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
59
Из образца можно выделять K и Ar порциями нагревом образца. Плато – отвечает более надежному возрасту, чем хвосты (рис.30).
Рис. 30 Определение возраста Ar
Rb - Sr
метод
Изотоп
Масса, у.е.
Ar%
88
Sr
87.9056 8.37521 82.641 87
Sr
86.9089 0.7028 6.935 86
Sr
85.9093 9.867 84
Sr
83.9134 0.05648 0.557 87.617 85
Rb
84.9118 2.59265 72.165 87
Rb
86.9092 87
Rb→
87
Sr+β
27.835 85.468
λ= 0.0142 млрд. лет-1 t
1/2
= 48.8 млрд. лет
Реперный изотоп –
87
Sr/
86
Sr
Минералы
• KAlSi
3
O
8
• K(Mg,Fe)
3
AlSi
3
O
10
(OH)
2
• KAl
2
AlSi
3
O
10
(OH)
2

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
60
• (Na,K)Ca
2
(Mg,Fe)
4
Al
3
Si
6
O
22
(OH)
2
• NaAlSi
3
O
8
– CaAl
2
Si
2
O
8
• Ca
5
(PO
4)3
F
Rb – геохимический аналог K, поэтому в минералах должно содержаться большое количество K.
Sr – Ca
Метод изохроны
t= 1/
λ ln [(
87
Sr/
86
Sr - (
87
Sr/
86
Sr)
0
) /
87
Rb/
86
Sr)+1] t=1/λ ln [tgα + 1]
Рис. 31 Метод изохроны
Условие получения изохроны:
•
Одновременное закрытие Rb – Sr системы
•
Гомогенный изотопный состав стронция в момент закрытия изотопной системы
•
Последующая замкнутость Rb-Sr изотопной системы исследуемых образцов, отсутствие наложенных преобразований
•
Разные Rb/Sr отношения образцов, т.е. в координатах
87
Sr/
86
Sr-
87
Rb/
86
Sr результаты анализов не должны слиться в одну точку.
Средний квадрат взвешенных отношений
Опробование
•
Образцы пород в целом (геохимическая гетерогенность геологического тела)

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
61
•
Монофракции минералов (большие различия в Rb/Sr отношениях)
•
Фракции минералов, разделенные по физическим свойствам
•
Фракции породы, разделенные по физическим и химическим свойствам

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
62
Лекция 12
Радиоизотопное датирование (продолжение)
Sm-Nd
метод
T
1/2
=106 млрд лет. Только для древних пород.
Особенности метода:
•
Лантаноиды имеют близкие химические свойства, ионный радиус меняется закономерно в ряду. Происходит лантаноидное сжатие, поэтому легкие лантаноиды оказываются геохимическим аналогом Ca, тяжелые близки к Fe и
Mg.
Существуют 2 группы лантаноидов. Легкая – Ce – группа, тяжелая – Y – группа. В Sm-Nd методе используются легкие изотопы. Легкие – наиболее некогерентные, тяжелые некогерентны в меньшей степени. Более некогерентный Nd.
Используется метод изохроны- вклад нерадиогенного
143
Nd – который был схвачен минералом в процессе образования, и который образует соотношение на момент времени 0.
Рис. 32 Метод изохроны
Метод используется для пород основного состава.
Отличия Sm-Nd от Rb-Sr метода:
1.
Изоморфизм РЭЗ не с K, а с Ca – другие минералы – концентраторы, другие породы (не кислые, а основные)
Ca(Mg, Fe)Si
2
O
6
(Na, K)Ca
2
(Mg, Fe)
4
Al
3
Si
6
O
22
(OH)
2

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
63
(Mg, Fe, Ca)
3
Al
2
Si
3
O
12
CaAl
2
Si
2
O
8
– NaAlSi
3
O
8
CaTiSiO
3
ZrSiO
4 2.
Меньшая подвижность в водных растворах: Rb-Sr изохрона может быть нарушена, а Sm-Nd нет, т.к. в Rb-Sr низкие валентности, катионы мигрируют, происходит омоложение.
U-Th-Pb
метод
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
Эти элементы слишком тяжелые, чтобы в один акт распада создать стабильный изотоп.
Радиоактивный распад всех 3х изотопов – в виде цепи распадов – α, β распады.
Ряд распада
238
U
238
U
234U
(246 тыс лет)
234
Pa
230
Th72, 6 тыс лет
234
Th
226
Ra 1622 лет
222
Rn
3,8 дня
218
Po
206
Pb
Урановая руда содержит смесь этих изотопов, и её радиоактивность определяется теми изотопами, которые накапливаются в ней, в большей части – Ra.

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
64
В чистом U определяется
238
U.
Радиоактивный распад U приводит к образованию многих дочерних изотопов.
Что произойдет, если чистый U закрыть в некоторой системе и выжидать время?
Количество дочерних изотопов будет сначала возрастать, а потом они выйдут примерно на одно соотношение – сколько образовалось – столько распалось. Такое соотношение – вековое изотопное равновесие. Это постоянство соотношений промежуточных радиоактивных изотопов ряда U, Th и др. Такое вековое равновесие обеспечивает высокую радиоактивность урановой руды. Для анализа современных отложений.
Время векового равновесия – время, определяемая периодом полураспада самого долгоживущего изотопа. Разрыв равновесия – важный геохимический критерий
(например,
232
Rn).
Соотношение
206
Pb/
204
Pb можно использовать для оценки начального изотопного состава и определить радиогенное количество, которое образовалось в этом образце в результате радиоактивного распада.
206
Pb/
204
Pb = (
206
Pb/
204
Pb)
0
+
238
U/
204
Pb(e
λ238t
– 1)
(
206
Pb/
204
Pb)
rad
= (
206
Pb/
204
Pb)
meas
– (
206
Pb/
204
Pb)
0
(
206
Pb/
204
Pb)
rad
=
238
U/
204
Pb(e
λ238t
– 1)
1)
Определить радиогенное соотношение, записать то же самое уравнение для
207
Pb и использовать систему уравнений с 2мя неизвестным.
206
Pb rad
/
238
U = (e
λ238t
– 1)
207
Pb rad
/
235
U = (e
λ238t
– 1)
206
Pb rad
/
238
U и
207
Pb/
235
U – однозначные функции времени
2)
Графический способ – конкордия (рис. 33) – кривая линия на которой лежат точки изотопного распада.
Этот метод позволяет провести внутренний контроль закрытости изотопной системы.
Измеряем соотношения изотопов и долю радиогенного свинца. Если точка попала на кривую – определяем возраст. Критерий определения возраста – точка лежит на линии конкордии. Если точка не лежит на конкордии – система открылась.
Смесь 2х компонентов – прямая линия. Это приведет к дискордии – линии нарушенных изотопных составов из-за метаморфизма. В точках пересечения конкордии и дискордии
– возраст породы и возраст метаморфизма.

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
65
Рис. 33 Конкордия и дискордия
Минерал: циркон.
Радиогенные изотопы как петрогенетические индикаторы
1/Pb, Rb/Sr, Sm/Nd отношения различны в разных геохимических резервуарах.
Особенно контрастны мантия и континентальная кора (магмафильные элементы идут в кору, менее магмафильные остаются в мантии). Со временем накапливается разница изотопных соотношений (Rb/Sr и
87
Sr/
86
Sr выше в континетальной коре – 0.711, чем в мантийных продуктах 0.702 – 0.703 MORB, 0.703-0.706 горячие точки). Критерий источников магм, руд. Надо учитывать более тонкие различия внутри коры, мантии.
Изотопный состав различных геохимических резервуаров
Земля в целом
Верх. мантия
Верх. конт кора
87
Sr/
86
Sr
0.7045 0.702 – 0.703 0.72 143
Nd/
144
Nd
0.5126 0.513 0.51 206
Pb/
204
Pb
18.4 18.0 17.6 – 19.8
Начальный изотопный состав неодима Земли
Хондритовый однородный резервуар:
CHUR Chondritic Uniform Reservoir
I
0
CHUR
= (
143
Nd/
144
Nd) = 0.512638
ε’
CHUR
= [((
143
Nd/
144
Nd)
i
/I
i
CHUR
)– 1]*10 4

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
66
ε
0
CHUR
= [((
143
Nd/
144
Nd)
измеренное
/ I
0
CHUR
) – 1]*10 4
Рис. 34 Эволюция изотопного состава неодима

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
67
Лекция 13
Геохимия стабильных изотопов
Rb-Sr
метод
Стронций - важный геохимический индикатор. Для того чтобы узнать историю Земли, нам необходимо установить начальное соотношение изотопов
87
Sr/
86
Sr.
Состав хондритов не годится для оценки изотопного состава Sr, так как там много Ra.
Поэтому, чтобы реконструировать начальный состав Земли, необходимо рассмотреть последовательность метеоритов с высоким Rb/Sr соотношением, там, где из неё образуется последовательность ахондритов (рис. 35). Получаем состав, который называется BABI-Basaltic Achondrite Best Initial:
87
Sr/
86
Sr = 0.6988990±0.000047
Рис. 35 Начальный изотопный состав стронция Земли

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
68
Рис. 36 Эволюция изотопного состава стронция
Скорость изменения изотопного состава Sr от времени зависит от Rb/Sr.
UR – однородный резервуар (рис.36). Мантия Земли неоднородна, если Rb > 0.25, то получаем совокупность кривых для своего Rb/Sr соотношения. Кривые изгибаются, так как Rb заканчивается и это соотношение становится меньше. Далее образовался базальтовый расплав, Rb обогащает расплав, Sr остается в рестите. В результате – сильная дифференциация.
Таким образом, разделение Земли на оболочки сопровождается процессами разделения изотопов.
Рис. 37 Диаграмма источников магматического расплава для Земли. Изотопная систематика магматических пород Земли.

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
69
Мантийная последовательность показывает многообразие источников, из которых образуются базальты, происходит разделение элементов. Континентальная кора обогащена некогерентными элементами и образует многообразие состава. Нижняя и верхняя континентальная кора отличаются преимущественно по изотопному составу
Sr.
Верхняя часть обогащена K, Rb. Таким образом в I квадранте – породы, образовавшиеся из диплетированной обедненной мантии, в III квадранте породы нижней части континентальной коры, в IV – породы континентальной коры и те, к которые образовались из мантийного источника – обогащенные. Во II квадранте – базальты, образовавшиеся из обеденной мантии и морской воды – изотопный состав Sr меняется, становится радиогенным, как и у современного океана.
Изотопные соотношения ряда благородных газов, которые образуются в результате радиоактивного распада.
He – бывшая α частица. Ar –продукт распада K.
3
He/
4
He – вариации на порядки
4
He – радиогенный.
3
He – первичный.
Ra – атмосфера, преобладает
4
He
, мало
3
He
, так как первичная атмосфера утеряна,
Земля не может удержать молекулы He, и поэтому земная атмосфера теряет молекулы
He непрерывно.
Ra = 1/4 * 10
-6
MORB R/Ra = 6-10 – вещество образуется из не полностью дегазированной мантии, где много
3
He
. Мантийная метка.
Горячие точки R/Ra=5-30
Континентальная кора R/Ra<1 – так как непрерывно образуются α частицы.
40
Ar образуется в результате радиоактивного распада K. Преобладает в земной коре, а на солнце преобладает
36
Ar.
87
Sr/
86
Sr в морских карбонатах колеблются. Минимумы – магмы мантийных плюмов в океанах, максимумы – периоды коллизии континентов. Соотношение скоростей раздвижения океанических плит и скоростей эрозии континентов. Сейчас максимум
(0.709) Изотопная стратиграфия.
Стабильные изотопы лёгких элементов.
Стабильные изотопы были захвачены веществом Земли на момент её образования. Они остаются всегда одними и теми же химическими элементами. Они фракционируют. То есть изотопный состав меняется под воздействием некоторого фактора – разделение вещества Земли.

ГЕОХИМИЯ
БЫЧКОВ АНДРЕЙ ЮРЕВИЧ
КОНСПЕКТ ПОДГОТОВЛЕН СТУДЕНТАМИ, НЕ ПРОХОДИЛ
ПРОФ РЕДАКТУРУ И МОЖЕТ СОДЕРЖАТЬ ОШИБКИ
СЛЕДИТЕ ЗА ОБНОВЛЕНИЯМИ НА VK.COM/TEACHINMSU
70
Физические основы фракционирования стабильных изотопов
Стабильные изотопы различаются по массе. Стабильные изотопы одного и того же элемента обладают практически идентичными химическими свойствами, так как оболочки одинаковые. На химических реакциях сказывается разная масса.
•
1 путь фракционирования – кинетическое фракционирование – кинетический эффект. Ядра имеют разную массу и разные скорости, и по-разному вступают в химические реакции. Эффекты могут быть разнообразными. Они могут как приводить к тому, что элементы с маленькой массой вступают быстрее, так и наоборот. Кинетические эффекты связаны с неравновесными процессами, такие как испарение в высокоградиентных условиях, биогенное фракционирование.
•
2 путь – равновесное фракционирование изотопов. Отличается тем, что смесь изотопов – идеальный раствор, поэтому он может вступать в реакции и каждому изотопу может быть приписан собственный химический потенциал, и эти собственные химические потенциалы немного различаются. Это приводит к тому, что возникает разделение изотопов.
1>