Изотопная геохимия. Лекция 4-5

Закономерности изменения
и распространения изотопов
В геологической науке большое значение имеет восстановление картины прошлой жизни горных пород, их генезиса, условий в которых они образовались, времени формирования. Эти вопросы оставались бы загадкой и сейчас, но в 1918 г. Ф. Содди предположил существование изотопов («то же самое место»), с помощью которых они решаются.

МОДЕЛЬ АТОМА РЕЗЕРФОРДА
По Резерфорду атом имеет планетарное строение.
1) атом состоит из ядра, в котором сосредоточена большая часть его массы и облака электронов (е)
2) основные элементы ядра это протоны (Р) и нейтроны (N), опре-деляющие его заряд и массу.
2) N имеет массу близкую к массе Р, но не имеет заряда.
3) в нейтральном атоме число орби-тальных электронов равно числу Р.
Строение атомов удобно описывать числом протонов (Z) и нейтронов (N), составляющих их ядра. Z - называется атомным номером.
Сумма протонов и нейтронов называется массовым числом (А):
A=Z+N

В зависимости от числа нейтронов и протонов химических элементов выделяются:

Диаграмма нуклидов
На диаграмме нуклидов стабильные изотопы, представленные затемненными квадратами, образуют полосу, окруженную нестабильными нуклидами.

РАДИОАКТИВНОСТЬ И ЕЕ ВИДЫ, ЗАКОН РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА, УРАВНЕНИЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЗРАСТА
Радиоактивностью называется самопроизвольные превращения ядер неустойчивых атомов (радионуклидов), сопровождающиеся эмиссией частиц и(или) излучением энергии. Это самопроизвольный переход ядер нестабильных атомов в более стабильное состояние.

ВИДЫ РАДИОАКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Виды радиоактивности
α-распад - распад путем эмиссии -частиц, он возможен для нуклидов с Z> 58 (Се), а также для группы нуклидов с небольшим Z , включая 5He, 5Li, 6Be. α -частица состоит из 2Р и 2N, происходит смещение на 2 позиции по Z. Первоначальный изотоп называется родительским или материнским, а новообразованный - дочерним.

β-распад - имеет три вида : обычный β -распад, позитронный β -распад и электронный захват.
Обычный β -распад - можно рассматривать как процесс превращения нейтрона в протон и электрон. β -частица выбрасывается из ядра, часто сопровождается эмиссией энергии в форме γ-излучения. Дочерний нуклид является изобаром родительского, но его заряд больше.

+
Положительная частица
+
Позитронный β -распад - эмиссия из ядра положительной частицы позитрона β + , по теории Ферми его образование можно рассматривать как превращение ядерного протона в нейтрон, позитрон и нейтрино. Дочерний нуклид является изобаром, но имеет меньший заряд.
при β +-распаде радиоактивный изотоп магния Mg23 превращается в стабильный изотоп Na23, а радиоактивный изотоп европия Eu150 превращается в стабильный изотоп самария - Sm150.
Примеры:

Электро́нный захва́т, e-захват.
При электронном захвате один из протонов ядра захватывает орбитальный электрон и превращается в нейтрон, испуская электронное нейтрино. Заряд ядра при этом уменьшается на единицу. Массовое число ядра, как и во всех других видах бета-распада, не изменяется. Этот процесс характерен для протоноизбыточных ядер
Примеры:
Примеры:
при электронном захвате нестабильный изотоп магния Al2613 притягивает электон е и превращается в изотоп Mg2612

γ-излучение - это поток гамма-квантов, это электромагнитное излучение. При γ -излучении Z не изменяются, оно связано с переходом ядер в возбужденное состояние; при возвращении ядра в обычное состояние энергия выделяется в форме γ -излучения.

Геохимия некоторых изотопов
и их использование в геологии
Геохронология – определение «абсолютного возраста минералов и пород. Используют изотопные соотношения: 87Rb/87Sr; 40K/40Ar; 238U/206Pb.
Рудная геология – для определения источников рудного вещества и возраста рудной минерализации. 34S/32S; 18O/16O;
Геохимия гипергенных процессов, в качестве генетических индикаторов. Применяют стабильные изотопы O, H, C.
Изотопный анализ гелия – как индикатор мантийного источника газов;
Радиоактивный каротаж скважин

Закон радиоактивного распада

Основное уравнение, описывающее все виды радиоактивного распада.
Пронтегрировав от t=0 до t, и считая что в начальный момент t=0 N=No, получим
N=No*e-t
N - число радиоактивных родительских нуклидов, которое осталось к моменту t из первоначального их количества No (соответствующее t=0).

Уравнение числа атомов дочернего изотопа в любой момент t, которое образовалось из начального числа атомов родительского нуклида равного No.
D=No-N ; D = No(1- e -t)
Важнейшей константой является период полураспада Период полураспада это время, за которое число атомов родительского изотопа уменьшается вдвое, т.е. при t = T 1/2, подставив получим:
1/2 No = No * e-λT, ln (1/2) = -λT1/2; T1/2=ln2/λ = 0,693/λ

Период полураспада – основная величина, определяющая скорость радиоактивного распада.
10
-6

Геохронологическая шкала
Геохронологическая шкала - это шкала естественноисторического развития главным образом земной коры, выраженная в числовых единицах времени.

Методы изотопного датирования, особенности и области применения.
Основные изотопные системы (пары) для геохронологии.

Rb-Sr метод определения возраста
Rb - щелочной Ме группы IА (также как и К), его ионный радиус 1,48 А Rb имеет два природных изотопа 85Rb (72%) и 87Rb (28%), последний радиоактивен и распадается путем b распада с образованием 87Sr:
87Rb ≥ 87Sr+β+v+Q; 87Rb/87Sr
Sr - щелочноземельный элемент группы IIA (также как и Са), его ионный радиус 1,13А несколько больше, чем у Са (0,99А), который он может замещать во многих минералах.

Sm-Nd метод определения возраста
Nd и Sm - это РЗЭ, образуют ионы с зарядом +3, Nd - Sm -легкие РЗЭ, их ионные радиусы 1,08 и 1,04 очень близки. Sm имеет меньшую космическую распространенность, их отношение Sm/Nd=0,31.
Sm имеет 7 изотопов, Nd - 7 стабильных изотопов.
147Sm ≥ 143Nd +α+Q T1/2 = 1,06*1010 лет

U-Pb и Th-Pb методы определения возраста
Распад U и Th с образованием стабильных изотопов Pb является основой важных методов датирования.
Уран имеет три природных изотопа, все они радиоактивны: 238U(99,3%), 235U (0,7%), 234U(0,006%).
Торий представлен преимущественно одним - 232Th.
238U=206 Pb+8α+6β+Q
235U=207 Pb+7α+4β+Q
232Th=208 Pb+6α+4β+Q

Pb имеет 4 изотопа 208Pb, 207 Pb,206Pb и 204Pb. Последний является нерадиогенным и используется в качестве изотопа сравнения.

Геохимия стабильных изотопов
Главной задачей изучения геохимии изотопов является установление условий их фракционирования, изменения их отношений при различных физико-химических, биохимических и радиохимических процессах в земной коре.
Стабильные изотопы, наиболее часто применяемые при геохимических исследованиях: H(водород), O(кислород), C(углерод), S(сера)

Изотопы водорода
1H – протий (99,98%); 2Н(D) – дейтерий (0,015%); 3Н(T) - тритий (T/H=10-18).
Значительное различие масс1H и D определяют их фракционирование в био- и гидросфере. Повышение D ведет к замедлению реакции в организме в 13 раз.
Большое количество D в морской воде, гейзерах и фумаролах;
Пар обогащается легкими изотопами H, рассолы изотопно тяжелые.

Изотопы кислорода
16О (99,76%); 17О (0,037%); 18О(0,203%).
В воде больше 16О, а в атмосфере - 18О;
Магматические воды содержат меньше 18О, чем осадочные;
Изотопное фракционирование зависит от температуры, что дает возможность определять температуры образования минералов;
В качестве стандарт принят кислород океанической воды (SMOW)

Природная вода состоит из 3-х стабильных изотопов кислорода и 2-х стабильных изотопов водорода, что определяет существование 9 изотопных разновидностей воды. Самые распространенные: Н216О (99,73%) и D216O (0,03%);
“тяжелая вода” – изотопные виды НD18О; D216O и D218O

Изотопы углерода
12С (98,90%); 13С (1,10%); 14С(следы, радиактивен; Т1/2=5730 лет
14С образуется при взаимодействии атмосферного N с нейтронами, а при реакции β -распада вновь переходит в азот;
13С накапливается в карбонатах;
12С накапливается в органических соединениях в процессе фотосинтеза;
Фракционирование происходит в результате геохимического круговорота.