ΓΕΩΧΗΜΕΙΑ ΙΣΟΤΟΠΩΝ. Eφαρμογές σε περιβαλλοντικές μελέτες. Χ. Στουραϊτη Επικ. Καθηγήτρια. Περιβαλλοντική Γεωχημεία

Transcript

1 ΓΕΩΧΗΜΕΙΑ ΙΣΟΤΟΠΩΝ Eφαρμογές σε περιβαλλοντικές μελέτες Χ. Στουραϊτη Επικ. Καθηγήτρια Περιβαλλοντική Γεωχημεία

2 Εργαστήριο - Δευτέρα 8:45 10:00 Σειρά ασκήσεων βασισμένων στη θεωρία των ισοτόπων Επίσκεψη στη μονάδα σταθερών ισοτόπων στο ΕΚΕΦΕ - ΔΗΜΟΚΡΙΤΟΣ

3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Βασικές αρχές στις οποίες στηρίζεται η χρήση των ισοτόπων στην Γεωχημεία Περιβάλλοντος. Κοινές εφαρμογές

4 Υλη μαθήματος Σταθερά ισότοπα C, O, H, S Ραδιενεργά ισότοπα - 14C - U-Pb

5 Θεμελιώδη ερωτήματα 1. Γιατί μελετάμε τα ισότοπα των στοιχείων; 2. Τι θέλουμε να προσδιορίσουμε με αυτά; 3. Πως μετράμε τα ισότοπα των στοιχείων, με ποιές τεχνικές; Ποιές παραμέτρους μετράμε;

6 Ισοτοπική Γεωχημεία Γεωχημεία Ραδιενεργών Ισοτόπων Γεωχημεία Σταθερών Ισοτόπων Ραδιοχρονολόγηση Προσδιορισμός της προέλευσης των γεωλογικών υλικών (ταυτότητα) βάση Γεωθερμομετρία Μελέτη φυσικών/χημικών διεργασιών της ισοτοπικής σύστασης

7 Βιβλία

8 1. Σταθερά Ισότοπα Μοναδικοί ιχνηλάτες των βιο-γεωχημικών διεργασιών που συμβαίνουν στο γήινο περιβάλλον (χερσαίο-υδάτινο-ατμοσφαιρικό): 1. Ιχνηλατούν το μονοπάτι της μεταφοράς των χημικών στοιχείων και άλλων τροφικών συστατικών στο ωκεάνειο σύστημα: προέλευση και είδος του ταμιευτήρα (provenance studies) 2. Καταγράφουν φυσικές και βιολογικές μεταβολές που συντελέσθησαν στους ωκεανούς κατά το παρελθόν!

9 Σημαντικότερες εφαρμογές Γεωεπιστήμες σταθερών ισοτόπων Παλαιοκλιματολογία: - προσδιορισμός παλαιοθερμοκρασιών από μετρήσεις ισοτόπων οξυγόνου, σε μικροαπολιθώματα με ασβεστιτικό κέλυφος. Υδρολογία - ιχνηλασία της πηγής/-ών των υδάτινων συστημάτων Γεωχημεία - Χημική στρωματογραφία - Προσδιορισμό θερμοκρασίας (γεωθερμομετρία) και βαθμό διαγένεσης/μεταμόρφωσης ενός ιζήματος/πετρώματος μετά των ενταφιασμό - Προέλευση των κλαστών σε ένα ίζημα ή ιζηματογενές πέτρωμα (Provenancing of clasts)

10 2. Εφαρμογές ραδιενεργών ισοτόπων 1. Χρονολόγηση θαλασσίων ιζημάτων, ανθρακικού ασβεστίου (αλυσίδα U-Th) Μελέτη της κλιματικής αλλαγής 2. Χρονολόγηση με 14 C (γεωλογικά υλικά που περιέχουν οργανικό άνθρακα, μέχρι ή και έτη) 3. Προσδιορισμός ηλικίας, ταχύτητας ροής, ανάμιξης υπογείων νερών (Τρίτιο - 3 H) 4. Ιχνηλάτες της προέλευσης των υπογείων νερών (πηγής/- ές) ( 87 Sr/ 86 Sr) 5. Χημική στρωματογραφία συσχετισμός των θαλάσσιων ανθρακικών ( 87 Sr/ 86 Sr) 6. Προσδιορισμός ανθρωπογενούς ρύπανσης από την εξόρυξη μεταλλευμάτων (ισότοπα Pb)

11 Βασική Αρχή Η αφθονία των ισοτόπων του στοιχείου οριστικοποιήθηκε απ όταν δημιουργήθηκε η γη και έκτοτε δεν έχει αλλάξει. Όμως μικροδιαφορές στην αρχική ισοτοπική σύσταση μπορεί να προκληθούν λόγω χημικών, βιολογικών και φυσικών διεργασιών. «Ισοτοπικό προφίλ» ενός γεωλογικού δείγματος (θαλασσινό νερό, πάγος, κέλυφος απολιθώματος, ίζημα ή ιζηματογενές πέτρωμα) = Προσδιορισμός των λόγων των σταθερών ισοτόπων διαφόρων ελαφρών στοιχείων (π.χ. 2 H/ 1 H, 13 C/ 12 C, 15 N/ 14 N and 18 O/ 16 O ) = ΤΑΥΤΟΤΗΤΑ του δείγματος

12 ένα παράδειγμα... Εφαρμογή των σταθερών ισοτόπων στις στρωματογραφικές συσχετίσεις (Χημική Στρωματογραφία Chemostratigraphy) Στρωματογραφικό όριο Κρητιδικού-Παλαιογενούς (~66 Ma)

13

14

15 Ωκεάνεια κυκλοφορία

16 Θεωρία ισοτόπων

17 Ορισμός ΙΣΟΤΟΠΑ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ Ίδιο ατομικό αριθμό (Z), διαφορετικό μαζικό αριθμό A (# αριθμό νετρονίων) Γενικός τύπος ισοτόπου: 14 C 6 Αυξάνεται ο αριθμός των νετρονίων (n) προκύπτουν διαφορετικά ισότοπα ενός στοιχείου 1 1 Η 1 2 Η 1 3 Η 12 C 13 C 14 C

18 Ποιά σταθερά ισότοπα χρησιμοπούμε; Ελαφρά στοιχεία (έως ατομική μάζα 40): κυρίως H, C, N, O, και S Si και B Με την πρόοδο των αναλυτικών τεχνικών σήμερα μπορούμε να μετρήσουμε ισοτοπικούς λόγους βαρύτερων στοιχείων: Mg, Fe, Cu, Se, Sn, Mo, κλπ.

19 Σταθερά ισότοπα

20 Σταθερά ισότοπα 6 πρωτόνια 8 πρωτόνια 16 πρωτόνια

21 Ραδιενεργά ισότοπα Μέθοδος χρονολόγησης U Pb

22 Ιδιότητες των ισοτόπων Βαρύ ελαφρύ ισότοπο (Stable Isotope Ecology by Brian Fry, 2006)

23 Ιδιότητες των ισοτόπων Γενικά: έχουν ίδιες χημικές ιδιότητες, λόγω ίδιας ηλεκτρονιακής διάταξης. διαφέρουν στις φυσικές τους ιδιότητες, λόγω διαφοράς μάζας,π.χ H 2 16 Ο b.p. 100 C D 2 16 Ο b.p C

24 Ιδιότητες των ισοτόπων σταθερός πυρήνας το επιπλέον νετρόνιο ( 13 C) δεν μεταβάλει τη συμπεριφορά των εξωτερικών ηλεκτρονίων, άρα και τη χημική συμπεριφορά του ατόμου

25 Κλασμάτωση ισοτόπων Μερικές φορές όμως, επειδή το βαρύτερο άτομο δεν «ανεβαίνει» εύκολα ενεργειακό επίπεδο, έτσι κάποιες φυσικές διεργασίες προκαλούν αύξηση της αφθονίας του ελαφρύτερου και μείωσης του βαρύτερου ισοτόπου.

26 Κλασμάτωση ισοτόπων Ενέργεια δεμού Θεωρία του δεσμού: - Το βαρύτερο ισότοπο σχηματίζει δεσμούς ισχυρότερους (χαμηλότερης ενεργειακής στάθμης) - Η απόσταση μεταξύ των ατόμων που σχηματίζουν δεσμό είναι μικρότερη όταν συμμετέχει το βαρύτερο ισότοπο.

27 Αποτέλεσμα Τα ισότοπα λόγω διαφοράς στη μάζα τους σχηματίζουν μόρια (ενώσεις) που έχουν διαφορετική ενέργεια δεσμού.

28 Κλασμάτωση ισοτόπων στο κύκλο του νερού

29 Κλασμάτωση ισοτόπων στις βιολογικές διεργασίες Οι μικροργανσμοί προκαλούν κλασμάτωση ισοτόπων, διότι είναι εκλεκτικοί στην πρόσληψη των ελαφρύτερων ισοτόπων. Παράδειγμα: Κυανοβακτήρια: τρέφονται με οργανική ύλη που περιέχει 12 C!!! Θειοαναγωγικά βακτήρια: τρέφονται με 32 S!!!

30 Κλασμάτωση ισοτόπων στις βιολογικές διεργασίες Φωτοσύνθεση στο θαλάσσιο περιβάλλον Κατά την φωτοσύνθεση οι διάφοροι οργανισμοί προσλαμβάνουν εκλεκτικά 12 C πχ. κυανοβακτήρια, φύκια, φυτά.

31 Τι μετράμε? CO 2 αέριο αναφοράς CO 2 δείγματος CO 2 Μάζα = C 16 O 16 O CO 2 αέριο αναφοράς CO 2 Μάζα = C 16 O 16 O CO 2 δείγματος Carbon isotope ratio 13 C/ 12 C = 45 Mass/ 44 Mass Oxygen isotope ratio 18 O/ 16 O = 46 Mass/ 44 Mass CO 2 αέριο αναφοράς CO 2 Μάζα = C 16 O 18 O CO 2 δείγματος

32 Πως εκφράζουμε τις τιμές μέτρησης? 18 O R sample R R standard standard 10 3 όπου R = 13 C/ 12 C (ratio λόγος)

33 Συντελεστής delta (δ) (Δ) δέλτα, η διαφορά στην τιμή του ισοτοπικού λόγου μεταξύ του γεωλογικού δείγματος (π.χ ορυκτό, νερό αέριο) και ενός πρότυπου υλικού (standard) επί Το δέλτα, είναι η «ταυτότητα» του κάθε υλικού Π.χ 18 R O sample standard standard R: ratio, λόγος δύο ισοτόπων ( 18 Ο/ 16 Ο) R R 10 3

34 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 1: Ισοτοπικοί λόγοι C σε ασβεστιτικά κελύφη Κέλυφος (CaCO3) + Οξύ CO2 CO 2 # IRMS, μετράει m/q: 44 ( 16 O- 12 C- 16 O) 45 ( 16 O- 13 C- 16 O or 17 O- 12 C- 16 O ή 16 O- 12 C- 17 O ) 46 ( 18 O- 12 C- 16 O or 16 O- 12 C- 18 O) Σχήμα. 1 Φασματογράφος μάζας μέτρησης ισοτοπικού λόγου για αέριο CO 2 (United States Geological Survey)

35 Πρότυπες συστάσεις ισοτόπων (Standards) VSMOW Vienna Standard Mean Ocean Water ωκεάνειο νερό ισότοπα O και H PDB Pee Dee Belemnite απολίθωμα βελεμνίτη από τον σχηματισμό Pee Dee, Canada ισότοπα C and O CDT Canyon Diablo Troilite κομμάτι μετεωρίτη από κρατήρα μετωρίτη στην Αριζόνα, περιέχει FeS μεταλλικό ορυκτό Troilite ισότοπα S AIR ατμοσφαιρικός αέρας- N