Файл: Конспект подготовлен студентами, не проходил проф. Редактуру и может содержать ошибки. Следите за обновлениями на vk. Comteachinmsu.pdf

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
48 вулканов в море, происходит нейтрализация и все выпадает в виде шлейфа гидроксида железа и алюминия.
6.
Самый главный геохимический барьер – испарительный барьер – когда вода испаряется, все компоненты водного раствора остаются на месте, барьер приводит к образованию большого количества солей – эвапоритов.
Рис. 25 Геохимические барьеры

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
49
Лекция 10
Изотопная геохимия
Изотопы – один из самых важных методов исследований вещества.
Изотопы – классификация ядер элементов. Ядра химических элементов состоят из протонов и нейтронов, имеют массу около 1. Объединяясь ядро, частицы выделяют энергию и образуются дефекты масс. Массы протона, нейтрона в ядре и вне его различаются.
Изотопная геохимия
Химические свойства определяются электронной оболочкой, а электроны определятся зарядом ядра – протоны. n + p
+
Ядра с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов – изотопы.
Химические свойства изотопов почти идентичны, но разделение есть: легкие изотопы все же делятся в ходе физико- химических процессов, а радиогенные изотопы накапливаются в ходе распада.
H
1 1
сверху – массовое число; внизу – заряд. Легкий водород – протий.
????????
1 2
– тяжелый водород – дейтерий (
2
D)
Масса атома определяется массой ядра, а массовое число – ближайшее целое. Масса ядра – релятивистская масса - измеряется в эВ – единицы энергии. E=mc
2
Химические свойства водорода тяжелого и легкого сильно различаются. Изотопы фракционируют в природных процессах.
Рис. 26 Нейтронно – протонная диаграмма

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
50
Вся изотопная геохимия делится на:
• геохимия радиоактивных и радиогенных изотопов
• геохимия стабильных изотопов.
Радиоактивные изотопы – которые испытывают радиоактивный распад, не лежат на линии стабильности изотопов, в них относительно линии стабильности либо больше протонов, либо больше нейтронов и при этом возникают радиоактивные распады, которые были обнаружены еще Резерфордом, как некоторые излучения, которые испускает радиоактивное вещество.
Виды излучений:
•
α – излучения -
Не
2 4
– положительный заряд
•
β – излучения e
-
- отрицательный заряд
•
γ – электромагнитное излучение
Виды радиоактивного распада:
•
α – распад – при нем ядро атома, в нём образуется ядро гелия, которое аномально устойчиво, это ядро покидает атом через некоторое время.
Тоннельный эффект, α – частицы вылетают из ядра.
X
????????
????????
→
Y
n−2
m−4
+
Не
2 4
+ γ
238
U
→
234
Th
Характерен для тяжёлых ядер.
•
β
- распад – в ядре один из нейтронов распадается на электрон – протонную пару. n
→ p
+
+e
-
X
????????
????????
→
Y
n+1
m
+ антинейтрино + e
-
В отличие от α – распада, у β – распада у электронов спектр непрерывный, нет квантующихся уровней. Есть частица, которая ни с кем не взаимодействует – нейтрино. В данном случае выделяется антинейтрино. Нейтрино не взаимодействует с веществом. Антинейтрино и электрон делят между собой энергию и поэтому у электрона нет квантования.
•
β
+
распад (позитронный): p
+
→ n
0
+ e
+(позитрон)
Позитрон – античастица к электрону, имеющая такой же заряд с обратным знаком.
X
????????
????????
→
Y
n−1
m
+ e
+
+ v
(нейтрино)

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
51
Позитронный распад встречается в протоноизбыточных ядер, относительно линии стабильности.
•
Захват электрона (k-захват) – происходит с орбиталей, которые ближе всего к ядру – k –орбиталь. e
-
+ p
+
→ n
0
X →
????????
????????
Y
n−1
m
Разные виды распада продуцируют новые изотопы. Когда ядра слишком тяжёлые, они образуют ряды распада.
Примеры радиоактивного распада:
•
β-распад
40
K
→
40
Ca +
β
-
+
ν + 1,33 Мэв (89,52%)
•
β
+
распад
40
K
→
40
Ar + β
+
+ ν + 0,49 Мэв (0,0001%)
• K – захват
40
K + β
-
→
40
Ar + ν + 0,05 Мэв (10,32%)
•
α-распад
147
Sm →
143
Nd +
α + 2,23 Мэв
Методы измерения концентраций изотопов.
Для радиоактивных изотопов. Методы используют естественную радиацию элемента – методы радиохимии. Анализ радиоактивности. Этим методом нельзя определять элементы с большим периодом полураспада, поэтому основной метод измерения изотопных составов – метод масс – спектрометрии.
Масс – спектр – распределение ионов по массам. Масс – спектрометр – прибор, который состоит из 3х частей. 1 часть – источник ионов. 2 часть – анализатор, который разделяет ионы по массе. 3 часть – регистратор (детектор) который определяет соответствующие потоки вещества по массе.
Основные системы масс – спектрометров и их назначение
1.
Получение ионов (источник)
•
Нагрев (TIMS – термо-ионизационная масс – спектрометрия) – если нагреть вещество, то оно ионизируется.
•
Бомбардировка частицами (электронами, протонами, нейтронами, ионами)
• ICP – индуктивно – связанная плазма.

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
52 2.
Разделение ионов по массам (анализатор)
•
В магнитном поле – заряженные частицы отклоняются, это отклонение пропорционально заряду к массе. Легкие частицы будут отклоняться сильнее, а легкие – слабее. На выходе 2 пучка, отвечающие разному соотношению m/Z.
Секторный магнит.
•
В электрическом поле - квадрополе –радиочастотный масс-спектрометр.
Пропускаем поток ионов между 4 стержнями, подаем попарно высокое напряжение и наложенное на него излучение. Высокое напряжение – кВт, моделирующие напряжение – небольшое, в результате чего ион начинает раскручиваться в магнитном поле и происходит разделение ионов. Меняя частоту – меняем фракцию ионов.
•
Во времени – придав изначально всем ионам одинаковый импульс, получим на финише различие по времени прилета в зависимости от массы.
3.
Измерение ионных токов (система регистрации)
•
Одноколлекторные
•
Многоколлекторные – максимальная точность измерения, так как ошибки компенсируют друг друга.
Радиоактивные и радиогенные изотопы
Причины существования радиоактивных изотопов:
1.
Долгоживущие изотопы, сохранившиеся после нуклеогенеза до настоящего времени
2.
Результат реакций с космическими лучами
3.
Промежуточные продукты распада урана и тория
4.
Техногенные радиоактивные нуклиды
Закон радиоактивного распада
N – число атомов радиоактивного (родительского) элемента dN/dt = -
λN
Установлено экспериментально Ф. Содди и Э. Резерфордом в 1902 г. Это самопроизвольный процесс. Число таких актов радиоактивного распада зависят от числа атомов в системе. Число атомов уменьшается. Чем больше радиоактивных атомов, тем чаще они распадаются.
λ – константа радиоактивного распада [ед/год] dN/N = -
λdt lnN = -
λt + C
int t = 0; N = N0; C
int
= lnN
0
lnN = lnN
0
–
λt

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
53
N = N
0
exp(-
λt)
N =1/2N
0
, t = t
1/2
;
λt
1/2
= ln2; t
1/2
= ln2/
λ = 0,693/λ (годы) – период полураспада
Физический смысл
Рис. 27 Физический смысл закона радиоактивного распада
Скорость радиоактивного распада не зависит от внешних факторов.
Когда используем эту формулу для определения возраста.
Случай 1 – известно исходное количество радиоактивного изотопа
Если известно N
0
, то измеряя N, можно найти возраст (t) t = ln(N/N
0
)/
λ
Радиоуглеродный метод датировки образцов:
14
C присутствует в атмосфере за счет взаимодействия космических лучей с азотом:
14
N+n=
14
C+
1
H t
1/2
(
14
C) = 5730 лет; λ = 0,1209*10
-3
год
-1 1)
Приближение = 0 14
C=const;
Бомбовый пик
14
C – испытания водородных бомб в атмосфере. График
Концентрация спадает, так как он вымывается, смешивается с углеродом других оболочек. Достаточно пропорционально захватывается растениями. Материал датировки – древесина. Она захватывает углерод. Калибровка метода – по кольцам у деревьев.
14
C не одинаково образовывался в истории Земли

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
54
Рис. 28 Бомбовый пик
14
С
В годы, когда накапливается максимум
14
С, минимум Солнца.

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
55
Лекция 11
Радиоизотопное датирование
Радиоуглеродный метод (продолжение)
Известно, какое количество материнского изотопа было на момент образования вещества – основа этого метода.
Если другие изотопные системы – количество радиоактивного изотопа (No) в момент образования горной породы неизвестно. Необходимо узнать.
Каким образом?
Количество радиоактивного изотопа меняется со временем. Можем использовать увеличение дочернего количества изотопов, и в закрытой системе количество дочернего изотопа (D) и радиоактивного изотопа есть константа:
D + N = Do + No
D = Do + No – N
No = N * (exp(
λt) – 1)
Если Do = 0 (порода захватывала только радиоактивный изотоп)
D = N * (exp(
λt) – 1) (1)
Если Do = 0 ( порода захватывала дочерний изотоп при образовании)
Оценка по реперному (нерадиогенному) изотопу
D/R = Do/R + N/R * (exp(
λt) – 1) (2)
Долгоживущие изотопы
M
D
Вид распада Уравнение t
½
D/R
40
K
40
Ar,
40
Ca
K- захват, β 1 1.28 х 10 9 yr
40
Ar/
36
Ar
87
Rb
87
Sr
β
2
(изохрона)
4.8 х 10 10 yr
87
Sr/
86
Sr
138
La
138
Ce
β
2
(изохрона)
2.59 х 10 11
yr
138
Ce/
142
Ce,
138
Ce/
136
Ce
147
Sm
143
Nd,
4
He
α
2
(изохрона)
1.06 х 10 11
yr
143
Nd/
144
Nd
176
Lu
176
Hf
β
2
(изохрона)
3.6 х 10 10 y
176
Hf/
177
Hf
187
Re
187
Os
β
2
(изохрона)
4.23 х 10 10
y
187
Os/
176
Os,
187
Os/
188
Os

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
56 232
Th
208
Pb, 6 4
He
Цепь, α
2 1.4 х 10 10
y
208
Pb/
204
Pb,
3
He/
4
He
235
U
207
Pb, 7 4
He
Цепь, α
2 7.07 х 10 8 y
207
Pb/
204
Pb,
3
He/
4
He
238
U
206
Pb, 8 4
He
Цепь, α
2 4.47 х 10 9
y
206
Pb/
204
Pb
3
He/
4
He
K - Ar
метод
Несколько путей возможно при распаде K:
•
Большая часть ядер испытывает β- распад с образованием
40
Ca (90%).
•
Примерно 10% K испытывает электронный захват, при этом выделяется энергия в виде γ – кванта.
•
Небольшие вероятности между полной внутренним электронным захватом и позитронным распадов, в результате –
40
Ar.
Проблема: K мало на Земле, нечетное число протонов и нейтронов в ядре, а
40
Ca- четный, сильно распространен, поэтому образование Са за счет K мала, и K-Ca метод редко используется.
Формула для определения возраста:
40
Ar =
λ
e
/
λ *
40
K* (e
λt
– 1)

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
57
Если мы используем минералы для определения возраста, то в них начальное количество Ar = 0, поэтому мы можем рассчитать по константам радиоактивного распада возраст вещества. Необходимо вводить поправку на загрязнение воздуха, так как все горные породы находились в контакте с воздухом, необходимо очистить образец от воздушного Ar.
Минералы:
• KAlSi
3
O
8
• K(Mg, Fe)
3
AlSi
3
O
16
(OH)
2
• KAl
2
AlSi
3
O
10
(OH)
2
• (Na, K)Ca
2
(Mg, Fe)
4
Al
3
Si
6
O
22
(OH)
2
•
Глауконит
Возраста примерно от 1 млн лет и вглубь истории Земли. Проблема – Ar – инертный газ, он теряется.
Потери аргона
Потери аргона – за счет диффузии – закон Фика – поток вещества пропорционален градиенту концентраций с некоторым коэффициентом диффузии (D). Наблюдается линейная зависимость lgD от обратной температуры (рис. 29). При комнатной температуре потеря Ar не происходит.
Угол наклона – энергия активации.
D= D
o
*e
-(Ea/RT)
Эмпирический ряд
Px, Amf > Ms > Br > Fsp >
КПШ
Рис. 29 График зависимости lgD от обратной температуры

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
58
Потери радиогенного Ar – омоложение. Можем использовать при внедрении гранитного массива в древнюю породу. Для докембрия K-Ar метод не применим. Если присутствуют вторичные изменения на минералах, то Ar потерялся. Нельзя использовать валовые образцы горных пород. Можно использовать лишь мономинеральные фракции.
Избыточный Ar
Поправка на загрязнение воздухом (
40
Ar/
36
Ar)
air
=295.5
Ar
40
Ar
36
= 295.5 +
λ????????
????????
*
K
40
Ar
36
(e
λt
– 1)
Методы определения
• K – пламенная фотометрия –порода растворяется, переводится в раствор и измеряется количество K, изотопное разбавление (редко)
• Ar – объёмный метод - нагрев, пузырь Ar измеряли его объём, изотопное разбавление – на масс- спектрометре
•
Разные методы – снижение точности!
40
Ar –
39
Ar
метод
При помощи ядерной реакции, из K – Ar:
39
K + n
0
→
39
Ar + p
+
Используются ядерные реакторы для облучения образца. 39Ar – радиоактивный.
39
Ar =
39
Kτ ∫ ф
R
e
σ
e de t
1/2 39
Ar = 269 лет
Проблемы
•
Неизвестны параметры потока нейтронов
•
Побочные реакции образования аргона:
42Ca (n,
α)39Ar
40
K (n, p)
40
Ar
41
K (n, pp)
40
Ar
Решение – использовать монитор (минерал, возраст которого точно определен).
Монитор помещается в реактор вместе с образцами и исследуется аналогично.
Устанавливается коэффициент пропорциональности.
Для каждой энергии нейтронов
Сечение захвата нейтронов
Плотность потока нейтронов