe zresetowanie i
oznaczyć poprawny wiek.
DATOWANIE METODĄ Ar-Ar
W metodzie tej próbkę poddaje się napromie-
niowaniu neutronami w reaktorze powodując
przemianę części trwałego
39
K w izotop
39
Ar.
Następnie próbka jest stopniowo podgrzewana
od 500
o
C do około 1000
o
C co 50 stopni. Po
każdym podgrzaniu mierzony jest w spektro-
metrze masowym stosunek izotopów argonu
wydzielających się z próbki w wyniku grzania.
DATOWANIE METODĄ Ar-Ar
W metodzie tej próbkę poddaje się napromie-
niowaniu neutronami w reaktorze powodując
przemianę części trwałego
39
K w izotop
39
Ar.
Następnie próbka jest
stopniowo
podgrzewana
od 500
o
C do około 1000
o
C co 50 stopni. Po
każdym podgrzaniu mierzony jest w spektro-
metrze masowym stosunek izotopów argonu
wydzielających się z próbki w wyniku grzania.
DATOWANIE METODĄ Ar-Ar
DATOWANIE METODĄ Ar-Ar
Otrzymany
wykres pozwala
wyznaczyć wiek
próbki z
pominięciem
początkowych
punktów
pomiarowych
świadczących o
częściowej
utracie argonu.
Otrzymany
wykres pozwala
wyznaczyć wiek
próbki z
pominięciem
początkowych
punktów
pomiarowych
świadczących o
częściowej
utracie argonu.
TEMOCHRONOLOGIA
W termochronologii wykorzystuje się te
techniki datowania, dla których można
określić w jakiej temperaturze następuje
włączenie się „zegara radiogenicznego”.
Jest to tzw. temperatura zamknięcia, poniżej
której minerał staje się zamknięty na dyfuzję
produktów przemiany promieniotwórczej.
TEMOCHRONOLOGIA
W termochronologii wykorzystuje się te
techniki datowania, dla których można
określić w jakiej temperaturze następuje
włączenie się „zegara radiogenicznego”.
Jest to tzw.
temperatura zamknięcia
, poniżej
której minerał staje się zamknięty na dyfuzję
produktów przemiany promieniotwórczej.
TEMOCHRONOLOGIA
Wyznaczone
metodą
Ar-Ar
daty
określają:
KIEDY OSTATNI RAZ MINERAŁ
OSTYGŁ PONIŻEJ TEMPERATURY
ZAMKNIĘCIA.
Pozwala
to
odtworzyć
historię
metamorficzną kompleksu lub określić
tempo stygnięcia skał wulkanicznych.
TEMOCHRONOLOGIA
Wyznaczone
metodą
Ar-Ar
daty
określają:
KIEDY OSTATNI RAZ MINERAŁ
OSTYGŁ PONIŻEJ TEMPERATURY
ZAMKNIĘCIA.
Pozwala
to
odtworzyć
historię
metamorficzną kompleksu lub określić
tempo stygnięcia skał wulkanicznych.
TERMOCHRONOLOGIA METODĄ Ar-Ar
Jeśli na skutek metamorfizmu skała
zostanie ogrzana do temperatury
kilkuset stopni zakumulowany w niej
Ar ulotni się ze struktury minerałów
na drodze dyfuzji: data jego powstania
zostanie wymazana.
TERMOCHRONOLOGIA METODĄ Ar-Ar
Jeśli na skutek metamorfizmu skała
zostanie ogrzana do temperatury
kilkuset stopni zakumulowany w niej
Ar ulotni się ze struktury minerałów
na drodze dyfuzji:
data jego powstania
zostanie wymazana.
TERMOCHRONOLOGIA METODĄ Ar-Ar
Dopiero po ochłodzeniu poniżej temperatury
zamknięcia na dyfuzję argonu (różnej dla
różnych minerałów) Ar znów zaczyna się
akumulować. Dlatego datując różne minerały
skały metamorficznej można otrzymać różne
daty (w zależności od temperatury zamknięcia
minerału) umożliwiające określenie stopnia
metamorfizmu lub szybkości studzenia.
TERMOCHRONOLOGIA METODĄ Ar-Ar
Dopiero po ochłodzeniu
poniżej temperatury
zamknięcia na dyfuzję argonu (różnej dla
różnych minerałów) Ar znów zaczyna się
akumulować.
Dlatego datując różne minerały
skały metamorficznej można otrzymać różne
daty
(w zależności od temperatury zamknięcia
minerału) umożliwiające określenie stopnia
metamorfizmu lub szybkości studzenia.
TEMOCHRONOLOGIA
TEMOCHRONOLOGIA
Często częściowa utrata
argonu zarejestrowana
na wykresie może być
zinterpretowana
jako
wiek
metamorfizmu.
Wykresy przedstawiają
oznaczenia wieku Ar-Ar
dla muskowitu (400 Ma)
i hornblendy (600 Ma) z
tej samej skały (tempe-
ratura zamknięcia mus-
kowitu
ok. 350
o
C, a
hornblendy ok. 500
o
C).
Często częściowa utrata
argonu zarejestrowana
na wykresie może być
zinterpretowana
jako
wiek
metamorfizmu.
Wykresy przedstawiają
oznaczenia wieku Ar-Ar
dla muskowitu (400 Ma)
i hornblendy (600 Ma) z
tej samej skały (tempe-
ratura zamknięcia mus-
kowitu
ok. 350
o
C, a
hornblendy ok. 500
o
C).
616 Ma
616 Ma
432 Ma
432 Ma
400 Ma
400 Ma
Muskowit
Hornblenda
Wi
ek
M
a
Wi
ek
M
a
TEMOCHRONOLOGIA
TEMOCHRONOLOGIA
Możemy wywnioskować,
że przed 616Ma był
silniejszy metamorfizm
(powyżej 500
o
C), który
wymazał starszą historię
zarówno muskowitu jak
i hornblendy. Następnie
był jeszcze słaby epizod
ok. 400Ma, którego tem-
peratura była powyżej
350
o
C (zresetował mus-
kowit) ale poniżej 500
o
C
(nie zresetował
horn-
blendy).
Możemy wywnioskować,
że przed 616Ma był
silniejszy metamorfizm
(powyżej 500
o
C), który
wymazał starszą historię
zarówno muskowitu jak
i hornblendy. Następnie
był jeszcze słaby epizod
ok. 400Ma, którego tem-
peratura była powyżej
350
o
C (zresetował mus-
kowit) ale poniżej 500
o
C
(nie zresetował
horn-
blendy).
616 Ma
616 Ma
432 Ma
432 Ma
400 Ma
400 Ma
Muskowit
Hornblenda
Wi
ek
M
a
Wi
ek
M
a
wiek mln lat temp. zam.
Hornblenda:
11.8
525
o
C
Biotyt:
10.8
275
o
C
Cyrkon:
8.3-8.9
175
o
C
Apatyt:
8.1-9.1
125
o
C
od temp. ponad 500
O
C do 100
O
C w 4 mln lat
wiek mln lat temp. zam.
Hornblenda:
11.8
525
o
C
Biotyt:
10.8
275
o
C
Cyrkon:
8.3-8.9
175
o
C
Apatyt:
8.1-9.1
125
o
C
od temp. ponad 500
O
C do 100
O
C w 4 mln lat
Termochronologiczne określenie tempa
studzenia z oznaczeń wieku i znajomości
temperatury zamknięcia:
kiedy ostatni
raz minerał ostygł poniżej temperatury
zamknięcia
.
Metoda CHIME – datowanie monacytów
in-situ w szlifach petrograficznych
Metoda CHIME (CHemical Th-U-Total Pb Isochron
MEthod) jest przykładem nieizotopowej metody
bezwzględnego datowania minerałów. Można ją
stosować do minerałów zawierających Th lub U, w
których cały Pb jest pochodzenia radiogenicznego.
Metodę stosuje się głównie do monacytu CePO
4
.
Można ją też zastosować do następujących minerałów:
uraninit UO
2
, huttonit ThSiO
4
, thoryt ThSiO
4
, cyrkon
ZrSiO
4
, a także ksenotym YPO
4
i
allanit (Ca,Ce,Y,La)
2
FeAl
2
[O|OH|SiO
4
|Si
2
O
7
]
Metoda
CHIME
(
CH
emical Th-U-Total Pb
I
sochron
ME
thod
) jest przykładem nieizotopowej metody
bezwzględnego datowania minerałów. Można ją
stosować do minerałów zawierających Th lub U, w
których cały Pb jest pochodzenia radiogenicznego.
Metodę stosuje się głównie do
monacytu CePO
4
.
Można ją też zastosować do następujących minerałów:
uraninit
UO
2
,
huttonit
ThSiO
4
,
thoryt
ThSiO
4
,
cyrkon
ZrSiO
4
, a także
ksenotym
YPO
4
i
allanit
(Ca,Ce,Y,La)
2
FeAl
2
[O|OH|SiO
4
|Si
2
O
7
]
Metoda CHIME
Oznaczane są zawartości Th, U i Pb przy pomocy mikrosondy
elektronowej (EMP) lub mikrosondy jonowej (SHRIMP)
bezpośrednio w szlifach mikroskopowych
Oznaczane są zawartości Th, U i Pb przy pomocy
mikrosondy
elektronowej
(EMP) lub
mikrosondy jonowej
(SHRIMP)
bezpośrednio w szlifach mikroskopowych
Metoda CHIME
Spontaniczny rozpad U powoduje
lokalne zniszczenia struktury
krystalicznej. Te niewielkie (do 10
m) kanaliki są powiększane przez
trawienie w kwasach lub ługach a
następnie liczone pod mikroskopem:
ich gęstość jest proporcjonalna do
ilości U w próbce i do jej wieku
Metoda „
Metoda „
fission
fission
tracks
tracks
”
”
Metodę tą stosuje się m.in.
do
mik, apatytu, tytanitu,
epidotu, cyrkonu, szkliwa
wulkanicznego
. Szczególnie
użyteczna dla młodych
próbek (50 tys. do 10 mln
lat)
cyrkon
mika
White 2003
Przemiany jądrowe i powstawanie nowych nuklidów mogą
być powodowane przez
bombardowanie jąder atomowych
różnymi cząstkami - neutronami, protonami, czy
promieniowaniem kosmicznym. Takie zjawiska zachodzą
w naturze - np. powstawanie izotopów
14
C,
10
Be,
26
Al
w
atmosferze Ziemi. Można je także wywoływać sztucznie i
wykorzystywać do celów analitycznych - np.
neutronowa
analiza aktywacyjna INAA, datowanie metodą Ar-Ar.
Promieniotwórczość wzbudzona
Promieniotwórczość wzbudzona
Promieniowanie kosmiczne, składające się m.in. z
szybkich protonów, neutronów i innych cząstek stanowi
naturalne źródło promieniowania oddziaływujące z
atomami wyższych warstw atmosfery. Rezultatem tego
oddziaływania jest m.in.
powstawanie promieniotwórczego izotopu węgla
14
C.
Promieniowanie kosmiczne jest zabójcze dla życia, ale
chroni nas przed nim atmosfera i ziemskie pole
magnetyczne
Promieniotwórczość wzbudzona
Promieniotwórczość wzbudzona
promieniowaniem kosmicznym
promieniowaniem kosmicznym
Pod wpływem promieniowania
kosmicznego w górnych warstwach
atmosfery stale powstaje
promieniotwórczy izotop
14
C:
p
C
n
N
1
1
14
6
1
0
14
7
Przemiana beta powoduje jego rozpad z
powrotem do trwałego izotopu azotu
14
N:
N
C
14
7
14
6
n
n
p
p
p
p
p
14
N
4
He
3
He
3
He
14
C
promieniowanie
kosmiczne
jądro atomu
t
1/2
= 5730 lat
Izotop
14
C jest stale
tworzony z atomów
azotu pod wpływem
promieni kosmicznych.
Rozpada się w
przemianie beta z
powrotem do
14
N z t
1/2
=
5730 lat. Żywe
organizmy mają takie
same proporcje
izotopów węgla jakie są
w całym środowisku.
Izotop
14
C jest stale
tworzony z atomów
azotu pod wpływem
promieni kosmicznych.
Rozpada się w
przemianie beta z
powrotem do
14
N z t
1/2
=
5730 lat. Żywe
organizmy mają takie
same proporcje
izotopów węgla jakie są
w całym środowisku.
n
n
p
p
p
p
p
14
N
4
He
3
He
3
He
14
C
14
C
promieniowanie
kosmiczne
jądro atomu
tlen
+
fotosynteza
6H
2
O+6CO
2
+
C
6
H
12
O
6
+ 6O
2
Zawartość kosmogenicznego
14
C w
atmosferze i w żywych organizmach
jest stała (organizmy wymieniają
CO
2
z atmosferą) .
Po śmierci metabolizm ustaje i
organizmy nie wymieniają już węgla
z otoczeniem - ilość
14
C
systematycznie maleje
Jeśli ilość
14
C maleje od chwili śmierci organizmu,
można wyznaczyć tą chwilę, mierząc
promieniotwórczość próbki, która maleje
systematycznie z zanikiem promieniotwórczego węgla.
Datowanie metodą
14
C ma ogromne zastosowanie do
najmłodszych utworów geologicznych (do 100 000 lat)
oraz w geoarcheologii. Metodę można stosować jedynie
do substancji organicznych jak drewno, skóra, torf,
papier, szczątki owoców, materiał organiczny w młodych
osadach jezior i oceanów
np. tzw całun turyński - wczesne średniowiecze
Cobb 2004
Najstarsze skały na Ziemi
Najstarsze skały na Ziemi
Valley 2006 (Świat Nauki 01/2006)
Najstarsze minerały na Ziemi
Najstarsze minerały na Ziemi
Najstarszym znanym obecnie ziemskim materiałem są
cyrkony z Jack Hills
w Australii.
Występują one w obrębie czerwonych kwarcytów i
metakonglomeratów (zmetamorfizowanych zlepieńców).
Najstarszy z nich datowany został metodą U-Pb na 4,4 mld lat
Najstarsze minerały na Ziemi
Najstarsze minerały na Ziemi
Najstarszym znanym obecnie ziemskim materiałem są
cyrkony z Jack Hills
w Australii.
Występują one w obrębie czerwonych kwarcytów i
metakonglomeratów (zmetamorfizowanych zlepieńców).
Najstarszy z nich datowany został metodą U-Pb na 4,4 mld lat
Najstarsze minerały na Ziemi
Najstarsze minerały na Ziemi
Najstarszym znanym obecnie ziemskim materiałem są
cyrkony z Jack Hills
w Australii.
Występują one w obrębie czerwonych kwarcytów i
metakonglomeratów (zmetamorfizowanych zlepieńców).
Najstarszy z nich datowany został metodą U-Pb na 4,4 mld lat
Dyskordia
Dyskordia
Concordia
Concordia
Datowania niektórych meteorytów
Datowania niektórych meteorytów
metodami U
metodami U
-
-
Pb i Rb
Pb i Rb
-
-
Sr dały wiek około 4.6
Sr dały wiek około 4.6
miliardów lat. Podobnie stare są skały
miliardów lat. Podobnie stare są skały
księżycowe
księżycowe
-
-
liczą 3.3 do 4.6 miliardów lat
liczą 3.3 do 4.6 miliardów lat
Powszechnie więc uznaje się
Powszechnie więc uznaje się
~ 4.55 miliarda lat za wiek Ziemi
~ 4.55 miliarda lat za wiek Ziemi
Izotopy stałe
Izotopy stałe
Spośród wielu stałych izotopów w naturze tylko
te z nich mają rzeczywiste znaczenie w geochemii,
które:
- są wystarczająco powszechne
- występują zarówno w płaszczu, jak i skorupie
ziemskiej, hydrosferze, atmosferze i biosferze
- tworzą różnorodne związki chemiczne w stanie
stałym, ciekłym i gazowym
Spośród wielu
stałych izotopów
w naturze tylko
te z nich mają rzeczywiste znaczenie w geochemii,
które:
- są wystarczająco powszechne
- występują zarówno w płaszczu, jak i skorupie
ziemskiej, hydrosferze, atmosferze i biosferze
- tworzą różnorodne związki chemiczne w stanie
stałym, ciekłym i gazowym
Do pierwiastków, których stałe izotopy są ważnymi
wskaźnikami geochemicznymi należą przede wszystkim:
wodór
,
tlen
,
węgiel
,
azot
i
siarka
. Każdy z nich składa się
z kilku trwałych izotopów. Ich związki tworzą więc
cząsteczki o różnej masie cząsteczkowej.
Np. istnieje
9 odmian wody
: H
2
16
O, H
2
17
O, H
2
18
O, D
2
16
O,
D
2
17
O, D
2
18
O, HD
16
O, HD
17
O, HD
18
O,
10 odmian
dwutlenku węgla
etc.
Poza masą, różnią się one - chociaż nieznacznie -
niektórymi właściwościami fizycznymi. Powoduje to, że
w wyniku niektórych procesów geologicznych skład
izotopowy substancji ulega zmianie. Zjawisko to nazywa
się
frakcjonacją izotopową
Zastosowanie izotopów
promieniotwórczych do datowania
materiałów geologicznych wiąże się z
założeniem, że wszystkie izotopy
jednakowo uczestniczą w procesach
geologicznych.
Zastosowanie izotopów stałych jako
wskaźników geochemicznych wiąże się z
założeniem, że te izotopy niejednakowo
uczestniczą w procesach geologicznych,
czyli ulegają frakcjonacji.
Zastosowanie izotopów
promieniotwórczych do datowania
materiałów geologicznych wiąże się z
założeniem, że wszystkie izotopy
jednakowo
uczestniczą w procesach
geologicznych.
Zastosowanie izotopów stałych jako
wskaźników geochemicznych wiąże się z
założeniem, że te izotopy
niejednakowo
uczestniczą w procesach geologicznych,
czyli ulegają frakcjonacji.
Sprzeczność?
Nie ma tu sprzeczności, bo chociaż
wszystkie izotopy (trwałe i
promieniotwórcze) ulegają frakcjonacji,
to w przypadku izotopów
promieniotwórczych zjawisko to jest
zaniedbywalne.
Frakcjonacja zachodzi na dostrzegalną
skalę tylko w przypadku lekkich izotopów,
gdy różnica mas pomiędzy izotopami jest
procentowo bardzo duża.
Nie ma tu sprzeczności, bo chociaż
wszystkie izotopy (trwałe i
promieniotwórcze) ulegają frakcjonacji,
to w przypadku izotopów
promieniotwórczych zjawisko to jest
zaniedbywalne.
Frakcjonacja zachodzi na dostrzegalną
skalę tylko w przypadku lekkich izotopów,
gdy
różnica mas pomiędzy izotopami jest
procentowo bardzo duża
.
• Dla strontu
87
Sr i
86
Sr różnica mas wynosi:
(87-86)/87
.
100% = 1.15%
• Dla tlenu
18
O i
16
O różnica mas wynosi:
(18-16)/18
.
100% = 11.11%
• Dla wodoru
1
H i
2
H różnica mas wynosi:
(2-1)/2
.
100% = 50%
•
•
Dla strontu
Dla strontu
87
87
Sr i
Sr i
86
86
Sr różnica mas wynosi:
Sr różnica mas wynosi:
(87
(87
-
-
86)/87
86)/87
.
.
100% =
100% =
1.15%
1.15%
•
•
Dla tlenu
Dla tlenu
18
18
O i
O i
16
16
O różnica mas wynosi:
O różnica mas wynosi:
(18
(18
-
-
16)/18
16)/18
.
.
100% =
100% =
11.11%
11.11%
•
•
Dla wodoru
Dla wodoru
1
1
H i
H i
2
2
H różnica mas wynosi:
H różnica mas wynosi:
(2
(2
-
-
1)/2
1)/2
.
.
100% =
100% =
50%
50%
• Dla izotopów strontu
87
Sr i
86
Sr różnica
mas 1.15% jest zbyt mała, żeby odgrywać
istotną rolę. Frakcjonacja (choć pewnie
zachodzi) jest niemierzalna.
• Dla izotopów tlenu
18
O i
16
O czy wodoru
1
H i
2
H różnica mas (11.11% i 50%) jest
wystarczająco duża, żeby powodować
mierzalną frakcjonację izotopów.
• Dla izotopów strontu
87
Sr i
86
Sr
różnica
mas 1.15% jest zbyt mała
, żeby odgrywać
istotną rolę. Frakcjonacja (choć pewnie
zachodzi) jest niemierzalna.
• Dla izotopów tlenu
18
O i
16
O czy wodoru
1
H i
2
H
różnica mas (11.11% i 50%) jest
wystarczająco duża
, żeby powodować
mierzalną frakcjonację izotopów.
Dlaczego izotopy ulegają frakcjonacji?
Dlaczego izotopy ulegają frakcjonacji?
Atomy cięższych izotopów tworzą
nieco silniejsze
wiązania kowalencyjne
, zatem związki jakie budują są
nieco trwalsze.
W reakcje chemiczne będą więc
wchodziły łatwiej (szybciej) związki lżejszego izotopu
.
Gdy reakcja zachodzi w układzie otwartym (jest
jednokierunkowa), frakcjonacja może być silna
Procesy dyfuzji, parowania i dysocjacji są szczególnie
wrażliwe na masę atomów.
Lekkie izotopy dyfundują szybciej i łatwiej przechodzą do
fazy gazowej w trakcie parowania.
Procesy
dyfuzji
,
parowania
i
dysocjacji
są szczególnie
wrażliwe na masę atomów.
Lekkie izotopy dyfundują szybciej i łatwiej przechodzą do
fazy gazowej w trakcie parowania.
Dlaczego izotopy ulegają frakcjonacji?
Dlaczego izotopy ulegają frakcjonacji?
W warunkach równowagi zachodzi
wymiana izotopowa
.
Gdy równowaga wymiany izotopów zostanie osiągnięta,
wówczas skład izotopowy związków uczestniczących w
tej wymianie będzie różny, określony prawem działania
mas. Np. wymiana izotopów tlenu między wodą morską
a kalcytem:
H
2
18
O+1/3CaC
16
O
3
H
2
16
O + 1/3CaC
18
O
3
Przedstawianie składu izotopowego
Przedstawianie składu izotopowego
Stosunki izotopowe można przedstawiać w formie
ułamkowej. Jest to jednak niewygodne - np. stosunek
izotopów tlenu w powietrzu wynosi:
18
O/
16
O = 1/489
,
a w skałach
18
O/
16
O = 1/475 do 1/525
. Aby uniknąć
niewygodnych dużych ułamków przedstawia się skład
izotopowy nieco inaczej:
1000
1
wzorcu
we
próbce
w
[‰]
16
18
16
18
18
O
O
O
O
O
Przedstawianie składu izotopowego
Przedstawianie składu izotopowego
(czytaj: delta) wskazuje na promil odchylenia stosunku
izotopowego próbki od wzorca
dodatnie wartości wzbogacenie w ciężki izotop
ujemne wartości wzbogacenie w lekki izotop
(czytaj: delta) wskazuje na promil odchylenia stosunku
izotopowego próbki od wzorca
dodatnie wartości
wzbogacenie w
ciężki
izotop
ujemne wartości
wzbogacenie w
lekki
izotop
1000
1
wzorcu
we
próbce
w
[‰]
16
18
16
18
18
O
O
O
O
O
Przedstawianie składu izotopowego
Przedstawianie składu izotopowego
R - oznacza stosunek izotopów
18
O/
16
O
np.
18
O
kwarc
= +10 ‰ oznacza kwarc wzbogacony w
18
O („ciężki kwarc”)
18
O
deszcz
= -50 ‰ woda deszczowa o mniejszej
zawartości
18
O niż wzorzec („lekka woda”)
‰
1000
wzorcu
we
R
wzorcu
we
R
próbce
w
18
R
O
Porównywanie wyników oznaczeń
stosunków izotopów stałych jest
możliwe tylko wtedy, gdy do
przeliczeń i prezentacji danych
używane są te same wzorce.
Wzorcami są pewne wybrane
naturalne próbki – są to wzorce
umowne
Porównywanie wyników oznaczeń
stosunków izotopów stałych jest
możliwe tylko wtedy, gdy do
przeliczeń i prezentacji danych
używane są
te same wzorce.
Wzorcami są pewne wybrane
naturalne próbki – są to wzorce
umowne
SMOW
SMOW
(
(
Standard
Standard
Mean
Mean
Ocean
Ocean
Water
Water
)
)
-
-
woda
woda
oceaniczna, wzorzec dla
oceaniczna, wzorzec dla
tlenu
tlenu
i
i
wodoru
wodoru
PDB
Pee Dee Belemnite
-
kalcyt z rostrum
belemnita
Belemnitella
Americana z kredowej
formacji Pee Dee w
Karolinie
Południowej (USA) -
wzorzec dla
węgla
i
tlenu
w minerałach
węglanowych
CDT
CDT
-
-
troilit (
troilit (
FeS
FeS
) z meteorytu metalicznego
) z meteorytu metalicznego
Canyon
Canyon
Diablo w Arizonie (USA)
Diablo w Arizonie (USA)
-
-
wzorzec dla
wzorzec dla
siarki
siarki
CDT
CDT
-
-
troilit (
troilit (
FeS
FeS
) z meteorytu metalicznego
) z meteorytu metalicznego
Canyon
Canyon
Diablo w Arizonie (USA)
Diablo w Arizonie (USA)
-
-
wzorzec dla
wzorzec dla
siarki
siarki
N
N
2
2
atmosferyczny
atmosferyczny
-
-
wzorzec dla
wzorzec dla
azotu
azotu
Frakcjonacja izotopowa w hydrosferze
Frakcjonacja izotopowa w hydrosferze
Parowanie wody oceanicznej powoduje powstawanie mas
powietrza zawierającego parę wodną zubożoną w
18
O i
2
H
(lekka woda).
Kondensacja pary wodnej w powietrzu ma przeciwny do
parowania efekt: „ciężka” woda kondensuje łatwiej.
Dlatego każda kropla deszczu jest złożona z wody
izotopowo „cięższej” niż chmura wodna, z której
powstała. W wyniku tego para wodna pozostała w
powietrzu jest stopniowo zubożana w ciężkie izotopy.
Parowanie wody oceanicznej powoduje powstawanie mas
powietrza zawierającego
parę wodną zubożoną w
18
O i
2
H
(lekka woda).
Kondensacja pary wodnej w powietrzu ma przeciwny do
parowania efekt:
„ciężka” woda kondensuje łatwiej
.
Dlatego każda kropla deszczu jest złożona z wody
izotopowo „cięższej” niż chmura wodna, z której
powstała. W wyniku tego para wodna pozostała w
powietrzu jest stopniowo zubożana w ciężkie izotopy.
Frakcjonacja izotopowa w hydrosferze
Frakcjonacja izotopowa w hydrosferze
Parowanie wody oceanicznej powoduje
powstawanie mas powietrza zawierającego parę
wodną zubożoną w
18
O i
2
H (ciężkie izotopy) w
stosunku do wody morskiej. Objętość wody w
oceanie jest jednak tak duża, że frakcjonacja
izotopów w wyniku parowania nie zmienia
stosunku izotopowego charakterystycznego dla
wody oceanicznej
Parowanie wody oceanicznej powoduje
powstawanie mas powietrza zawierającego
parę
wodną zubożoną w
18
O i
2
H
(ciężkie izotopy) w
stosunku do wody morskiej. Objętość wody w
oceanie jest jednak tak duża, że frakcjonacja
izotopów w wyniku parowania nie zmienia
stosunku izotopowego charakterystycznego dla
wody oceanicznej
Frakcjonacja izotopowa w hydrosferze
Parowanie wody oceanicznej powoduje powstawanie mas
powietrza zawierającego parę wodną zubożoną w
18
O i
2
H (deuter) w stosunku do wody morskiej
Parowanie wody oceanicznej powoduje powstawanie mas
powietrza zawierającego parę wodną zubożoną w
18
O i
2
H (deuter) w stosunku do wody morskiej
Atmosfera nad oceanem
Atmosfera nad oceanem
Deszcz nad oceanem
Deszcz nad oceanem
Ocean
Ocean
Frakcjonacja izotopowa w hydrosferze
Stanley 2005
Frakcjonacja izotopów stałych w hydrosferze
Frakcjonacja izotopów stałych w hydrosferze
Coraz „lżejszy”
deszcz (i śnieg) pada
na coraz wyższych
szerokościach
geograficznych.
Przy tym deszcz jest
zawsze izotopowo
„cięższy” od chmur.
Parowanie oceanów zachodzi głównie w tropikach.
Chmury są izotopowo „lżejsze” od wody oceanicznej.
Izotopy wodoru
•
1
1
H -
prot
- abundancja 99,9844%
•
2
1
H =
2
1
D -
deuter
- 0,0156%
•
3
1
H =
3
1
T -
tryt
- promieniotwórczy,
bardzo rzadki
Różnicowanie związane jest głównie z
parowaniem i skraplaniem (H
2
O paruje szybciej
niż D
2
O). Lód wzbogaca się w cięższy izotop w
stosunku do wody, z której powstaje. Gazy
wulkaniczne - H
2
i CH
4
są zubożone w D
Różnicowanie związane jest głównie z
parowaniem
i
skraplaniem
(H
2
O paruje szybciej
niż D
2
O). Lód wzbogaca się w cięższy izotop w
stosunku do wody, z której powstaje. Gazy
wulkaniczne - H
2
i CH
4
są zubożone w D
Izotopy tlenu
Izotopy tlenu
•
16
O
- 99,763% - tzw. tlen „
podwójnie
magiczny
” (8 p i 8 n) - bardzo stały i
bardzo rozpowszechniony
•
17
O
- 0,0375%
•
18
O
- 0,1995%
Stosunek
18
O/
16
O zmienia się, w zależności od
temperatury. Z tego powodu używany jest jako
termometr geologiczny
Stosunek
18
O/
16
O zmienia się, w zależności od
temperatury. Z tego powodu używany jest jako
termometr geologiczny
Zmienność
stosunków
izotopowych
tlenu w
muszlach
planktonu z
rdzeni
Atlantyku
pozwoliła
określić
temperatury
wody morskiej
w przeszłości
geologicznej
Zmienność
stosunków
izotopowych
tlenu w
muszlach
planktonu z
rdzeni
Atlantyku
pozwoliła
określić
temperatury
wody morskiej
w przeszłości
geologicznej
Regularne zmiany stosunków izotopowych tlenu w
muszlach bentosu oceanicznego ciągu ostatnich kilkuset
tysięcy lat wskazują na powtarzające się zmiany
klimatyczne - glacjały (wartości dodatnie) i interglacjały
(wartości ujemne).
Regularne zmiany stosunków izotopowych tlenu w
muszlach bentosu oceanicznego ciągu ostatnich kilkuset
tysięcy lat wskazują na powtarzające się zmiany
klimatyczne -
glacjały
(wartości dodatnie) i
interglacjały
(wartości ujemne).
Stanley 2005
Interpretację stosunków izotopowych tlenu komplikują inne
procesy frakcjonowania - np. związane z parowaniem
Interpretację stosunków izotopowych tlenu komplikują inne
procesy frakcjonowania - np. związane z parowaniem
Stanley 2005
Hoefs 2004
Zmienność stosunków izotopowych tlenu
Zmienność stosunków izotopowych tlenu
Zmienność stosunków izotopowych tlenu
Izotopy węgla
Izotopy węgla
•
•
12
12
C
C
-
-
98,89%
98,89%
•
•
13
13
C
C
-
-
1,11%
1,11%
•
•
14
14
C
C
-
-
ślady (promieniotwórczy)
ślady (promieniotwórczy)
Rośliny preferencyjnie przyswajają
12
C
Rośliny preferencyjnie przyswajają
Rośliny preferencyjnie przyswajają
12
12
C
C
Stanley 2005
Większe tempo pogrzebania węgla powoduje względny wzrost
stężenia
13
C w atmosferze i oceanach
Większe tempo pogrzebania węgla powoduje względny wzrost
stężenia
13
C w atmosferze i oceanach
Stanley 2005
Brownlow 1998
Zmienność
stosunków
izotopowych
węgla
Zmienność
Zmienność
stosunków
stosunków
izotopowych
izotopowych
węgla
węgla
Hoefs 2004
Zmienność stosunków izotopowych siarki
Zmienność stosunków izotopowych siarki
Zmienność stosunków izotopowych siarki
Hoefs 2004
Zmienność stosunków izotopowych azotu
Zmienność stosunków izotopowych azotu
Zmienność stosunków izotopowych azotu
•
•
Polański
Polański
,
,
Smulikowski
Smulikowski
1969
1969
-
-
s. 146
s. 146
-
-
150; 162
150; 162
-
-
166
166
•
•
Polański
Polański
„Izotopy w geologii”, 1979
„Izotopy w geologii”, 1979
•
•
Migaszewski
Migaszewski
, Gałuszka, 2007
, Gałuszka, 2007
-
-
249
249
-
-
273
273
•
•
Stanley
Stanley
„Historia Ziemi” 2005
„Historia Ziemi” 2005
-
-
s. 183
s. 183
-
-
216; 307
216; 307
-
-
340
340
Literatura uzupełniająca
Literatura uzupełniająca