Изотопная геохимия — это раздел геологии, основанный на изучении естественных изменений относительного содержания изотопов различных элементов . Изменения изотопного содержания измеряются с помощью масс-спектрометрии изотопных отношений и могут раскрыть информацию о возрасте и происхождении горных пород, воздуха или водоемов, а также о процессах смешивания между ними.
Геохимия стабильных изотопов в основном занимается изотопными вариациями, возникающими в результате фракционирования изотопов, зависящего от массы , тогда как геохимия радиогенных изотопов занимается продуктами естественной радиоактивности .
Для большинства стабильных изотопов величина фракционирования от кинетического и равновесного фракционирования очень мала; по этой причине обогащения обычно сообщаются в «промилле» (‰, частей на тысячу). [1] Эти обогащения (δ) представляют собой отношение тяжелого изотопа к легкому изотопу в образце по отношению к стандарту . То есть,
Углерод имеет два стабильных изотопа , 12C и 13C , и один радиоактивный изотоп, 14C .
Соотношение стабильных изотопов углерода, δ 13 C , измеряется по отношению к белемниту Vienna Pee Dee (VPDB) [ необходимо разъяснение ] . [2] Стабильные изотопы углерода фракционируются в основном фотосинтезом (Faure, 2004). Соотношение 13 C/ 12 C также является индикатором палеоклимата: изменение соотношения в остатках растений указывает на изменение количества фотосинтетической активности и, следовательно, на то, насколько благоприятной была окружающая среда для растений. Во время фотосинтеза организмы, использующие путь C 3 , показывают разное обогащение по сравнению с теми, которые используют путь C 4 , что позволяет ученым не только отличать органическое вещество от абиотического углерода, но и какой тип фотосинтетического пути использовало органическое вещество. [1] Случайные всплески глобального соотношения 13 C/ 12 C также были полезны в качестве стратиграфических маркеров для хемостратиграфии , особенно в палеозое . [3]
Коэффициент 14C использовался, среди прочего, для отслеживания циркуляции океана .
Азот имеет два стабильных изотопа, 14 N и 15 N. Соотношение между ними измеряется относительно азота в окружающем воздухе . [2] Соотношения азота часто связаны с сельскохозяйственной деятельностью. Данные об изотопах азота также использовались для измерения объема обмена воздухом между стратосферой и тропосферой с использованием данных по парниковому газу N 2 O. [ 4]
Кислород имеет три стабильных изотопа: 16 O, 17 O и 18 O. Соотношения кислорода измеряются относительно Венского стандарта средней океанической воды (VSMOW) или Венского Пи-Ди Белемнита (VPDB). [2] Изменения в соотношениях изотопов кислорода используются для отслеживания как движения воды, палеоклимата, [1] так и атмосферных газов, таких как озон и углекислый газ . [5] Обычно для палеоклимата используется эталон кислорода VPDB, в то время как VSMOW используется для большинства других приложений. [1] Изотопы кислорода появляются в аномальных соотношениях в атмосферном озоне, что является результатом фракционирования, независимого от массы . [6] Соотношения изотопов в окаменелых фораминиферах использовались для определения температуры древних морей. [7]
Сера имеет четыре стабильных изотопа со следующим содержанием: 32 S (0,9502), 33 S (0,0075), 34 S (0,0421) и 36 S (0,0002). Эти содержания сравниваются с теми, которые обнаружены в троилите Каньон-Дьябло . [5] Изменения в соотношениях изотопов серы используются для изучения происхождения серы в рудном теле и температуры образования серосодержащих минералов, а также биосигнатуры, которая может выявить присутствие сульфатредуцирующих микробов. [8] [9]
Радиогенные изотопы являются мощными индикаторами для изучения возраста и происхождения земных систем. [10] Они особенно полезны для понимания процессов смешивания между различными компонентами, поскольку соотношения (тяжелых) радиогенных изотопов обычно не фракционируются химическими процессами.
Радиогенные изотопные трассеры наиболее эффективны при использовании вместе с другими трассерами: чем больше трассеров используется, тем лучше контроль над процессами смешивания. Примером такого применения является эволюция земной коры и мантии Земли в геологическом времени.
Свинец имеет четыре стабильных изотопа : 204 Pb, 206 Pb, 207 Pb и 208 Pb.
Свинец образуется в Земле в результате распада актинидных элементов , в первую очередь урана и тория .
Геохимия изотопов свинца полезна для получения изотопных дат на различных материалах. Поскольку изотопы свинца создаются путем распада различных трансурановых элементов, соотношения четырех изотопов свинца друг к другу могут быть очень полезны для отслеживания источника расплавов в магматических породах , источника осадков и даже происхождения людей с помощью изотопной дактилоскопии их зубов, кожи и костей.
Он использовался для датирования ледяных кернов с арктического шельфа и предоставляет информацию об источнике загрязнения атмосферы свинцом .
Изотопы свинца успешно используются в криминалистике для снятия отпечатков пальцев с пуль, поскольку каждая партия боеприпасов имеет свое собственное соотношение 204 Pb/ 206 Pb и 207 Pb/ 208 Pb.
Самарий - неодим — это изотопная система, которая может быть использована для датирования, а также изотопных отпечатков геологических материалов и различных других материалов, включая археологические находки (горшки, керамика).
147 Sm распадается с образованием 143 Nd с периодом полураспада 1,06x10 11 лет.
Датирование обычно достигается путем попытки создания изохроны нескольких минералов в образце породы. Определяется начальное отношение 143 Nd/ 144 Nd.
Это начальное соотношение моделируется относительно CHUR (Chondritic Uniform Reservoir), который является приближением хондритового материала, образовавшего Солнечную систему. CHUR был определен путем анализа хондритовых и ахондритовых метеоритов.
Разница в соотношении образца относительно CHUR может дать информацию о модельном возрасте извлечения из мантии (для которого была рассчитана предполагаемая эволюция относительно CHUR) и о том, было ли это извлечено из гранитного источника (обедненного радиогенным Nd), мантии или обогащенного источника.
Рений и осмий являются сидерофильными элементами , которые присутствуют в коре в очень малых количествах. Рений подвергается радиоактивному распаду с образованием осмия. Соотношение нерадиогенного осмия к радиогенному осмию со временем меняется.
Рений предпочитает входить в сульфиды более легко, чем осмий. Следовательно, во время плавления мантии рений вытесняется и не дает соотношению осмий-осмий значительно измениться. Это фиксирует начальное соотношение осмия в образце во время события плавления. Начальные соотношения осмий-осмий используются для определения характеристик источника и возраста событий плавления мантии.
Естественные изотопные вариации среди благородных газов являются результатом как радиогенных, так и нуклеогенных процессов производства. Из-за их уникальных свойств полезно отличать их от обычных радиогенных изотопных систем, описанных выше.
Гелий-3 был захвачен планетой, когда она сформировалась. Некоторое количество 3He добавляется метеоритной пылью, в основном собирающейся на дне океанов (хотя из-за субдукции все океанические тектонические плиты моложе континентальных плит). Однако 3He будет дегазироваться из океанических осадков во время субдукции , поэтому космогенный 3He не влияет на концентрацию или соотношение благородных газов в мантии .
Гелий-3 создается в результате бомбардировки космическими лучами и в результате реакций 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. Для этого требуется значительное количество лития, чтобы отрицательно повлиять на соотношение 3 He/ 4 He.
Весь дегазированный гелий в конечном итоге теряется в космосе из-за того, что средняя скорость гелия превышает скорость убегания для Земли. Таким образом, предполагается, что содержание и соотношение гелия в атмосфере Земли остаются в основном стабильными.
Было отмечено, что 3 He присутствует в выбросах вулканов и образцах океанических хребтов . То, как 3 He хранится на планете, изучается, но он связан с мантией и используется как маркер материала глубинного происхождения.
Из-за сходства гелия и углерода в химии магмы , выделение гелия требует потери летучих компонентов ( воды , углекислого газа ) из мантии, что происходит на глубинах менее 60 км. Однако 3He транспортируется на поверхность в основном захваченным в кристаллической решетке минералов внутри жидких включений .
Гелий-4 образуется в результате радиогенного образования (распада элементов ряда урана / тория ). Континентальная кора обогатилась этими элементами относительно мантии, и, таким образом, в коре образуется больше He 4 , чем в мантии.
Отношение ( R ) 3 He к 4 He часто используется для представления содержания 3 He. R обычно указывается как кратное текущему атмосферному отношению ( Ra ).
Общие значения для R/Ra :
Химия изотопов 3He / 4He используется для датирования грунтовых вод , оценки скорости потока грунтовых вод, отслеживания загрязнения воды и получения информации о гидротермальных процессах, магматической геологии и рудогенезе .
Изотопы в цепочках распада актинидов уникальны среди радиогенных изотопов, поскольку они являются как радиогенными, так и радиоактивными. Поскольку их распространенность обычно указывается как отношение активности, а не атомное отношение, их лучше рассматривать отдельно от других систем радиогенных изотопов.
Уран хорошо перемешивается в океане, и его распад производит 231 Pa и 230 Th при постоянном соотношении активности (0,093). Продукты распада быстро удаляются путем адсорбции на оседающих частицах, но не с одинаковой скоростью. 231 Pa имеет время пребывания, эквивалентное времени пребывания глубокой воды в Атлантическом бассейне (около 1000 лет), но 230 Th удаляется быстрее (столетия). Термохалинная циркуляция эффективно экспортирует 231 Pa из Атлантики в Южный океан , в то время как большая часть 230 Th остается в атлантических отложениях. В результате существует связь между 231 Pa/ 230 Th в атлантических отложениях и скоростью переворачивания: более быстрое переворачивание производит более низкое соотношение осадка 231 Pa/ 230 Th, в то время как более медленное переворачивание увеличивает это соотношение. Таким образом, сочетание δ 13 C и 231 Pa/ 230 Th может дать более полное представление об изменениях циркуляции в прошлом.
Тритий был выброшен в атмосферу во время атмосферных испытаний ядерных бомб. Радиоактивный распад трития производит благородный газ гелий-3 . Сравнение отношения трития к гелию-3 ( 3H / 3He ) позволяет оценить возраст современных грунтовых вод . Небольшое количество трития также производится естественным путем в результате расщепления космическими лучами и спонтанного тройного деления в природном уране и тории, но из-за относительно короткого периода полураспада трития и относительно небольших количеств (по сравнению с таковыми из антропогенных источников) эти источники трития обычно играют лишь второстепенную роль в анализе грунтовых вод.
