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Isotopengeochemie und Geochronologie M. Tichomirowa

Einführung

Was sind Isotope?Atome, deren Kerne die gleiche Anzahl vonProtonen enthalten, aber unterschiedlicheAnzahl von Neutronen

Masse (M) = Protonen (Z) + Neutronen (N)

Schreibweise:ME, z.B. 13C

Isotopenhäufigkeiten/Stabilität der Atomkerne:1. Regel: bei N + Z < 40 N/Z ~ 1

bei N + Z > 40 N/Z > 12. Regel: stabiler bei gerader Z

am stabilsten bei gerader Z und gerader N

Proton

Neutron

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Einführung

Hoefs (2009)

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Einführung

NUKLIDKARTE (M-Z)

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Einführung

NUKLIDKARTE (N-Z)

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Einführung

Stabile, radioaktive und radiogene Isotope:

Stabile Isotope: zerfallen selbst nichtnicht-radiogen oder radiogen

Geochemie stabiler Isotope bzw. Isotopengeochemie (H, C, N, O, C, Li, B, Cl)

Radioaktive Isotope: zerfallen (Kernzerfall)unterschiedliche Halbwertzeiten (langlebige, kurzlebigemit oder ohne stetiger Neubildung)

Geochronologie und Isotopengeochemie (Ar/Ar, Rb/Sr, Sm/Nd, U/Pb, 87Sr/86Sr)

U Pbradioaktiv radiogen

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Einführung

• Radioaktivität• Strahlung: α – Helium-Kerne

β - Elektronenγ – elektromagnetische

• Rutherford & Soddy: Gesetz des radioaktiven Zerfalls

dN/dt = λ x N

λ– Zerfallskonstante (Wahrscheinlichkeit, mit der 1 Atom in bestimmter Zeit zerfällt N – Anzahl radioaktiver Atome t - Zeit

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Einführung

ISOTOP – gleicher Platz

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Einführung

Isotope des Strontiums, deren Molmassen und relative Häufigkeiten

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Einführung

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Einführung

Aufbau eines Massenspektrometers – IRMS „Isotope Ratio Mass Spectrometer“

• Ionenquelle• Trennrohr

(mit Magnet)• Analysator

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Einführung

Verschiedene Systeme der Massentrennung

IRMS Quadrupol

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Einführung

Analysator: Detektoren und Verstärkung

Isotopengeochemie & Geochronologie (M. Tichomirowa)

ICP-MS

hochauflösendes MS mitelektrostatischen Filter

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The Nu Plasma 1700 is a unique High Resolution Multi Collector ICP-MS from Nu Instruments providing the ultimate in high resolution isotope ratio measurements. The instrument has been designed with a high dispersion and large geometry to provide a no compromisehigh resolution capability whilst still maintaining flat top peaks for high precision measurementswith minimal loss in sensitivity.

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Einführung stabile Isotope

• Veränderung der Isotopenverhältnisse zumeist < 1 %

• Isotopenverhältnisse stabiler Isotope werden als δ-Wert angegeben

• Einheit: Promille

δProbe = [RProbe/RStandard – 1] x 1000 R – Isotopenverhältnis,z.B. 13C/12C

(i.d.R. schwer/leicht)

δ = + schwere Isotopen angereichert

δ = - leichte Isotopen angereichert

• Standards: laborinterne, internationale (IAEA – International Atomic EnergyAgency)

Hoefs (2009)

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Einführung stabile Isotope

Fraktionierungsprozesse – Veränderung der Isotopenhäufigkeiten stabiler Isotope

• unterschiedliche physikalische Eigenschaften durch Massenunterschied

• Veränderung von chemischen Eigenschaften durch unterschiedliche Bindungsstärke:schweres Isotop stärker gebunden (geringere Vibrationsfrequenz des Atoms)

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Einführung stabile Isotope

Fraktionierungsprozesse – Veränderung der Isotopenhäufigkeiten stabiler Isotope

• Fraktionierungsbetrag hängt von relativer Massendifferenz ab

Prozesse:

• Isotopenaustausch Isotopenaustausch –– thermodynamisches Gleichgewichtthermodynamisches Gleichgewicht

a A1 + b B2 = a A2 + b B1A, B – chemische Verbindungen1, 2 – schweres oder leichtes Moleküla, b – stöchoimetrische Faktoren

K = [(A2/A1)a]/[(B2/B1)b] Gleichgewichtskonstante

α = K 1/n n – Anzahl der ausgetauschten Atomeα - Fraktionierungsfaktor

αA-B = RA/RB Unterschied der Isotopenverhältnisse vonA und B

δA – δB = Δ A-B ≈ 103lnα A-B bei Δ < 10 ‰ kein Unterschied,bei Δ >30 ‰ Unterschied = 0.2

Beispiele: Verdampfung-Kondensation, Kristallisation-Schmelzen, Fällung-Lösung

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Einführung stabile Isotope

• Reaktionskinetische EffekteReaktionskinetische EffekteUnterschiedliche Reaktionsgeschwindigkeiten der Isotope (auf dem Weg zum Gleichgewicht)i.d.R. reagiert leichtes Isotop schneller (Bindungsstärke)

• Transportkinetische EffekteTransportkinetische EffekteUnterschiedliche Diffusionskoeffizienten der Isotope

• Biologische kinetische EffekteBiologische kinetische Effektez.B. Wirkung von Mikroorganismen, bakterielle Reduktion oder OxidationRest mit schweren Isotop angereichert (Bindungsstärke)

• Kristallstruktur und chemische Zusammensetzung der MineraleKristallstruktur und chemische Zusammensetzung der MineraleBindungsstärke- wie dicht sind Strukturen gepackt?

z.B. Graphit und Diamant, Aragonit und Kalzit, Wasser und Eisreiner Massenunterschied – gleiche Bindungsstärke:z.B. verschiedene Sulfide: δ34S ZnS > δ34S PbS

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Einführung stabile Isotope

Analytik:

Stabile Isotope: - i.d.R. Gasmassenspektrometer – Untersuchung als Gase, d.h. zuerst Umwandlung in Gasphase (H2, CO, CO2, SO2, SF6, N2)

- keine Absolutmessung sondern Verhältnismessung zum Standard- MC-ICP-MS

Radioaktive Isotope:- Ar – Gasmassenspektrometer- Rb/Sr, Sm/Nd, U/Pb – Feststoff-MS, MC-ICP-MS- i.d.R. vorherige Abtrennung der Elemente an Ionenaustausch-Säulen,

Bestimmung der Konzentration durch Isotopenverdünnung (Zugabevon Tracer bzw. Spike)

- Messung absoluter Isotopenverhältnisse

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Einführung stabile Isotope

Lehrbücher/Literatur:

Stabile Isotope:

Hoefs J. (2009): „Stable isotope geochemistry“Springer Verlag, Berlin-Heidelberg-New York6. Auflage, 285 pp.

Sharp, Z. (2007): „Principles of stable isotope geochemistry“. 344 pp.

Altersdatierung & Isotopengeochemie:

Faure G. (1986): „ Principles of Isotope Geology“J. Wiley & Sons (eds), New York, 589 pp.

Faure G. & Mensing T.M. (2005): „Isotopes. Principles and applications.“J. Wiley & Sons (eds), New Jersey, 896 pp. = überarbeitete Version vonPrinciples of Isotope Geology

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Einführung stabile Isotope

Lehrbücher/Literatur:

Stosch H.-G. (1999): „Einführung in die Isotopengeochemie“Vorlesungsscript, 226 S., im Internet zu finden:http://agk-gaussberg.agk.uni-karlsruhe.de/ftp/Isotopengeochemie/Isotop25.pdf

Dickin, A.P. (1995, 2005): Radiogenic Isotope Geology.Cambridge University Press, 492 pp.