Geoquímica de isótopos - Isotope geochemistry

La geoquímica de isótopos es un aspecto de la geología basado en el estudio de las variaciones naturales en la abundancia relativa de isótopos de varios elementos . Las variaciones en la abundancia isotópica se miden mediante espectrometría de masas de relación de isótopos y pueden revelar información sobre las edades y orígenes de las masas de roca, aire o agua, o los procesos de mezcla entre ellas.

La geoquímica de isótopos estables se ocupa en gran medida de las variaciones isotópicas que surgen del fraccionamiento de isótopos dependientes de la masa , mientras que la geoquímica de isótopos radiogénicos se ocupa de los productos de la radiactividad natural .

Geoquímica de isótopos estables

Para la mayoría de los isótopos estables, la magnitud del fraccionamiento del fraccionamiento cinético y de equilibrio es muy pequeña; por esta razón, los enriquecimientos se informan típicamente en "por mil" (‰, partes por mil). Estos enriquecimientos (δ) representan la relación de isótopo pesado a isótopo ligero en la muestra sobre la relación de un estándar . Es decir,

${\ Displaystyle \ delta {\ ce {^ {13} C}} = \ left ({\ frac {\ left ({\ frac {{\ ce {^ {13} C}}} {{\ ce {^ { 12} C}}}} \ right) _ {sample}} {\ left ({\ frac {{\ ce {^ {13} C}}} {{\ ce {^ {12} C}}}} \ derecha) _ {estándar}}} - 1 \ derecha) \ veces 1000}$ ‰

Hidrógeno

Biogeoquímica de isótopos de hidrógeno

Carbón

Carbon tiene dos isótopos estables , ¹² C y ¹³ C, y un isótopo radiactivo, ¹⁴ C .

La relación de isótopos de carbono estable, δ ¹³ C , se mide frente a Vienna Pee Dee Belemnite (VPDB). Los isótopos de carbono estables se fraccionan principalmente mediante la fotosíntesis (Faure, 2004). La relación ¹³ C / ¹² C también es un indicador del paleoclima: un cambio en la relación en los restos de plantas indica un cambio en la cantidad de actividad fotosintética y, por tanto, en lo favorable que era el entorno para las plantas. Durante la fotosíntesis, los organismos que utilizan la vía C ₃ muestran diferentes enriquecimientos en comparación con los que utilizan la vía C ₄ , lo que permite a los científicos no solo distinguir la materia orgánica del carbono abiótico, sino también qué tipo de vía fotosintética estaba utilizando la materia orgánica. Los picos ocasionales en la relación global ¹³ C / ¹² C también han sido útiles como marcadores estratigráficos para la quimioestratigrafía , especialmente durante el Paleozoico .

La proporción de ¹⁴ C se ha utilizado para rastrear la circulación oceánica, entre otras cosas.

Nitrógeno

El nitrógeno tiene dos isótopos estables, ¹⁴ N y ¹⁵ N. La relación entre estos se mide en relación con el nitrógeno en el aire ambiente . Las proporciones de nitrógeno están frecuentemente relacionadas con las actividades agrícolas. Datos de isótopos de nitrógeno también se ha utilizado para medir la cantidad de intercambio de aire entre la estratosfera y troposfera utilizando datos del gas de efecto invernadero N ₂ O .

Oxígeno

El oxígeno tiene tres isótopos estables, ¹⁶ O, ¹⁷ O y ¹⁸ O. Las proporciones de oxígeno se miden en relación con el agua oceánica media estándar de Viena (VSMOW) o la belemnita Vienna Pee Dee (VPDB). Las variaciones en las proporciones de isótopos de oxígeno se utilizan para rastrear el movimiento del agua, el paleoclima y los gases atmosféricos como el ozono y el dióxido de carbono . Por lo general, la referencia de oxígeno VPDB se usa para el paleoclima, mientras que VSMOW se usa para la mayoría de las otras aplicaciones. Los isótopos de oxígeno aparecen en proporciones anómalas en el ozono atmosférico, como resultado del fraccionamiento independiente de la masa . Las proporciones de isótopos en foraminíferos fosilizados se han utilizado para deducir la temperatura de los mares antiguos.

Azufre

El azufre tiene cuatro isótopos estables, con las siguientes abundancias: ³² S (0,9502), ³³ S (0,0075), ³⁴ S (0,0421) y ³⁶ S (0,0002). Estas abundancias se comparan con las encontradas en la troilita del Cañón Diablo . Las variaciones en las proporciones de isótopos de azufre se utilizan para estudiar el origen del azufre en un yacimiento y la temperatura de formación de minerales que contienen azufre, así como una firma biológica que puede revelar la presencia de microbios reductores de sulfato.

Geoquímica de isótopos radiogénicos

Los isótopos radiogénicos proporcionan potentes trazadores para estudiar las edades y orígenes de los sistemas terrestres. Son particularmente útiles para comprender los procesos de mezcla entre diferentes componentes, porque las proporciones de isótopos radiogénicos (pesados) no suelen fraccionarse mediante procesos químicos.

Los trazadores de isótopos radiogénicos son más potentes cuando se utilizan junto con otros trazadores: cuantos más trazadores se utilicen, mayor control sobre los procesos de mezcla. Un ejemplo de esta aplicación es la evolución de la corteza terrestre y el manto terrestre a través del tiempo geológico.

Geoquímica de isótopos de plomo-plomo

El plomo tiene cuatro isótopos estables : ²⁰⁴ Pb, ²⁰⁶ Pb, ²⁰⁷ Pb y ²⁰⁸ Pb.

El plomo se crea en la Tierra a través de la desintegración de los elementos actínidos , principalmente uranio y torio .

La geoquímica de isótopos de plomo es útil para proporcionar fechas isotópicas en una variedad de materiales. Debido a que los isótopos de plomo se crean por desintegración de diferentes elementos transuránicos, las proporciones de los cuatro isótopos de plomo entre sí pueden ser muy útiles para rastrear la fuente de derretimiento en rocas ígneas , la fuente de sedimentos e incluso el origen de las personas a través de huellas dactilares isotópicas. de sus dientes, piel y huesos.

Se ha utilizado para fechar núcleos de hielo de la plataforma ártica y proporciona información sobre la fuente de contaminación atmosférica por plomo .

Los isótopos de plomo-plomo se han utilizado con éxito en la ciencia forense para tomar huellas dactilares de las balas, porque cada lote de munición tiene su propia proporción peculiar de ²⁰⁴ Pb / ²⁰⁶ Pb frente a ²⁰⁷ Pb / ²⁰⁸ Pb.

Samario-neodimio

Samario : el neodimio es un sistema de isótopos que se puede utilizar para proporcionar una fecha, así como huellas dactilares isotópicas de materiales geológicos y varios otros materiales, incluidos los hallazgos arqueológicos (vasijas, cerámicas).

¹⁴⁷ Sm se descompone para producir ¹⁴³ Nd con una vida media de 1.06x10 ¹¹ años.

La datación se logra generalmente al intentar producir una isócrona de varios minerales dentro de un espécimen de roca. Se determina la relación inicial de ¹⁴³ Nd / ¹⁴⁴ Nd.

Esta proporción inicial se modela en relación con CHUR, el depósito uniforme condrítico, que es una aproximación del material condrítico que formó el sistema solar. CHUR se determinó analizando meteoritos de condrita y acondrita .

La diferencia en la proporción de la muestra en relación con CHUR puede proporcionar información sobre una edad modelo de extracción del manto (para la cual se ha calculado una evolución asumida en relación con CHUR) y si esta se extrajo de una fuente granítica (empobrecida en radiogénica Nd), el manto o una fuente enriquecida.

Renio-osmio

El renio y el osmio son elementos siderófilos que están presentes en cantidades muy bajas en la corteza. El renio sufre una desintegración radiactiva para producir osmio. La proporción de osmio no radiogénico a osmio radiogénico a lo largo del tiempo varía.

El renio prefiere entrar en sulfuros más fácilmente que el osmio. Por lo tanto, durante la fusión del manto, el renio se elimina y evita que la relación osmio-osmio cambie apreciablemente. Esto bloquea en una proporción de osmio inicial de la muestra en el momento del evento de fusión. Las relaciones iniciales de osmio-osmio se utilizan para determinar las características de la fuente y la edad de los eventos de fusión del manto.

Isótopos de gases nobles

Las variaciones isotópicas naturales entre los gases nobles son el resultado de procesos de producción radiogénicos y nucleogénicos. Debido a sus propiedades únicas, es útil distinguirlos de los sistemas de isótopos radiogénicos convencionales descritos anteriormente.

Helio-3

El helio-3 quedó atrapado en el planeta cuando se formó. Un ³ He está siendo agregado por polvo meteórico, que se acumula principalmente en el fondo de los océanos (aunque debido a la subducción , todas las placas tectónicas oceánicas son más jóvenes que las placas continentales). Sin embargo, ³ Él se desgasificará del sedimento oceánico durante la subducción , por lo que ³ Él es cosmogénico y no afecta la concentración o las proporciones de gases nobles del manto .

El helio-3 se crea por bombardeo de rayos cósmicos y por reacciones de espalación de litio que generalmente ocurren en la corteza. La espalación de litio es el proceso mediante el cual un neutrón de alta energía bombardea un átomo de litio , creando un ion de ³ He y uno de ⁴ He. Esto requiere una cantidad significativa de litio para afectar negativamente la relación ³ He / ⁴ He.

Todo el helio desgasificado se pierde eventualmente en el espacio, debido a que la velocidad promedio del helio excede la velocidad de escape de la Tierra. Por lo tanto, se supone que el contenido de helio y las proporciones de la atmósfera terrestre se han mantenido esencialmente estables.

Se ha observado que el ³ He está presente en las emisiones de los volcanes y en las muestras de cordilleras oceánicas . Se está investigando cómo se almacena ³ Él en el planeta, pero está asociado con el manto y se utiliza como marcador de material de origen profundo.

Debido a las similitudes entre el helio y el carbono en la química del magma , la desgasificación del helio requiere la pérdida de componentes volátiles ( agua , dióxido de carbono ) del manto, lo que ocurre a profundidades de menos de 60 km. Sin embargo, el ³ He se transporta a la superficie atrapado principalmente en la red cristalina de minerales dentro de inclusiones fluidas .

Helio-4 es creado por radiogenic de producción (por descomposición de uranio / torio -series elementos ). La corteza continental se ha enriquecido con esos elementos relativos al manto y, por lo tanto, se produce más He ⁴ en la corteza que en el manto.

La proporción ( R ) de ³ He a ⁴ He se utiliza a menudo para representar el contenido de ³ He. Normalmente, R se expresa como un múltiplo de la relación atmosférica actual ( Ra ).

Valores comunes para R / Ra :

• Corteza continental vieja: menos de 1
• basalto de la dorsal oceánica (MORB): 7 a 9
• Propagación de rocas de la cresta: 9,1 más o menos 3,6
• Rocas del hotspot : 5 a 42
• Agua oceánica y terrestre: 1
• Agua de formación sedimentaria: menos de 1
• Agua termal: 3 a 11

^La química de isótopos ³ He / ⁴ He se está utilizando para fechar las aguas subterráneas , estimar las tasas de flujo de las aguas subterráneas, rastrear la contaminación del agua y proporcionar información sobre los procesos hidrotermales , la geología ígnea y la génesis del mineral .

• (U-Th) / He data de apatita como herramienta de historia térmica
• USGS: Descarga de helio en Mammoth Mountain Fumarole (MMF)

Isótopos en cadenas de desintegración de actínidos

Los isótopos en las cadenas de desintegración de los actínidos son únicos entre los isótopos radiogénicos porque son radiogénicos y radioactivos. Debido a que sus abundancias se citan normalmente como relaciones de actividad en lugar de relaciones atómicas, es mejor considerarlas por separado de los otros sistemas de isótopos radiogénicos.

Protactinio / Torio - ²³¹ Pa / ²³⁰ Th

El uranio está bien mezclado en el océano y su desintegración produce ²³¹ Pa y ²³⁰ Th con una relación de actividad constante (0,093). Los productos de descomposición se eliminan rápidamente por adsorción en las partículas que se depositan, pero no a velocidades iguales. ²³¹ Pa tiene una residencia equivalente al tiempo de residencia de aguas profundas en la cuenca atlántica (alrededor de 1000 años) pero ²³⁰ Th se elimina más rápidamente (siglos). La circulación termohalina exporta efectivamente ²³¹ Pa desde el Atlántico al Océano Austral , mientras que la mayor parte de las ²³⁰ Th permanece en sedimentos del Atlántico. Como resultado, existe una relación entre ²³¹ Pa / ²³⁰ Th en los sedimentos del Atlántico y la tasa de vuelco: un vuelco más rápido produce una menor proporción de sedimentos de ²³¹ Pa / ²³⁰ Th, mientras que un vuelco más lento aumenta esta proporción. Por lo tanto, la combinación de δ ¹³ C y ²³¹ Pa / ²³⁰ Th puede proporcionar una visión más completa de los cambios de circulación pasados.

Isótopos antropogénicos

Tritio / helio-3

El tritio se liberó a la atmósfera durante las pruebas atmosféricas de bombas nucleares. La desintegración radiactiva del tritio produce el gas noble helio-3 . La comparación de la relación entre tritio y helio-3 ( ³ H / ³ He) permite estimar la edad de las aguas subterráneas recientes .

• Datación con tritio / helio-3 del USGS
• Trazadores de isótopos hidrológicos: helio

Ver también

• Isótopos cosmogénicos
• Isótopos ambientales
• Geoquímica
• Firma isotópica
• Datación radiométrica
• Espectrometría de masas de relación de isótopos
• Biogeoquímica de isótopos de azufre

Notas

Referencias

General

• Allègre CJ , 2008. Isotope Geology (Cambridge University Press).
• Dickin AP, 2005. Geología de isótopos radiogénicos (Cambridge University Press).
• Faure G. , Mensing TM (2004), Isótopos: principios y aplicaciones (John Wiley & Sons).
• Hoefs J., 2004. Geoquímica de isótopos estables (Springer Verlag).
• Sharp Z., 2006. Principios de geoquímica de isótopos estables (Prentice Hall).

Isótopos estables

• Isótopos ambientales  (Universidad de Ottawa)
• Fundamentos de la geoquímica de isótopos  (C. Kendall y EA Caldwell, capítulo 2 en Isotope Tracers in Catchment Hydrology [editado por C. Kendall y JJ McDonnell], 1998)
• Investigaciones de isótopos estables y recursos minerales en los Estados Unidos  ( USGS )

³ Él / ⁴ Él

• Burnard PG, Farley KA, Turner G. (1998). "Múltiples pulsos de fluido en una harzburgita de Samoa" . Geología química . 147 (1-2): 99-114. Código Bibliográfico : 1998ChGeo.147 ... 99B . doi : 10.1016 / s0009-2541 (97) 00175-7 .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
• Kirstein L., Timmerman M. (2000). "Evidencia de la lume proto-Islandia en el noroeste de Irlanda en 42Ma de isótopos de helio". Revista de la Sociedad Geológica, Londres . 157 (5): 923–927. Código bibliográfico : 2000JGSoc.157..923K . doi : 10.1144 / jgs.157.5.923 .
• Porcelli D., Halliday, AN (2001). "El núcleo como posible fuente de helio del manto". Letras de Ciencias de la Tierra y Planetarias . 192 (1): 45–56. Bibcode : 2001E y PSL.192 ... 45P . doi : 10.1016 / s0012-821x (01) 00418-6 .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )

Re – Os

• Arne D., Bierlein FP, Morgan JW, Stein HJ (2001). "Re-Os datación de sulfuros asociados con la mineralización de oro en el centro de Victoria, Australia". Geología económica . 96 (6): 1455-1459. doi : 10.2113 / 96.6.1455 .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
• Martín C (1991). "Características isotópicas de osmio de rocas derivadas del manto". Geochimica et Cosmochimica Acta . 55 (5): 1421–1434. Código bibliográfico : 1991GeCoA..55.1421M . doi : 10.1016 / 0016-7037 (91) 90318-y .

enlaces externos

• Centro Nacional de Desarrollo de Isótopos Información de referencia sobre isótopos y coordinación y gestión de la producción, disponibilidad y distribución de isótopos
• Desarrollo y producción de isótopos para investigación y aplicaciones (IDPRA) Programa del Departamento de Energía de EE . UU. Para la investigación y el desarrollo de producción y producción de isótopos