ΓΕΩΧΗΜΕΙΑ ΙΣΟΤΟΠΩΝ. Ενότητα 2: Εφαρμογές ραδιενεργών ισοτόπων στην προέλευση των πετρωμάτων & ιζημάτων. Γεωχημεία (Υ 4203)

Transcript

1 ΓΕΩΧΗΜΕΙΑ ΙΣΟΤΟΠΩΝ Ενότητα 2: Εφαρμογές ραδιενεργών ισοτόπων στην προέλευση των πετρωμάτων & ιζημάτων Γεωχημεία (Υ 4203) Επικ. Καθ. Χριστίνα Στουραϊτη Τμήμα Γεωλογίας και Γεωπεριβάλλοντος

2 Περιεχόμενα Θεωρία Οι δυο βασικές παραδοχές για την γεωχρονολόγηση Εφαρμογές γεωχρονολόγησης: Rb Sr Sm Nd Re Os (PGE) Σειρά U Th - Pb Μελέτη σχηματισμού & προέλευσης πετρωμάτων & ρευστών 2

3 Βασικές Αρχές Γεωχρονολόγησης Οι δύο βασικές παραδοχές: Α) ισοτοπική ομογενοποίηση (ισόχρονη ευθεία) Β) κλειστό σύστημα Ερωτήμα που πρέπει να απαντήσουμε? οι ισοτοπικοί λόγοι των γεωλογικών υλικών (πέτρωμα, ορυκτά, υδατικά διαλύματα) έχουν ή όχι μεταβληθεί από τη στιγμή που σχηματίστηκαν μέχρι σήμερα? 3

4 1 η βασική παραδοχή ΙΣΟΤΟΠΙΚΗ ΟΜΟΓΕΝΟΠΟΙΗΣΗ Αν τα ορυκτά σε ένα πέτρωμα (ή το ίζημα και το υδατικό διάλυμα που βρίσκονται σε επαφή) βρίσκονται σε θερμοδυναμική ισορροπία (δηλ. θεωρούμε ότι δεν αντιδρούν μεταξύ τους), τότε οι ισοτοπικοί λόγοι στις διάφορες φάσεις είναι ίσοι. Εάν δεν είναι ίσοι οι ισοτοπικοί λόγοι, τότε μεταξύ των διαφορετικών φάσεων, θα γίνει ανταλλαγή ισοτόπων, έτσι ώστε να τελικά αποκτήσουν ίσους ισοτοπικούς λόγους. 4

5 Μηχανισμός Ισοτοπικής Ομογενοποίησης ανταλλαγή σταθερών ισοτόπων Ca μεταξύ ιζήματος νερού τελικά οι ισοτοπικοί λόγοι θα είναι ίσοι Το Ca έχει 5 σταθερά ισότοπα: 40 Ca, 42 Ca, 43 Ca, 44 Ca και 46 Ca Σχετικές ααφθονίες στη φύση: 40 Ca: 0.97 (97%) 42 Ca : (0.6%) 43 Ca : (0.1%) 44 Ca : 0.02 (2%) 46 Ca : (...) Άρα η μέση τιμή του λόγου στα γήινα υλικά 40 Ca/ 42 Ca = 161,1 5

6 Παράδειγμα Ισοτοπικής Ομογενοποίησης ανταλλαγή ισοτόπων C μεταξύ ιζήματος - νερού 6

7 Ο μηχανισμός της ισοτοπικής ομογενοποίηση Σε υψηλές θερμοκρασίες: η ανταλλαγή ισοτόπων γίνεται γρήγορα (ομογενοποίηση ισοτοπικών λόγων στα μαγματικά πετρώματα). Σε χαμηλές θερμοκρασίες: η ανταλλαγή ισοτόπων γίνεται αργά. Μεταξύ αερίων ή υγρών: η ανταλλαγή (διάχυση) γίνεται γρήγορα. τα πετρώματα αποτυπώνουν την ισοτοπική σύσταση του περιβάλλοντος (πηγής source) στο οποίο δημιουργήθηκαν. 7

8 Ισοτοπική ομογενοποίηση Γρανίτης Κ-ούχα ορυκτά (+ Rb) Υψηλό Rb/Sr Πλαγιόκλαστο ( 87 Sr/ 86 Sr) ο = Μοσχοβίτης ( 87 Sr/ 86 Sr) ο = Ορθόκλαστο ( 87 Sr/ 86 Sr) ο = Χαλαζίας Βιοτίτης ( 87 Sr/ 86 Sr) ο = Βιοτίτης - Μοσχοβίτης - Ορθόκλαστο Ca-ούχα ορυκτά (+Sr) Χαμηλό Rb/Sr - Πλαγιόκλαστο Πέτρωμα Rb/Sr: Τη στιγμή που το μάγμα στερεοποιείται,όλα τα ορυκτά και τελικά το πέτρωμα θα έχουν το ίδιο 87Sr/86Sr =

9 2 η βασική παραδοχή Μετά την κρυστάλλωση του πυριγενούς πετρώματος το σύστημα (πέτρωμα, ορυκτά) παρέμεινε κλειστό. Δεν είχαμε απώλεια ή προσθήκη Sr ή Rb και επομένως αλλοίωση στην ισοτοπική σύσταση, ώστε να προκύψει νέα ομογενοποίση. Βασικό ερώτημα: Διατήρησε το πέτρωμα την αρχική του ισοτοπική σύσταση? H διάχυση σε συνθήκες επιφανείας συντελείται τόσο αργά, που πρακτικά θεωρούμε ότι οι αρχικοί ισοτοπικοί λόγοι παραμένουν αναλλοίωτοι στις συνθήκες επιφανείας. Όμως θερμικά γεγονότα (μεταμορφικά) μπορούν να προκαλέσουν νέα ισοτοπική ομογενοποίηση. 9

10 Ανοικτό Σύστημα Νέα ισοτοπική ομογενοποίηση: σε χρόνο Τ1 (Μεταμορφικό γεγονός) 10

11 Σύστημα 87 Rb- 87 Sr Στοιχείο Rb. Έχει 2 φυσικά ισότοπα: Rb (αφθονία ατόμων %) - ραδιενεργό σταθερό Rb (αφθονία ατόμων % των ατόμων) - Στοιχείο Sr. Έχει 4 φυσικά ισότοπα: Sr (αφθονία ατόμων 82.58%) - σταθερό Sr (αφθονία ατόμων 7 %) - σταθερό Sr (αφθονία ατόμων 9.86%) - σταθερό Sr (αφθονία ατόμων 0.56% - σταθερό Ραδιενεργή διάσπαση 87 Rb 87 Sr + σωματίδια β - Μέθοδος χρονολόγησης Rb-Sr ορυκτών που περιέχουν Rb ή ολικό πέτρωμα, βασίζεται στη Ραδιενεργή διάσπαση 87 Rb 87 Sr + σωματίδια β - λ Rb = 1.42 *10-11 yr -1 11

12 Σύστημα 87 Rb- 87 Sr 87 Rb=27.83% 85 Rb=72.17% 88 Sr=82.53% 87 Sr=7.04% 86 Sr=9.87% 84 Sr=0.56% -διασπάται σε 87 Sr και δίνει β -, half-life=48.8 δισεκατομμύρια χρόνια ΣΤΑΘΕΡΑ Rb/Sr λόγοι στα διάφορα πετρώματα: Υπερμαφικά 0.2 Βασαλτικά 0.06 Γρανίτες Κλαστ. Ιζ. πετρ. (shale) 0.46 Πυριτιόλιθοι 3 Τι προκαλεί την μεγάλο εύρος διακύμανσης του Rb/Sr πετρώματα? 1. Rb υποκαθιστά K στα K-ούχα ορυκτά ενώ Sr υποκαθιστά το Ca στα Ca-ούχα ορυκτά 2. Rb και Sr διαφοροποιούνται (κλασματώνονται) στις μαγματικές διεργασίες: Rb έχει την τάση να εισέρχεται στο τήγμα (περισσότερο μη-ανταγωνιστικό incompatible απ ότι το Sr) Συμπέρασμα: Πετρώματα ή ορυκτά με υψηλό Rb/Sr θα περιέχουν περισσότερο 87 Sr (ραδιογενές) Πετρώματα ή ορυκτά με χαμηλό Rb/Sr θα περιέχουν λιγότερο 87 Sr 12

13 Μαγματικές διεργασίες και διακύμανση του λόγου 87 Sr/ 86 Sr 13

14 Προσδιορισμός του αρχικού λόγου 87 Sr 86 Sr = 87 Sr 86 Sr i + 87 Rb 86 Sr [e λt 1] ( 87 Sr/ 86 Sr) i Μετράμε Μετράμε Κάθε μαγματικό πέτρωμα όταν κρυσταλλώνεται έχει μια αρχική σύσταση Sr. Πως προσδιορίζουμε τον αρχικό λόγο: ( 87 Sr/ 86 Sr ) i Επειδή τα πυριγενή πετρώματα είναι τόσο ετερογενή (πολλά ορυκτά) τα διάφορα ορυκτά θα έχουν διαφορετικό λόγο Rb/Sr, όμως έχουν την ίδια ηλικία κρυστάλλωσης (χρόνος σχηματισμού) και τον ίδιο αρχικό λόγο ( 87 Sr/ 86 Sr) i. 14

15 Πως κατασκευάζονται οι ισόχρονες 87 Rb- 87 Sr? 87 Sr 86 Sr = 87 Sr 86 Sr i + 87 Rb 86 Sr [eλt 1] Η γραφική παράσταση της ισόχρονης Rb-Sr Μετράμε Μετράμε Κάθε μαγματικό πέτρωμα όταν κρυσταλλώνεται έχει μια αρχική σύσταση Sr. Ισόχρονη Rb-Sr για το Γρανίτης του Bushveld Δείγμα με χαμηλότερο [Rb] Δείγμα με υψηλότερο [Rb] εάν x=( 87 Rb/ 86 Sr) m & y=( 87 Sr/ 86 Sr) m έχουμε y=b+mx Η γραμμή τέμνει τον Υ στο b=( 87 Sr/ 86 Sr) i Κλίση της γραμμής m=(e λt -1) 15

16 Η μέθοδος είναι περισσότερο από ένα εργαλείο χρονολόγησης. Προσδιορισμό του αρχικού λόγου ( 87 Sr/ 86 Sr) i στην πορεία του χρόνου Ισόχρονη Rb-Sr μετεωριτών T=4.5Ga 87 Sr/ 86 Sr ratios of igneous rocks: MORB Ήπειροι Ωκεάνια νησιά >0.704 Meteorites Βασικές Ερωτήσεις: 1. Γιατί όλες οι τιμές του λόγου ( 87 Sr/ 86 Sr) σήμερα είναι μεγαλύτερες από το BABI? 2. Γιατί ο ηπειρωτικός φλοιός έχει τις υψηλότερες τιμές? BABI - Basaltic Achondrite Best Initial = Αρχική ισοτοπική σύσταση της Γης πριν διαφοροποιηθεί (Bulk Earth, undifferentiated) 16

17 Ισόχρονη γραμμή 17

18 Μελέτη προβλημάτων ανάμιξης διαφορετικών μαγμάτων με διαφορετικό ( 87 Sr/ 86 Sr) i Λάβες του Mt. Shasta έχουν μεγάλο εύρος τιμών στο αρχικό λόγο ( 87 Sr/ 86 Sr)i ανάμιξη διαφορετικών συστάσεων Αεροφωτογραφία του ηφαιστείου, Mt. Shasta (οροσειρά Cascades, California - ηφαιστειακό τόξο στο ηπειρωτικό περιθώριο Β. Αμερικής) 18

19 3 διαφορετικά μοντέλα 19

20 Η μεταβολή του ( 87 Sr/ 86 Sr) στο Ισοζύγιο Sr των θαλασσών θαλασσινό νερό Sr flux rate Sr isotope ratio Η καμπύλη του ισοτοπικού λόγου του Sr των θαλασσών (μετρήσεις σε παλαιά και σύγχρονα ανθρακικά πετρώματα) Ορογενετικές διεργασίες Υδροθερμική δραστηριότητα 20

21 Σύστημα 147 Sm- 143 Nd 147 Sm=15% 4 άλλα ισότοπα 143 Nd=12.2% 6 άλλα ισότοπα -Διασπάται στο 143 Nd -δίνοντας σωματίδια α, half-life=106 δισεκ. Χρόνια (Ga) Λόγος Sm/Nd στους γήινους σχηματισμούς: γρανάτης (ορυκτό) MORB (Βασάλτες Μ.Ρ) 0.32 Θαλασσινό νερό Shale Ηλιακό σύστημα 0.31 Το Nd έχει χαμηλότερο ιοντικό δυναμικό (φορτίο/ακτίνα) συγκριτικά με το Sm, έτσι οι δεσμοί του είναι ασθενέστεροι. Το Nd συγκεντρώνεται στο τήγμα,ενώ το Sm παραμένει στο στερεό. Έτσι Πέτρωμα με Υψηλό Sm/Nd θα περιέχει και περισσότερο 143 Nd Πέτρωμα με Χαμηλό Sm/Nd θα περιέχει λιγότερο 143 Nd ΣΗΜΕΙΩΣΗ: Το μητρικό Sm θα εμπλουτίζεται στον υπολειματικό μανδύα, σε τομείς που έχουν υποστεί μερική τήξη & αφαίρεσης μαγμάτων [ απεμπλουτισμένες πηγές, πχ. MORB) Sm/Nd >> (αντίθετη πορεία απ αυτή του λόγου Rb/Sr, όπου ο λόγος αυξάνεται στους ηπειρωτικούς φλοιούς) 21

22 Ισόχρονη 147 Sm- 143 Nd 143 Nd 144 Nd = 143 Nd 144 Nd i Sm 144 Nd [eλt 1] Μετράμε Μετράμε Κάθε μαγματικό πέτρωμα όταν κρυσταλλώνεται έχει μια αρχική σύσταση Nd. Πρακτικά είναι η ίδια εξίσωση με αυτή του συστήματος Rb/Sr Εάν x=( 147 Sm/ 144 Nd) m & y=( 143 Nd/ 144 Nd) m Έχουμε y=b+mx Εκεί που τέμνεται ο Υ είναι: b=( 143 Nd/ 144 Nd) i Και η κλίση m=(e -t -1) 22

23 Εξέλιξη του ισοτοπικού λόγου Sr, Nd στα διάφορα τμήματα της Γης 23

24 Εξέλιξη ισοτόπων Nd (διαφοροποίηση της Γης στα 3 Ga, σχηματισμός φλοιού από τον μανδύα (πηγή : Wilson (1989). Igneous Petrogenesis. Unwin Hyman/Kluwer. 24

25 Συντελεστής έψιλον (ε Νd, CHUR ) ε Nd, CHUR = 143 Nd 144 Nd sample 143 Nd 144 Nd CHUR CHUR = Chondritic Uniform Reservoir (υποθετική σύσταση της πρωταρχικής μη διαφοροποιημένης γης) βασίστηκε σε μετρήσεις χονδριτών μετεωριτών (DePaulo and Wasserburg, 1976a) συγκρίνουμε τις τιμές των δειγμάτων μας σε σχέση με την τιμή CHUR τιμή ε Nd Μπορούμε να αναφερόμαστε σε πολύ μικρές μεταβολές των ισοτόπων Nd (~0.0001) Ποιά είναι η τιμή του ε για το CHUR? 25

26 Συνδιασμένη προβολή Sm-Nd & Rb-Sr 26

27 Διακύμανση του ισοτοπικού Nd στο θαλασσινό νερό Το Nd δεν έχει ομοιογένεια στους ωκεανούς λόγω της μικρού χρόνου παραμονής του στο θαλασσινό νερό. R t = total reservoir / (C sinks) 27

28 Εφαρμογές χρονολόγησης με ισότοπα Nd REE είναι εξαιρετικά ανθεκτικές στις συνθήκες μεταμόρφωσης, έτσι μπορούμε να μετρήσουμε ισότοπα Nd σε: πολύ παλιά ιζήματα, δόντια ψαριών, Fe-Mn σφαιρίδια, κλπ. Οι διακυμάνσεις στα ισότοπα Nd αποτυπώνουν την τεκτονική εξέλιξη ενός σχηματισμού σε μεγάλη χρονική κλίμακα. 28

29 Ισόχρονη Rhenium Osmium (PGE) Χρονολόγηση Μετεωριτών 29

30 Φωτ. 3. Δείγματα Μετωριτών: Fe-Ni Μετεωρίτης (αριστερά) and Χονδρίτης Μετεωρίτης (δεξιά) 30

31 Ειδική Περίπτωση Σειρά U Th Pb 31

32 Σύστημα U-Pb-Th Πολύ πολύπλοκο σύστημα. 3 ραδιενεργά ισότοπα του U: 234 U, 235 U, 238 U. 3 ραδιογενή ισότοπα του Pb: 206 Pb, 207 Pb, and 208 Pb. Μόνο το 204 Pb είναι αυστηρά μη ραδιογενές (non-radiogenic). U, Th, και Pb είναι μη ανταγωνιστικά (incompatible) στοιχεία, και συγκεντρώνονται στα πρώτα τήγματα. Ισοτοπική σύσταση του Pb στο πέτρωμα = συνάρτηση μιας σειράς ραδιενεργών διασπάσεων. 238 U 234 U 206 Pb (λ = x a -1 ) 235 U 207 Pb (λ = x a -1 ) 232 Th 208 Pb (λ = x a -1 ) 32

33 Σύστημα U-Pb-Th Ισόχρονη - Concordia = ταυτόχρονη εξέλιξη του 206 Pb και 207 Pb μέσω των διασπάσεων: 238 U 234 U 206 Pb 235 U 207 Pb 206 Pb* : radiogenic 206 Pb To παράδειγμα την εξέλιξη ενός ισοτοπικού συστήματος για χρονική περίοδο 2.5 Ga Concordia, εξέλιξη ισοτόπων Pb ενός αρχαίου πετρώματος 3.5 Ga με ένα επεισόδιο απώλειας Pb. (πηγή: Faure (1986). Principles of Isotope Geology. 2nd, ed. John Wiley & Sons. New York.) 33

34 Σύστημα U-Pb-Th Discordia = ταυτόχρονη απώλεια 206 Pb και 207 Pb Discordia: loss of both 206 Pb and 207 Pb due to some thermal event (metamorphism) All origin but not same amount Suppose this occurs 2.5 Ga after original crystallization. Concordia diagram illustrating the Pb isotopic development of a 3.5 Ga old rock with a single episode of Pb loss. (πηγή: Faure (1986). Principles of Isotope Geology. 2nd, ed. John Wiley & Sons. New York. 34

35 Σύστημα U-Pb-Th Διάγραμμα Concordia για συνολικό χρόνο 3.5 Ga Concordia diagram illustrating the Pb isotopic development of a 3.5 Ga old rock with a single episode of Pb loss. (πηγή: Faure (1986). Principles of Isotope Geology. 2nd, ed. John Wiley & Sons. New York. ) 35

36 Βιβλιογραφικές αναφορές 1. Allègre, C. J. (2008). Isotope Geology. Cambridge University Press, Cambridge, 512 pp. 2. Faure, G. Principles of Isotope Geology. (1986). 2 nd edn. J. Wiley & Sons, New York, 589 pp. 3. Misra, K. C. (2012). Introduction to Geochemistry: principles & applications. WILEY-BLACKWELL, UK, 438 pp. 4. DePaulo and Wasserburg, 1976a. Nd isotopic variations and petrogenetic models. Geophys. Res. Lett. 3,