Grundlagen der Isotopengeochemie Anna Trubetskaya 22.10.2009

Grundlagen der IsotopengeochemieGrundlagen der Isotopengeochemie

Anna TrubetskayaAnna Trubetskaya22.10.200922.10.2009

InhaltsverzeichnisInhaltsverzeichnis

I. Einführung in die Isotopengeochemie

II. Radiogene Isotopensysteme

III. Datierungsmethoden

IV. Einführung in die Gasanalytik am Beispiel der Thermalwasser

der Geothermie-Anlage Neustadt-Glewe anhand der Isotopie

V. „On-line Analytik“

VI. Geochemie der gelösten und freien Gasen

VII. Zur Herkunft der Gasen

VIII. Zusammenfassung

I. EinfI. Einführungührung

Was versteht man unter Geochemie?

• Geochemie verbindet Geowissenschaft mit der Umweltwissenschaft

• Aufbau und chemische Zusammensetzung der Erde

• Röntgenspektrometer, Absorptionspektrometer, Phasenanalyser

• Radiologene Isotope Sr, Nd, Pb werden für die Datierung von Mineralien und Gesteine verwendet

• Der Boden, Wasser und Luft werden mit geochemischen Methoden in der Umweltwissenschaft untersucht

3Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie


Geochemie

Elementgeochemie Isotopengeochemie

Organische Geochemie Umweltgeochemie



Anwendungsgebiete der Isotopengeochemie

Kosmochemie

Ozeanographie Geologie, Mineralogie

Bodenkunde Isotopengeochemie Paläontologie

Physische Geographie Biowissenschaften/Medizin

Lebensmittelchemie



Was sind Isotope?Was sind Isotope?• Atome, deren Kerne die gleiche Anzahl

von Proton enthalten, aber unterschiedliche

Anzahl von Neutronen

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

• SchreibweiseSchreibweise : : ME, z.B. 13C

• IsotopenhIsotopenhääufigkeit/ Stabilität der Atomkerne:ufigkeit/ Stabilität der Atomkerne:– Natururan (99,3% 238U zu 0,7% 235U); Cu-63 – 69% (Cu) und Cu-65 –31%(Cu)

– Anziehende Kräfte/Coulomb-Kräfte

Proton

Neutron

6Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie22.10.2009


StabilitätskurveStabilitätskurve


Z

A

604020 80 100

40

80

120

160

180

22.10.2009


In der Geochemie mißt man die natürliche Variationen

in der Isotopenzusammensetzung einiger Elemente.

Isotopenvariationen:

• Durch Fraktionierung bei physikalisch-chemischen oder biochemischen Prozessen

• Bei einigen der Elemente, die aus mehr als einem natürlich vorkommenden Isotop bestehen, unterliegt eines der Isotope dem radioaktiven Zerfall direkt oder über eine Kette von instabilen Produkten

8Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie22.10.2009


Rutherford Rutherford & Soddy: Gesetz des radiaktiven Zerfalls& Soddy: Gesetz des radiaktiven Zerfalls

dN/dt = dN/dt = λλ * N * N

λ – Zerfallskonstante (Wahrscheinlichkeit, mit der 1 Atom in bestimmter

Zeit zerfällt

N – Anzahl radioaktiver Atome t-Zeit



Nuklidkarte M-ZNuklidkarte M-Z


Schwarz: stabiles Nuklid; rot: Beta-plus-Strahler blau: Beta-minus-Strahler ;gelb: Alphastrahlergrün: spontanspaltendes Nuklid;violett: Neutronenstrahler ; braun: Photonenstrahler



Lanthanoids

Actinoids

Alkali metals Alkali earth metals Transition metals Other metals Semi-metals Semi-metals Noble Gases

II. Radiogene IsotopsystemeII. Radiogene Isotopsysteme

IRMSIRMS QuadrupolQuadrupol


Kathode

Geigerzähler

Fenster

γ-Strahlung


Aufbau eines Massenspektrometers – IRMS „Isotope Ratio Mass Spectrometer“



IonenquelleIonenquelle FilamentFilament



Prismenwirkung



Ansicht eines Thermionenmassenspektrometers



Isotopenverdünnungsanalyse

apr., ai - die bekannte Häufigkeiten der

Isotope a und b

aa , ab – Proben

Ni - die bekannten Menge an Indikatoratomen

Npr. – unbekannte Menge an Analytenatomen

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Gasanalytik am Thermalwasser der Geothermie-Gasanalytik am Thermalwasser der Geothermie-Anlage Neustadt-Glewe anhand der IsotopieAnlage Neustadt-Glewe anhand der Isotopie


IV. EinleitungIV. Einleitung

Wie kann man die Grundlagen der Isotopengeochemie in der Geothermie anwenden?

• Optimale Auslegung der Anlage

• Vermeidung der Auftrettung der brennbaren Gasen

• Die Abschätzung des Entgasungsrisikos


V. „On-line“ - AnalytikV. „On-line“ - Analytik

„Bypass von Fördersonde“

Thermalwasser Wasserzähler

Entgaser

Überlauf

Abflußthermalwasser„Slobgrube“

Drosselventil

Gaspumpe Gasuhr

Peltier-Kühler

MassenspektrometerGaschromotographRadon-α-Spektrometer

H2, He, CH4, N2, Ar, CO2H2, He, CH4, N2, Ar, CO2C2H6, C3H8, CH4, C4H10

C2H6, C3H8, CH4, C4H10

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VI. Ergebnisse: Geochemie der gelösten und freien GasenVI. Ergebnisse: Geochemie der gelösten und freien Gasen

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VI. Ergebnisse: Geochemie der gelösten und freien GasenVI. Ergebnisse: Geochemie der gelösten und freien Gasen

Lokation Proben-typ

Proben-name

Datumder

Proben- nahme

H2

Vol.%

He

Vol.%

N2

Vol.%

CH4

Vol.%

Ar

Vol.%

CO2

Vol.%

FS Wasserprobe NG998A 23.09.98 0.27 219 1.96 2.32 755 95

FS Wasserprobe NG998C 23.09.98 0.35 252 2.75 2.39 1019 94

FS Wasserprobe NG998D 23.09.98 0.5 461 2.78 3.17 283 93

FS Wasserprobe NG998I 23.09.98 0.31 246 2.46 2.75 473 94

FS Wasserprobe NG100596 10.05.96 0.31 804 6.91 7.77 679 85


VII. Zur Herkunft der GaseVII. Zur Herkunft der Gase


tief-zirkulierende Wasser

luft-gesättigte Wasser

mag

mat

isch

es F

luid

organische Materie

Magmatik

Luft

Kristal

l

Gasproben FS Wasserproben FSWasserproben RS

sedi

men

täre S

olen

He x 10

N2 /100

Ar

VII. Zur Herkunft der GasenVII. Zur Herkunft der Gasen

marine

terrestrial

terrestrial

marine

R0 (‰)

R0 (‰)

δ13 C(C2H6) (‰)

δ13 C(C2H6) (‰)

δ13 (Cterrestr.) = -23‰

δ13 (Cmarine) = - 29‰

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VIII. ZusammenfassungVIII. Zusammenfassung

• Das Thermalwasser von Neustadt – Glewe enthält 7-10 Vol.% Gas

• CO2 dominiert in der Gasphase

• N2 und CH4 tretten als Hauptbestandteile auf

• Ar, H2, He und höhere Kohlenstoffe sind als Spurgase vorhanden

• Diese Ergebnisse sind unerläßlich für die Auslegung und den Betrieb einer Anlage sowie zum Abschätzen des Entgasungsrisiko und des Auftretens brennbarer Gase

• Die Zusammensetzung der Gasphase unterliegt keinen signifikant Veränderungen

• Kleine periodische Schwankungen lassen sich feststellen

• N2 - Ar – He – Verhältnisse der Gasphase weisen auf eine kristale Herkunft mit meteorischem Einfluss hin

• Die Ergebnisse der C-Isotopenuntersuchungen von CH4, C3H8 und C2H6

lassen drauf schliessen, dass die im Tiefenwasser von Neustadt-Glewe gelösten Kohlenwaserstoffe aus marinem Muttergestein stammen


LiteraturLiteratur

• Dumke, I., E.Faber und J. Poggenburg, Determination of stable carbon un hydrogen isotopes of light hydrocarbons.-Anal. Chem., 61/19, 2149-2154, 1989.

• Naumann, Dirk, Gasanalytik am Thermalwasser der Geothermie – Anlage Neustadt – Glewe und Rekonstruktion der Genese anhand der Isotopie, GWZ Potsdam, 4, 88-102, 2004.

• Naumann, D., J.Erzinger und E. Faber, Gas- und isotopengeochemische Untersuchungen zur Rekonstruktion der Genese norddeutscher Thermalwässer, Geothermie: Forschung-Entwicklung-Markt, Tagungsband der 5. Geothermischen Fachtagung Straubing 1998 im Druck, 1998.

• Seibt, A., Naumann und P. Hoth, Lösung und Entlösung von Gasen in Thermalwässern- Konsequenzen für den Anlagenbetrieb, in Geothermie Report 99-1, K. Schallenberg, K.: Geothermisches Heizwerk Neustadt-Glewe: Zustands- und Stoffparameter, Prozessmodellierung, Betriebserfahrungen und Emissionsbilanzen, Scientific Technical Report, STR99/xx, (dieses Heft), 1998.

• Schön, M. Und W. Rockel, Nutzung niedrigthermaler Tiefenwässer – Geologische Grundlagen., in: Bussmann, W. (eds.), Geothermie – Wärme aus der Erde, Verlag C.F. Müller, Karlsruhe, 20-50, 1991.

• Stosch ,Heinz-Günter, Einführung in die Isotopengeochemie, Skript, 2004.

• Stosch, Heinz-Günter, Einführung in die Gesteins- und Laferstättenkunde, Skript, 2008.

• Stosch, Heinz-Günter, Kristalloptik II-Mineralmikroskopie, Skript, 2009.

• Zimmer, M., Zur Geochemie von Gasen in Formationsfluiden, Bohrspülungen und Krustengesteinen –Ergebnisse aus der Kontinentalen Tiefbohrung, Dissertation, Justus-Liebig-Universität Gießen, 1993.


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