Изотопная геохимия. Изотопы

Сентябрь 9, 2022

Главная
Химия
Изотопная геохимия. Изотопы

Содержание

2. Изотопы (изос - одинаковый, топос - место) - нуклиды (виды, разновидности атомов) с разным массовым числом
3. Нуклиды, атомы с одинаковым числом нейтронов (n0), но разным массовым числом (М) и числом протонов (р),
4. Нуклиды, атомы с одинаковым массовым числом (М), но разным числом протонов (р) и нейтронов (n0), называются
5. В природе известно около 350 изотонов и более 150 изобаров. Более тысячи изотопов получены искусственно и
6. Особенности изотопов Природные изотопы делятся на 2 группы - стабильные и радиоактивные. До № 83 (Bi)
7. У легких элементов с четным порядковым номером или четным числом протонов широко распространены самые легкие изотопы
8. Наибольшее число изотопов отмечено у четных элементов середины таблицы (Хе - 9 изотопов, Sn - 10
9. Радиоактивность Радиоактивность – способность некоторых изотопов самопроизвольно распадаться с испусканием элементарных частиц и образованием ядра другого
10. Ядра, обладающие свойством самопроизвольно распадаться, называются радиоактивными. Ядра, не имеющие таких свойств, называются стабильными. Радиоактивный распад
11. α-распад - вид радиоактивного распада ядра, в результате которого происходит испускание альфа-частицы. α-распад заключается в способности
12. β -распад — тип радиоактивного распада, обусловленного слабым взаимодействием и изменяющего заряд ядра на единицу. При
13. β+-распад происходит в ядрах с избытком протонов, из которых рождается позитрон + нейтрино. В результате распада
14. β--распад - ядерный нейтрон распадается на протон + нейтрино + электрон. Характерен для ядер с избытком
15. «К-захват» характерен для ядер с избытком протонов, которые превращаются в нейтроны в результате захвата орбитального электрона
16. При «К-захвате» образуется изобар, происходит сдвиг на одну клеточку влево в периодической таблице. Пример: 4019К +
17. γ-излучение - не приводит к изменению ядра, обусловлено переходом возбужденного (радиоактивного) ядра в основное (стабильное) состояние,
18. Это жесткое излучение, с очень короткими длинами волн (10-8 см), обладает большой проникающей способностью. При γ-распаде
19. Спонтанное деление – деление или раскалывание на два сравнимых по массе осколка с испусканием нескольких нейтронов,
21. Радиоактивный распад – явление статистическое. Скорость распада радиоактивных ядер не зависит от внешних причин, т.е. процессов,
22. За определенный период времени распадается какое-то количество радиоактивных ядер и образуются стабильные изотопы, т.е. распад происходит
23. Закон радиоактивного распада: 1) N0 = Nt*eλt или 2) Nt = N0*e-λt, где N0 - первоначальное
24. – константа распада является специфической для каждого радионуклида. не зависит от формы химического соединения, в которое
25. Т-период полураспада - это время, за которое количество атомов радиоактивного элемента убывает, уменьшается вдвое, т.е. скорость
26. Период полураспада Т можно вычислить по той же формуле радиоактивного распада, так как постоянная распада обратно
27. Основной закон радиоактивного распада: Число распавшихся атомов за единицу времени пропорционально первоначальному числу атомов Со временем
28. Абсолютная геохронология Зная скорость распада радиоактивного элемента (изотопа), соотношение его изотопов (распространенности, %), продукты распада –
29. Для элементов конца периодической таблицы характерны сложные серии или ряды распада. Детально изучены три ряда радиоактивного
30. Урановый ряд В результате перехода в стабильный радиогенный свинец произошла потеря 8 α-частиц ([238-206]/4=8), что сопровождалось
31. Актино-урановый ряд в результате α- и β--распада 235U образовался стабильный радиогенный изотоп 207Pb и произошла потеря
32. Ториевый ряд В результате α- и β--распада 232Th образовался стабильный радиогенный изотоп 208Pb и освободилось 6
33. Характерной особенностью радиоактивных превращений является их необратимость и смена тяжелых атомов более легкими.
34. Свинцово-свинцовый метод, или метод обыкновенного (породного) свинца Используются отношения радиогенных изотопов свинца к первичному, нерадиогенному 204Рb,
35. Возраст определяется по независимым отношениям 206Pb/204Pb, 207Pb/204Pb, 208Pb/204Pb в свинцовых минералах, в основном – в галените.
36. Допускается, что изотопный состав руд после отделения его от магмы в составе гидротерм не изменяется и
37. Метод датирования по породному свинцу был применен для определения возраста железных и каменных метеоритов, свинец которых
38. В основе Sm - Nd модельного метода лежит процесс превращения радиоактивного изотопа самария 147Sm в радиогенный
39. Sm и Nd являются редкоземельными элементами и входят в состав основных породообразующих минералов, а также большинство
40. Калий-аргоновый метод. Калий - 3 изотопа (это исключение для нечетного элемента), распространенность в %: 3919К –
41. 40К распадается двумя путями: Первый вид «К-захват»: 4019К → 4020Са в результате β-–распада образуется изобар 40Са.
42. Этот метод получил широкое распространение, использовались преимущественно калиевые полевые шпаты и слюды. Скоро было замечено, что
43. Устойчивыми к потере аргона являются амфиболы. При оценке возраста осадочных пород, особенно протерозойских (рифейских, синийских), исключительное
44. Рубидий-стронциевый метод Рубидий - 2 изотопа (нечетный элемент), распространенность (в %): 8537Rb – 72,15 – стабильный
45. В результате β- -распада 87Rb переходит в 87Sr образуется изобар: Распад рубидия происходит очень медленно, поэтому
46. При выборе минералов необходимо учитывать, что пути рубидия и стронция расходятся к концу магматического процесса и
47. Рубидий не дает своих минералов и, являясь полным геохимическим аналогом калия, следует за ним в виде
48. За время существования Земли прирост радиогенного стронция (87Sr) составил 7 %. За эталон прироста 87Sr взят
49. Доля первоначального стронция, захваченного минералом в процессе кристаллизации, оценивается измерением отношения 87Sr/86Sr в сосуществующих неизмененных минералах,
50. За первичное отношение, характеризующее первоначальный стронций земной коры, принято отношение 87Sr/86Sr в ахондритовых метеоритах – 0,698;
51. Рубидий-стронциевый метод применим для датировки возраста магматических и метаморфических пород. Для последних наиболее надежны валовые изохроны,
52. Отношение 87Sr/86Sr было использовано для решения вопроса о происхождении карбонатитов. Rb-Sr-метод успешно используется для определения возраста
53. Радиоуглеродный метод Углерод - 3 изотопа: 126C (98,892 %), 136C (1,11 %) – стабильные изотопы и
55. Период полураспада 14С – 5730 лет, что позволяет использовать его только для определения возраста молодых объектов:
56. В основе всех методов лежат следующие положения: радиоактивный распад протекает с определенной постоянной скоростью; известны постоянные
57. известны конечные продукты – стабильные радиогенные изотопы – как сложных изотопных превращений (ряды распада), так и
58. известны все ныне существующие и существовавшие радиоактивные элементы. В основе всего должны лежать достоверные геологические наблюдения
59. Изотопный анализ геологических объектов
60. Изотопное отношение характеризуется величиной отклонения от стандарта (δ), измеряемой в промилле (‰) (десятая часть процента): No
61. Надежность методов изотопной геохимии обусловлена достоверностью знаний о фракционировании изотопов в конкретных геологических процессах. Причем важно
62. Фракционирование легких стабильных изотопов вызывается внешними процессами, зависит от них и носит обратимый характер, в отличие
63. I. Физико-химические процессы Реакции изотопного обмена при подвижных равновесных процессах Абсорбция и катионный обмен Диффузия газов
64. II. Биогенные процессы Биогенные процессы: фотосинтез, жизнедеятельность организмов (в частности, бактерий) и др.
65. Стабильные изотопы в геологии Изотопы углерода Углерод имеет 3 изотопа: 126C, 136C – стабильные изотопы 14С
66. За стандарт принято отношение 13С/12С углерода карбоната кальция (белемнит из меловых отложений Южной Каролины) – PDB.
67. Избыточная δ13С по отношению к стандарту обозначается знаком «+», а дефицитная - знаком «−». Прирост тяжелого
68. Весовой кларк С в земной коре небольшой – 0,35, атомный – 0,51, однако соединения углерода являются
69. Однонаправленные химические реакции и равновесные процессы приводят к разделению изотопов. Так, реакции изотопного обмена происходят в
70. Бикарбонатные анионы морской воды обогащены 13С и морские осадки, состоящие из органического вещества (раковины, скелеты) отличаются
71. Соотношение изотопов 12С и 13С в карбонатных циклах [Дегенс, 1967]
72. Значения коэффициента δ13С для различных типов органического вещества
73. Распределение изотопов С между земными объектами и метеоритами
74. Отмечено, что фракционирование (разделение) изотопов С интенсивнее протекает при низких температурах, т.е. углерод осадочных известняков более
75. Изотопы серы Сера - это четный элемент типа 4q, весовой кларк – 0,10 %, атомный =
76. Прирост тяжелого изотопа серы определяется по формуле δ34S со знаком «+» показывает на обогащение 34S или
77. Эффективное фракционирование серы отмечается при окислительно–восстановительных процессах, которые могут проходить как при участии живых организмов (биогенное
78. Сера в природе выступает в нескольких валентных состояниях: S0 – нулевая валентность самородной серы, S2- –
79. Амплитуда колебания величин коэффициента δ34S в различных серосодержащих веществах
80. Распределение изотопов S между различными объектами (сводная таблица)
81. Изотопы кислорода Кислород - самый распространенный элемент в земной коре. У кислорода три изотопа: 16О (распространенность
82. На практике пользуются отношением 18O/16O В качестве мантийного стандарта (хондриты, ультраосновные породы) принято значение 5,7.
83. Разделение изотопов кислорода является следствием обменных реакций изотопного равновесия. Вариации состава (δ18O) в породах, минералах, воде,
84. Изотопный состав кислорода в магматических и метаморфических породах (Дегенс, 1967). По данным: 1 – Синверман (1951);
85. Изменение величины 18O/16O в карбонатах и кремнистых породах с геологическим возрастом [Дегенс, 1967]
86. Утяжеление кислорода атмосферы происходило за счет тяжелого кислорода воды, поступающей из глубин земли (ювениальная вода). Изотопный
88. Скачать презентацию

Слайд 2

Изотопы (изос - одинаковый, топос - место) - нуклиды (виды, разновидности

атомов) с разным массовым числом - М (атомным весом) и числом нейтронов (n0), но имеющие один и тот же заряд (число протонов, р+), занимающие одно и то же место, одну клетку периодической таблицы.
Изотопы - атомы элемента, имеющие в атомных ядрах одинаковое число протонов (Z), но разные числа нейтронов (N), а следовательно, и разные числа нуклонов (массовое число - М)
Пример: 168O – 188O; 23592U – 23892U.

Слайд 3

Нуклиды, атомы с одинаковым числом нейтронов (n0), но разным массовым числом

(М) и числом протонов (р), называются изотоны
Пример:

Слайд 4

Нуклиды, атомы с одинаковым массовым числом (М), но разным числом протонов

(р) и нейтронов (n0), называются изобары.
Пример:

Слайд 5

В природе известно около 350 изотонов и более 150 изобаров. Более

тысячи изотопов получены искусственно и только 264 являются стабильными.
Способ обнаружения изотопов - непосредственное измерение масс атомов на масс-спектрографе.

Слайд 6

Особенности изотопов
Природные изотопы делятся на 2 группы - стабильные и

радиоактивные. До № 83 (Bi) у элементов имеется хотя бы один стабильный изотоп; начиная с № 84 (Po) все элементы имеют только радиоактивные изотопы.
Четные изотопы преобладают по распространенности над нечетными (12С, 32S, 238U и др.) как в Земле в целом, так и в метеоритах.

Слайд 7

У легких элементов с четным порядковым номером или четным числом протонов

широко распространены самые легкие изотопы (16О, 32S, 12С и др.); у тяжелых элементов (начиная с № 32) более распространены стабильные тяжелые изотопы (74Ge, 80Se, 94Мо и др.).

Слайд 8

Наибольшее число изотопов отмечено у четных элементов середины таблицы (Хе -

9 изотопов, Sn - 10 изотопов).
Изотопы с массовым числом, кратным 4 - особенно стойкие (гелионы): 168O, 2412Mg, 2814Si, 126С, 4020Са и др. Это, в основном, элементы, cоставляющие основной объем массы верхней части литосферы.

Слайд 9

Радиоактивность
Радиоактивность – способность некоторых изотопов самопроизвольно распадаться с испусканием элементарных частиц

и образованием ядра другого элемента.
Радиоактивность – способность атомных ядер к самопроизвольному превращению в другие ядра с испусканием одной или нескольких заряженных частиц и фотонов

Слайд 10

Ядра, обладающие свойством самопроизвольно распадаться, называются радиоактивными. Ядра, не имеющие таких

свойств, называются стабильными.
Радиоактивный распад элементов (изотопов) происходит в результате испускания определенного вида энергии (Е).

Слайд 11

α-распад - вид радиоактивного распада ядра, в результате которого происходит испускание

альфа-частицы.

α-распад заключается в способности ядер превращаться в другие, более легкие ядра путем испускания α-частицы – ядра гелия (42He2).
При этом массовое число уменьшается на 4, а атомный номер – на 2.

Слайд 12

β -распад — тип радиоактивного распада, обусловленного слабым взаимодействием и изменяющего заряд

ядра на единицу. При этом ядро может излучать бета-частицу (электрон или позитрон). В случае испускания электрона он называется «бета-минус» (β− ), а в случае испускания позитрона – «бета-плюс-распадом» (β+ ).
Кроме β− и β+ -распадов, к бета-распадам относят также электронный захват, когда ядро захватывает атомный электрон.

Слайд 13

β+-распад происходит в ядрах с избытком протонов, из которых рождается позитрон

+ нейтрино.
В результате распада заряд изотопа (элемента) уменьшается на единицу и происходит сдвиг на одну клеточку влево в периодической таблице, образуется изобар.
Этот распад характерен для легких элементов с недостатком нейтронов: 40К→40Ar + β+.

Слайд 14

β--распад - ядерный нейтрон распадается на протон + нейтрино + электрон.

Характерен для ядер с избытком нейтронов.
При этом заряд элемента увеличивается на единицу и происходит сдвиг на одну клеточку вправо в периодической таблице. Образуется изобар: Rb → 8738Sr + e.

Слайд 15

«К-захват» характерен для ядер с избытком протонов, которые превращаются в нейтроны

в результате захвата орбитального электрона с ближайшей первой К-орбиты.
Если захват электрона осуществляется со второй от ядра орбиты, превращение называется L-захватом.

Слайд 16

При «К-захвате» образуется изобар, происходит сдвиг на одну клеточку влево в

периодической таблице.
Пример: 4019К + ē → 4018Ar
Место захваченного электрона занимает другой электрон, на его место скатывается еще электрон, возникает поток электронов, что приводит к рождению рентгеновского мягкого излучения.

Слайд 17

γ-излучение - не приводит к изменению ядра, обусловлено переходом возбужденного (радиоактивного)

ядра в основное (стабильное) состояние, т.е. переходом с одного энергетического уровня ядра на другой, который сопровождается испусканием фотонов коротковолнового электромагнитного излучения.

Слайд 18

Это жесткое излучение, с очень короткими длинами волн (10-8 см), обладает

большой проникающей способностью.

При γ-распаде в результате электромагнитного взаимодействия радиоактивное ядро испускает γ-кванты.

Слайд 19

Спонтанное деление – деление или раскалывание на два сравнимых по массе

осколка с испусканием нескольких нейтронов, свойственно самым тяжелым элементам.
Дочерние осколки по массам соответствуют элементам середины таблицы Менделеева. Ядро раскалывается на две части, близкие по массам, и при этом происходит испускание нейтронов β- и γ-излучения, обусловленное энергией воздействующих на ядро квантов.

Слайд 20

Слайд 21

Радиоактивный распад – явление статистическое. Скорость распада радиоактивных ядер не зависит

от внешних причин, т.е. процессов, происходящих на Земле, а связана с устойчивостью ядер.
Величиной, характеризующей распад конкретного радионуклида, является константа распада λ – вероятность распада ядер в единицу времени.
Радиоактивный распад – явление необратимое.

Слайд 22

За определенный период времени распадается какое-то количество радиоактивных ядер и образуются

стабильные изотопы, т.е. распад происходит по известному закону, с постоянной скоростью.

Слайд 23

Закон радиоактивного распада:
1) N0 = Nt*eλt или 2) Nt =

N0*e-λt,
где N0 - первоначальное число атомов (ядер) радиоактивного элемента;
Nt - число атомов по истечении времени t;
е - основание натуральных логарифмов (е = 2,718281);
λ – постоянная радиоактивного распада, показывающая, какая часть атомов (ядер) определенного радиоактивного элемента распадается за единицу времени (год, сутки, часы, минуты, секунды) по отношению к общему первоначальному числу.

Слайд 24

– константа распада является специфической для каждого радионуклида.
не зависит

от формы химического соединения, в которое входит радионуклид, и физико-химических условий среды (р, Т).
Чем меньше константа распада, тем больше продолжительность жизни радионуклида.

Слайд 25

Т-период полураспада - это время, за которое количество атомов радиоактивного элемента

убывает, уменьшается вдвое, т.е. скорость распада характеризуется периодом полураспада, который так же, как и постоянная распада, строго постоянен для каждого радиоактивного изотопа.
Пример: 238U Т = 4,47*109 лет.

Слайд 26

Период полураспада Т можно вычислить по той же формуле радиоактивного распада,

так как постоянная распада обратно пропорциональна периоду полураспада.
Т 238U – 4,47*109 лет, λ – 1,55125*10-10 лет;
Т235U - 7,04*108 лет, λ U235 - 9,8485*10-10 лет;
Т 232Th - 14,01*109 лет, λ 232Th - 4,9475*10-11 лет

Слайд 27

Основной закон радиоактивного распада:
Число распавшихся атомов за единицу времени пропорционально первоначальному

числу атомов
Со временем количество радиоактивных изотопов убывает, но увеличивается число радиогенных конечных стабильных изотопов, появившихся в результате распада.

Слайд 28

Абсолютная геохронология
Зная скорость распада радиоактивного элемента (изотопа), соотношение его изотопов (распространенности,

%), продукты распада – стабильные более легкие изотопы (радиогенные элементы), виды распада каждого радиоактивного элемента, а также весовые количества в пробе радиоактивного и радиогенного изотопов, можно определить возраст минерала или породы.

Слайд 29

Для элементов конца периодической таблицы характерны сложные серии или ряды распада.

Детально изучены три ряда радиоактивного распада: урановый, актино-урановый и ториевый.

Слайд 30

Урановый ряд
В результате перехода в стабильный радиогенный свинец произошла потеря

8 α-частиц ([238-206]/4=8), что сопровождалось еще и β--распадом, т.е.

Слайд 31

Актино-урановый ряд
в результате α- и β--распада 235U образовался стабильный радиогенный

изотоп 207Pb и произошла потеря 7 ядер гелия

Слайд 32

Ториевый ряд
В результате α- и β--распада 232Th образовался стабильный радиогенный

изотоп 208Pb и освободилось 6 ядер гелия

Слайд 33

Характерной особенностью радиоактивных превращений является их необратимость и смена тяжелых атомов

более легкими.

Слайд 34

Свинцово-свинцовый метод, или метод обыкновенного (породного) свинца
Используются отношения радиогенных изотопов свинца

к первичному, нерадиогенному 204Рb, который Земля получила в момент своего образования и количество которого остается постоянным в земной коре, не изменяется со временем.
Количество же радиогенных изотопов все время растет, поэтому изотопный состав минералов, содержащих свинец, различен.

Слайд 35

Возраст определяется по независимым отношениям 206Pb/204Pb, 207Pb/204Pb, 208Pb/204Pb в свинцовых минералах,

в основном – в галените.
Чем древнее месторождение, тем меньше содержание изотопов 206Рb, 207Рb и 208Рb и соответственно меньше изотопные соотношения 206Pb/204Pb, 207Рb/204Рb и 208Pb/ 204Pb.

Слайд 36

Допускается, что изотопный состав руд после отделения его от магмы в

составе гидротерм не изменяется и соответствует изотопному составу свинца магмы в момент рудообразования.
Считается, что U и Th в руде содержатся в ничтожных количествах и не влияют в дальнейшем на изотопный состав свинца.
Такое датирование называется модельным, так как дает лишь приближенную оценку возраста свинцовых месторождений.

Слайд 37

Метод датирования по породному свинцу был применен для определения возраста железных

и каменных метеоритов, свинец которых принимался за первичный свинец протопланеты, и оказался равным 4,55 млрд лет.
Изохрона возраста Земли была названа геохроной.
На изохроне метеоритов находятся современные океанические осадки.
Pb – Pb модельный метод был применен при датировании источников базальтовых магм.

Слайд 38

В основе Sm - Nd модельного метода лежит процесс превращения радиоактивного

изотопа самария 147Sm в радиогенный 143Nd в результате альфа-распада.
147Sm имеет большой период полураспада: 1,06*1011 лет, поэтому накопление радиогенного 143Nd протекает весьма медленно и метод пригоден для исследования древних событий и датирования древних пород, подходит для датирования основных и ультраосновных пород.

Слайд 39

Sm и Nd являются редкоземельными элементами и входят в состав основных

породообразующих минералов, а также большинство акцессорных минералов.
Известно, что биотит, апатит и другие минералы имеют тенденцию концентрировать более легкие редкоземельные элементы, а пироксен , амфибол, гранат – более тяжелые.

Слайд 40

Калий-аргоновый метод.
Калий - 3 изотопа (это исключение для нечетного элемента), распространенность

в %: 3919К – 93,08, 4119К – 6,91 – стабильные изотопы 4019К – 0,0119 – радиоактивный.
Аргон - 3 изотопа (распространенность в %): 3618Ar – 0,307, 3818Ar – 0,061 – первичные изотопы
4018Ar – 99,63 – радиогенный, образующийся в результате сложного радиоактивного распада 40К.

Слайд 41

40К распадается двумя путями:
Первый вид «К-захват»:
4019К → 4020Са в результате β-–распада

образуется изобар 40Са. Подсчитано, что в 40Са переходит почти 88 % радиоактивного 40К и только 12 % - в 40Аr;
второй вид распада «К-захват»:
4019К →4018Ar, образуется изобар 40 Аr.
Отношение 40Аr/40К увеличивается с возрастом.

Слайд 42

Этот метод получил широкое распространение, использовались преимущественно калиевые полевые шпаты и

слюды.
Скоро было замечено, что результаты возраста занижены, что связано с потерей аргона минералами, особенно калиевыми полевыми шпатами.
На утечку аргона из полевого шпата и слюды влияет температура. Так, при метаморфизме пород происходит диффузия газов (так как они не связаны химически в минерале) и в этом случае расчеты дают возраст последнего метаморфизма.

Слайд 43

Устойчивыми к потере аргона являются амфиболы.
При оценке возраста осадочных пород,

особенно протерозойских (рифейских, синийских), исключительное значение имеет глауконит, однако появление в нем бурого оттенка делает его непригодным для измерения возраста.

Слайд 44

Рубидий-стронциевый метод
Рубидий - 2 изотопа (нечетный элемент), распространенность (в %):

8537Rb – 72,15 – стабильный изотоп;
8737Rb – 27,85 – радиоактивный.
Стронций - 4 изотопа, распространенность (в %):
8438Sr – 0,58,
8638Sr – 9,87,
8838Sr – 82,52
8738Sr – 7,03 – радиогенный продукт распада 87Rb.

количество не меняется
со временем

Слайд 45

В результате β- -распада 87Rb переходит в 87Sr образуется изобар:
Распад

рубидия происходит очень медленно, поэтому в минералах, взятых для определения возраста, должно быть много Rb и очень мало или вовсе не должно быть природного стронция, т.е. 84Sr, 86Sr и 88Sr.

Слайд 46

При выборе минералов необходимо учитывать, что пути рубидия и стронция расходятся

к концу магматического процесса и далее рубидий и стронций почти не встречаются в одном минерале.

Слайд 47

Рубидий не дает своих минералов и, являясь полным геохимическим аналогом калия,

следует за ним в виде изоморфной примеси в калийсодержащих минералах, которые и могут быть пригодны для датировки возраста: слюды (биотит, фенгит, мусковит), хлорит (возникший из биотита), амфиболы, калиевые полевые шпаты.

Слайд 48

За время существования Земли прирост радиогенного стронция (87Sr) составил 7 %.
За

эталон прироста 87Sr взят природный изотоп 86Sr, что выражается отношением 87Sr/86Sr.

Слайд 49

Доля первоначального стронция, захваченного минералом в процессе кристаллизации, оценивается измерением отношения

87Sr/86Sr в сосуществующих неизмененных минералах, не содержащих рубидия (апатит, плагиоклаз и др.).
Зная отношения 87Sr/86Sr и 87Rb/86Sr в минерале, первоначальное отношение 87Sr/86Sr и одну из известных констант распада 87Rb, можно вычислить возраст t.

Слайд 50

За первичное отношение, характеризующее первоначальный стронций земной коры, принято отношение 87Sr/86Sr

в ахондритовых метеоритах – 0,698;
породы мантийного источника - 0,702 – 0,707;
для современного валового состава Земли - 0,7045;
породы коровых магм – выше 0,707;
изотопное отношение 87Sr/86Sr в известняках, где рубидий отсутствует – от 0,698 до 0,708.

Слайд 51

Рубидий-стронциевый метод применим для датировки возраста магматических и метаморфических пород.
Для

последних наиболее надежны валовые изохроны, показывающие время окончания метаморфизма.

Слайд 52

Отношение 87Sr/86Sr было использовано для решения вопроса о происхождении карбонатитов.
Rb-Sr-метод

успешно используется для определения возраста лунных пород, метеоритов, вулканических и плутонических пород. Существует опыт датирования осадочных толщ по аутигенным минералам (иллитам, смектиту и др.).

Слайд 53

Радиоуглеродный метод
Углерод - 3 изотопа: 126C (98,892 %), 136C (1,11 %) –

стабильные изотопы и 14С - радиоактивный.
14С постоянно возникает в верхних слоях атмосферы под действием космических лучей на стабильный изотоп 14N и снова переходит в 14N при β- -распаде.
Радиоактивный изотоп углерода попадает на Землю и смешивается с другими изотопами углерода в воде, горных породах, растениях, живых организмах и др.

Слайд 54

Слайд 55

Период полураспада 14С – 5730 лет, что позволяет использовать его только

для определения возраста молодых объектов: горные породы, минералы, уголь, торф, древесина, раковины, кости, бумага, почва, археологические памятники и др.

Слайд 56

В основе всех методов лежат следующие положения:
радиоактивный распад протекает с

определенной постоянной скоростью;
известны постоянные радиоактивного распада (λ) и полураспада (Т);
точно известен изотопный состав рядов распада;

Слайд 57

известны конечные продукты – стабильные радиогенные изотопы – как сложных изотопных

превращений (ряды распада), так и простых (40К, 87Rb и др.);
известны виды распада (α, β и др.);
известны изотопные соотношения и распространенность радиоактивных и радиогенных изотопов;

Слайд 58

известны все ныне существующие и существовавшие радиоактивные элементы.
В основе всего должны

лежать достоверные геологические наблюдения и точные, корректные аналитические данные.

Слайд 59

Изотопный анализ геологических объектов

Слайд 60

Изотопное отношение характеризуется величиной отклонения от стандарта (δ), измеряемой в промилле

(‰) (десятая часть процента):

No – изотопное отношение в образце,
Ns- изотопное отношение в стандарте.
Принято использовать отношение тяжелых изотопов к легким, которое обозначают символом типа δ34S.

Слайд 61

Надежность методов изотопной геохимии обусловлена достоверностью знаний о фракционировании изотопов в

конкретных геологических процессах.
Причем важно знать не только тенденции, но и скорости процессов, от которых зависит полнота фракционирования и возможность изменения изотопного отношения в результате наложенных процессов.

Слайд 62

Фракционирование легких стабильных изотопов вызывается внешними процессами, зависит от них и

носит обратимый характер, в отличие от необратимых радиоактивных процессов, зависимых только от атомно-ядерных (внутренних) превращений.

Слайд 63

I. Физико-химические процессы
Реакции изотопного обмена при подвижных равновесных процессах
Абсорбция и

катионный обмен
Диффузия газов и жидкостей через пористые массы

Слайд 64

II. Биогенные процессы
Биогенные процессы: фотосинтез, жизнедеятельность организмов (в частности, бактерий) и

др.

Слайд 65

Стабильные изотопы в геологии Изотопы углерода
Углерод имеет 3 изотопа: 126C, 136C –

стабильные изотопы
14С – радиоактивный.
12С - абсолютно преобладающий (четный, легкий изотоп) - 98,89 %, 13С – 1,11 % и 14С имеет незначительную распространенность.
Соотношение распространенностей 12С/13С в природных объектах варьирует от 88,0 до 94. Однако для сравнения значений изотопного состава пользуются соотношением 13С/12С, т.е. относительным приростом тяжелого изотопа.

Слайд 66

За стандарт принято отношение 13С/12С углерода карбоната кальция (белемнит из меловых

отложений Южной Каролины) – PDB.

Слайд 67

Избыточная δ13С по отношению к стандарту обозначается знаком «+», а дефицитная

- знаком «−». Прирост тяжелого изотопа 13С вычисляется по формуле:

(13С/12С)обр – отношение изотопов в образце
(13С/12С)станд - отношение тех же изотопов в стандарте.

Слайд 68

Весовой кларк С в земной коре небольшой – 0,35, атомный –

0,51, однако соединения углерода являются основой жизни на Земле, а неорганические его соединения широко распространены в природе:
окисленнная форма – СO2, карбонаты, бикарбонаты;
восстановленная – метан, органический углерод и самородная форма – графит, алмаз.

Слайд 69

Однонаправленные химические реакции и равновесные процессы приводят к разделению изотопов.
Так,

реакции изотопного обмена происходят в морской воде между атмосферной углекислотой и углекислотой моря:

Слайд 70

Бикарбонатные анионы морской воды обогащены 13С и морские осадки, состоящие из

органического вещества (раковины, скелеты) отличаются более тяжелым углеродом, чем углерод из неморских осадков.
При микробиологическом фракционировании в продуктах жизнедеятельности организмов накапливается легкий изотоп углерода 12С (уголь, торф, нефть, метан).

Слайд 71

Соотношение изотопов 12С и 13С в карбонатных циклах [Дегенс, 1967]

Слайд 72

Значения коэффициента δ13С для различных типов органического вещества

Слайд 73

Распределение изотопов С между земными объектами и метеоритами

Слайд 74

Отмечено, что фракционирование (разделение) изотопов С интенсивнее протекает при низких температурах,

т.е. углерод осадочных известняков более богат тяжелым изотопом, чем углерод соединений другого генезиса.

Слайд 75

Изотопы серы
Сера - это четный элемент типа 4q, весовой кларк

– 0,10 %, атомный = 0,05 %.
Изотопы серы: 32S (95,018 %) абсолютно преобладающий
34S (4,215 %), 33S (0,750 %), 36S (0,017 %).
За стандарт принято отношение 32S/34S = 22,22 и 34S/32S = 0,0450045 в сере троилита из метеорита Каньон Дьявола (Аризона, США).

Слайд 76

Прирост тяжелого изотопа серы определяется по формуле
δ34S со знаком «+»

показывает на обогащение 34S или утяжеление и со таком «–» – дефицит 34S и увеличение содержания легкого изотопа 32S.

Слайд 77

Эффективное фракционирование серы отмечается при окислительно–восстановительных процессах, которые могут проходить как

при участии живых организмов (биогенное разделение), так и неорганическим путем:

Наиболее эффективно реакция проходит при температуре 30°С и при рН = 6,3 – 8,6 с участием бактерий.

Слайд 78

Сера в природе выступает в нескольких валентных состояниях: S0 – нулевая

валентность самородной серы, S2- – в сульфидах, сульфосолях и сероводороде, S4+ – (SO2) – в вулканических эманациях и S6+ - (SO4)2- и сульфатах.
Количество изотопа 34S увеличивается в этом ряду вправо и максимальной концентрации достигает в сульфатной сере, где связь серы с кислородом более сильная: сера сильнее связана в окислительных продуктах, чем в восстановительных.

Слайд 79

Амплитуда колебания величин коэффициента δ34S в различных серосодержащих веществах

Слайд 80

Распределение изотопов S между различными объектами (сводная таблица)

Слайд 81

Изотопы кислорода
Кислород - самый распространенный элемент в земной коре.
У кислорода

три изотопа: 16О (распространенность 99,8 %), 17O (0,04 %) и 18O (0,2 %).
В низкотемпературных измерениях используется стандарт PDB (белемнит меловых отложений Юж. Каролины). В остальных случаях – стандарт SMOW (средний состав морской воды).

Слайд 82

На практике пользуются отношением 18O/16O
В качестве мантийного стандарта (хондриты, ультраосновные породы)

принято значение 5,7.

Слайд 83

Разделение изотопов кислорода является следствием обменных реакций изотопного равновесия.
Вариации состава

(δ18O) в породах, минералах, воде, парах воды определяются главным образом температурой. Изотопный сдвиг более эффективно проходит при низких температурах.
Подчиненное значение в разделении изотопов кислорода имеют биогенные факторы.

Слайд 84

Изотопный состав кислорода в магматических и метаморфических породах (Дегенс, 1967).
По

данным: 1 – Синверман (1951); 2 – Тэйлор, Эпштейн (1962).

Слайд 85

Изменение величины 18O/16O в карбонатах и кремнистых породах с геологическим возрастом

[Дегенс, 1967]

Слайд 86

Утяжеление кислорода атмосферы происходило за счет тяжелого кислорода воды, поступающей из

глубин земли (ювениальная вода).
Изотопный состав кислорода природных вод находится в изотопном равновесии с атмосферной углекислотой (СО2), но не находится в равновесии с кислородом атмосферы.
Тяжелый кислород, поступающий из глубоких слоев Земли, освобождается в гидросфере и атмосфере и накапливается в углекислоте или кремнеземе – скелетах живых организмов, а затем – в осадочных породах.