TEMA 6 - Principis de Geoquímica Isotòpica i Aplicacions (2015)

Resumen Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Química - 1º curso
Asignatura Geoquímica
Año del apunte 2015
Páginas 6
Fecha de subida 04/05/2016
Descargas 29
Subido por

Vista previa del texto

Laura Moreno Gómez 1r Curs Grau Química, 2015 TEMA 6: PRINCIPIS DE GEOQUÍMICA ISOTÒPICA I APLICACIONS INTRODUCCIÓ - Majoria d’elements + d’un isòtop.
- Nº neutrons→ no afecta a les propietats químiques d’un element ni dels seus compostos. Però determinats processos poden provocar la concentració d’uns isòtops sobre altres.
- Abundàncies rel. dels isòtops→ lligades a la formació dels elements. + estables→ + abundants.
- Proporcions relatives (relacions isotòpiques)→ no varien amb el temps. Malgrat poden haver anomalies.
- Rel. isotòpiques entre isòtops estables→ serveixen de traçadors de l’origen de les roques i com a identificadors de det. processos.
- Rel. isotòpiques amb isòtops radioactius→ geocronòmetres. Per aquests, la proporció ↓ segons una llei de desintegració.
ISÒTOPS ESTABLES - Tots els núclids→ certa probabilitat de desintegrar-se.
Isòtops estables→ Aquells amb probabilitat petita de desintegrar-se. Tenen semivida > 3 Ganys.
Isòtops d’un element→ = comportament químic, ≠ propietats físiques.
≠ [ ] de compostos d’un isòtop respecte altres→ s’anomena fraccionament isotòpic (base de la GQ dels isòtops estables).
- S’estudien princ.→ H, C, N, O, Cl: perquè són elements presents als EV, majoria de roques i fluids de l’escorça.
- Elements lleugers: la ≠ de masses relativa entre els isòtops és major→ fenòmens de fraccionament + importants.
- Relacions isotòpiques entre isòtop pesat (poc abundant) i el lleuger (majoritari) → ex. 13C/12C ISÒTOPS ESTABLES - Feblesa de les variacions natures de les rel. isotòpiques i dels fraccionaments experimentals→ fraccionaments acostuma a estar expressat mitjançant la variació: δ, δ= [ ( ) – 1 ] · 103 [R→ relació isòtop pesat-lleuger] - Altra manera d’expressar la ≠ de fraccionament entre dues mostres A i B és a través de α: α A-B = PROCESSOS DE FRACCIONAMENT ISOTÒPIC - Les diferències de comportament dels isòtops→ rel. amb el seu moviment de vibració.
Vibraciólleugers>Vibraciópesats.
- Hi ha 2 mecanismes principals de fraccionament: 1. Reaccions d’intercanvi isotòpic - Es deuen a un equilibri TD entre les ≠ fases amb ≠ isòtops.
- Es regeixen per una ctn d’equilibri K.
- Exemple: H218 + ½ CaC16O3 ↔ H216O + 1/3 CaC18O3 K= - K→ és funció de la Tª.
- Per Tª < cond. ambientals: s’acosta a 1/T (cap al 0 absolut s’afavoreix la separació isotòpica total) - Tª altes: lnK ≈ 1/T2 i, per tant, el fraccionament tendeix a 0.
1 Laura Moreno Gómez 1r Curs Grau Química, 2015 - El fraccionament α i K→ lligades per α = K1/n . n→ nº d’àtoms intercanviats, de manera que plantejant l’equilibri amb un únic intercanvi K=α.
2. Efectes cinètics - Efectes associats a la major velocitat de reacció de les molèc. fetes d’isòtops lleugers i comporten l’enriquiment en isòtops lleugers dels productes de reacció.
- Aquesta mena d’enriquiment→ en mecanismes com: difusió de gasos, líquids i sòlids, reac. De dissociació irrev. o reac. de canvis d’estat.
- A una = Tª→ tots els isòtops tenen = Ec→ per tant, isòtops lleugers tindran vmitjana major (aquesta els dóna + capacitat d’abandonar un reservori).
- Exemple: - En la respiració acumulem 17O i 18O.
- En fotosíntesi: les plantes absorbeixen preferencialment 12C per un procés de difusió de C a través de les estomes de les fulles.
- L’aigua de mar s’enriqueix en deuteri i 18O.
- En tots els casos la temperatura tendeix a equilibrar els fraccionaments isotòpics.
APLICACIONS OXIGEN I - Les abundàncies naturals dels seus isòtops són:  1H=99.9844 % i 2D=0.0156 %  16O=99.763 %, 17O=0.0375 % i 18O=0.1995 % - L'anàlisi isotòpica de l'aigua permet deduir-ne el seu origen d'acord amb els fraccionaments isotòpics característics dels diversos entorns.
- Aigües meteòriques→ provenen de la condensació del vapor d'aigua de l'atmosfera. El vapor es troba empobrit en isòtops pesats (δ negatius), quan el vapor es condensa deixa un vapor encara més empobrit en isòtops pesats i quan acaba condensant produeix pluja més "lleugera" que no pas la que es que produeix en les primeres precipitacions.
- Els factors de fraccionament (α)→ funció de la temperatura i de la composició isotòpica de l'aigua meteòrica (a la pluja dels pols hi ha més fraccionament que no pas a l’equador).
- Aigües subterrànies i hidrotermals→ poden estar marcades isotòpicament amb el fraccionament corresponent a les roques per on circulen, això afecta els δ 18O que són elevats, mentre que els valors de δD no en queden afectats perquè no hi ha intercanvis significatius d’H entre el fluid i la roca.
- Els fraccionaments de δ18O mesurats en alguns minerals també aporten valuosa informació.
- Gen. → la importància dels fraccionaments de δ18O entre minerals disminueix a ↑ Tª.
- Els fraccionaments entre minerals en equilibri: - En roques volcàniques + febles que en roques plutòniques (les seves equivalents).
- En metamòrfiques és major encara.
- En sedimentàries el valor és màxim.
- En sèries magmàtiques el 18O→ tendeix a concentrar-se en els líquids i finalment passa a formar part dels minerals + polimeritzats (tectosilicats).
- Roques metamòrfiques→ magnitud dels fraccionaments entre minerals ↓ a mesura que ↑ el grau metamòrfic, de manera que l’anàlisi isotòpica es pot fer servir com a geotermòmetre.
2 Laura Moreno Gómez 1r Curs Grau Química, 2015 CARBONI - Les abundàncies naturals dels seus isòtops estables són: 12C=98.89 % i 13C=1.11 % - 2 grans reservoris de C: Matèria orgànica i carbonats sedimentaris.
- Matèria org.→ Processos biològics provoquen fraccionaments. Fotosíntesi concentra 12C en la mat. org.
Els δ13C de les plantes terrestres varia entre -10 i -30 ‰→ conseqüència: el petroli, el gas natural i el carbó també tenen fraccionaments negatius de 13C Carbonats sedimentaris→ major proporció de 13C. Carbonats marins→ el valor de δ13C és sempre proper a 0 (el material de referència és un tipus de carbonat marí), i s’observa que pels carbonats hi ha variacions en funció del nivell del mar de manera que s’han pogut fer estimacions sobre l’estat del nivell del mar estudiant sèries sedimentàries de carbonats.
NITROGEN - Les abundàncies naturals dels seus isòtops estables són: 14N=99.64 % i 15N=0.36 % - Localització→ capes fluides de la Terra, malgrat tot l'estudi del seu fraccionament té potencialment aplicacions en el camp del seguiment de contaminants (nitrats).
SOFRE - Les abundàncies naturals dels seus isòtops estables són: 32S=95.02 % , 33S=0.75 %, 34S=4.21 % i 36 S=0.02%, però per a aplicacions basades en fraccionament isotòpic es fa servir només la relació 34S/32S.
- En el processos d’oxidació-reducció δ34S ↑amb el pas a sulfat i ↓en el pas a sulfur.
- Fraccionaments + forts→ produïts per fenòmens biològics que absorbeixen preferentment l’isòtop lleuger, d’aquesta manera és possible distingir entre fenòmens de precipitació de sulfurs d’origen bioquímic dels purament de tipus químic.
ISÒTOPS RADIOGÈNICS PRINCIPIS DE DATACIÓ RADIOMÈTRICA - Es desintegren i la seva comp. no és cnt. Productes de descomposició radioactiva: - Partícules α: són nuclis d’4He.
- partícules β-: són e- emesos pel nucli a causa de la transformació d'un neutró en un H+ emetent un antineutrí.
- Captura electrònica / partícules β+: un protó captura un electró transformant-se en neutró i emetent un neutrí, el protó també pot fer la transformació sense captura electrònica emetent, a més del neutrí, un positró.
- Fissió espontània: un nucli gros es descompon en dos nuclis que es reparteixen el total de neutrons i protons.
- En el 4 processos→ hi ha també emissió de radiació electromagnètica d’alta energia (radiació γ).
- La descomposició d’isòtops radioactius→ es pot formular: Nt = N0 e-λt on (N0: nº d’àtoms radioactius de l’isòtop N a (t=0); Nt→ nº d’àtoms radioactius de l’isòtop N a l’instant t; λ: cnt (la semivida d'un isòtop és ln2/λ)).
- N0 no és determinable, però en canvi es pot mesurar N t i N’t (N’ denota l’isòtop fill→llavors: N0 =Nt +N’t es pot determinar l’edat de formació d’acord amb l’equació: t = ln ( + 1) - Malgrat tot, l’equació només permet una estimació fiable de l’edat de formació d’un sistema si: - Es coneix la constant radioactiva (λ) amb precisió.
3 Laura Moreno Gómez 1r Curs Grau Química, 2015 - Els possibles àtoms de l’isòtop fill presents a t=0 es tenen en compte.
- El sistema és tancat pel que fa als isòtops pare i fill. El procés nuclear és independent de→ P, Tª, pH, els tipus d’enllaços. Però si els isòtops s’escapen del sistema no podem fer-ne el comptes correctament.
- Alguns núclids-fill→ radioactius→ s’estableix una sèrie de descomposició radioactiva. També, l’isòtop fill pot ser→ negatiu.
APLICACIONS MÈTODE DE DATACIÓ Rb-Sr - El Rb→ poc abundant. No forma minerals, però substitueix el K en molts minerals (miques, feldspat K, argiles i algunes evaporites).
- 2 isòtops naturals (85Rb i 87Rb)→ 87Rb és radioactiu→ es transforma en 87Sr a través d'una desintegració β- amb una semivida de 4.88·1010 anys (λ = 1.42·10-11 anys-1). La quantitat 87Sr és funció de la quantitat inicial i de la quantitat de 87Rb d’acord amb aquesta equació: 87 Sr= 87Sr0 + 87Rb (eλt – 1) - Si aïllem el temps tenim l’estimació de l’edat sempre i quan coneguem totes les altres varibles T= ln ( +1) - Ara bé, l’espectròmetre de masses no determina [ ]absolutes d’isòtops sinó relacions entre isòtops, per això tot es fa en relació a l'isòtop estable 86Sr: = (eλt – 1) + - Aquesta equació es pot assimilar a l’expressió general d’una recta y = A + kx on: y= , A= , k = eλt – 1 i x= - Aquesta assimilació és clau per a poder esbrinar la quantitat inicial de 87Sr i per tant poder deduir l’edat de la mostra analitzada. El que es fa és analitzar diverses mostres de la mateixa roca amb un continguts variables de Rb (és a dir amb continguts variables de minerals amb K) i representar les relacions 87 Rb/86Sr i 87Rb/86Sr, en un diagrama x-y, si els punts queden alineats podem trobar la intersecció amb l’eix y que ens dóna una bona estimació de (87Rb/86Sr)0.
- Roques ígnies→ edat trobada: la del moment de cristal·lització de la roca.
- Roques metamòrfiques (provenen de roques ígnies)→ és possible que prenent mostres de diverses mostres allunyades entre elles s'obtingui d'edat de cristal·lització, però que, en canvi, analitzant mostres de diversos minerals d'una mateixa mostra de roca s’obtingui l’edat del metamorfisme, assumint que el metamorfisme hagi produït la homogeneïtzació isotòpica dels minerals a petita escala però no per volums grans de roca.
- Per roques sedimentàries (carbonats marins d’origen biològic)→ relacions 87Rb/86Sr (isòtops estables) també es poden utilitzar per datar, a partir de consideracions sobre les relacions 87Rb/86Sr del mantell i de l’escorça.
MÈTODE DE DATACIÓ Sm-Nd - El Sm i el Nd són lantànids, terres rares. Són rars però trobem una petita quantitat en quasi qualsevol roca com a cations trivalents.
- Tenen 7 isòtops naturals.
- Mètode de datació→ descomposició de 147Sm en 143Nd (mitjançant una descomposició α amb una semivida de 1.06·1011 anys (λ=6.54·10-12 anys-1)).
4 Laura Moreno Gómez 1r Curs Grau Química, 2015 - Mètode de datació s'aplica = que el mètode Rd-Sr→ per a la det. d'edats de roques ígnies i de fenòmens de metamorfisme.
- Similar al mètode Rd-Sr: - Es fa servir un isòtop estable no radiogènic com a isòtop de referència, en aquest cas és el 144Nd: = + (eλt – 1) - Es fan servir les relacions 143Nd/144Nd per fer estudis de l’edat de diferenciació de parts de l’escorça en relació al mantell.
- Aplicació→ és útil en estudis de procedència de sediments (sediment manté la relació isotòpica que té la roca original).
MÈTODES DE DATACIÓ K-Ar i Ar-Ar - K→ un dels elements + abundants. Allà on el trobem sempre hi ha una certa quantitat de l’isòtop 40Ar que es descompon en 40Ar, un gas noble→ no forma enllaços, malgrat tot pot quedar atrapat a les inclusions fluides dels minerals.
- Les abundàncies dels isòtops de potassi són: 39K=93.2581 % , 40K=0.01167 %, 41K=6.7302 % - K→ no pateix processos de fraccionament isotòpic. Aquestes abundàncies són les que trobem en tots els minerals amb K. L'absència de fraccionament permet calcular el contingut de 40K a partir del contingut total de K.
- La semivida del 40K és de 1.25·109 anys i es descompon seguint dos possibles camins: - Es transforma en 40Ca (per emissió β-) - O en 40Ar (per emissió β+ o per captura electrònica).
*Cada camí de desintegració té la seva pròpia cnt, la total és la suma d'ambdues: λ = λAr +λCa (5.543·10-10 = 0.581·10-10 + 4.962·10-10) - El càlcul de l’edat es fa d'acord amb l'expressió: t= ln (1+ 40 ) - Es mesura experimentalment la relació 40Ar/ K.
Problema? → la contaminació amb Ar atmosfèric. El 40Ar (format per desintegració del K) contingut en un mineral pot escapar fàcilment si el mineral es troba a ↑ Tª, però per Tª ↓hi queda atrapat. La Tª a la qual l'Ar ja no pot escapar de l'estructura és l'anomenada temperatura de tancament del sistema, que és característica de cada estructura. L'edat determinada amb el mètode de datació de K-Ar és la del tancament del sistema.
- Les relacions 40Ar/40K→ molt variables dins d'un mateix mineral (per contaminació i per pèrdues locals).
- Mètode Ar-Ar→ millora del mètode clàssic KAr.
- Mètode clàssic→ determinació de 40Ar, a partir de mesures amb un espectròmetre de masses i la quantificació del 40K a partir de l'abundància natural d'aquest isòtop (determinant el contingut total de K per exemple a partir de fluorescència de raigs X).
- Nou mètode Ar-Ar→ es transforma una fracció coneguda de l’isòtop estable 39K en 39Ar (mitjançant irradiació amb neutrons). 39Ar→ radioactiu, amb una semivida de només 269 anys. Amb el mètode Ar-Ar s’analitza en una única mesura la relació 40Ar/39Ar (39Ar directament relacionable amb la quantitat de 40K). Mitjançant aquesta nova tècnica s’escalfa paulatinament la mostra i es va mesurant la relació 40Ar/39Ar de l’argó alliberat. Si per un rang important de temperatures l’edat que s’obté és constant es diu que la mesura ha estat exitosa.
- A causa de les ↓Tª de tancament d’Ar dels minerals→ edats mesurades pel mètode K-Ar i Ar-Ar s’assignen a les edats d’exhumació de material metamòrfic o igni, i permet distingir entre exhumació deguda a erosió i exhumació deguda a moviments tectònics.
5 Laura Moreno Gómez 1r Curs Grau Química, 2015 MÈTODES DE DATACIÓ U-Pb - L’U i el Th→ són actínids (terres rares). Cations tetravalents amb rols geoquímics similars.
- L’U→ en cond d'oxidació també pot actuar com a hexavalent i formar compostos solubles.
- Descomposició dels isòtops radioactius d'U i Th→ formen sèries de descomposició que acaben formant Pb.
- Mètodes de datació→ es fixen concretament en els isòtops 238U, 235U, 232Th que acaben formant 206Pb, 207 Pb i 208Pb respectivament. Aquests isòtops s’estudien especialment en zircons (ZrSiO 4) que sempre acostumen a tenir una certa quantitat de Zr4+ substituït per U4+ i Th4+, però en canvi no incorporen pràcticament gens de Pb2+.
- A banda dels mètodes de datació amb 238U, 235U, 232Th→ algunes descomposicions intermèdies dins d'aquestes sèries de desintegració es poden fer servir per datar esdeveniments geològicament recents.
- Desintegració de 238U, 235U en 206Pb, 207Pb→ base de 2 geocronòmetres independents que donen el = valor d'edat sempre i quan el sistema format per minerals amb un cert contingut en U hagi estat tancat per l'U i tots els seus isòtops fills. Els valors de diverses edats concordants→ s’agrupen en l’anomenada corba de la concòrdia.(Aplicat a zircons l’edat concordant correspon a la cristal·lització del magma que els va originar).
- Si es produeix un esdeveniment metamòrfic→ molt fàcil que el Pb s’escapi de l’estructura dels zircons.
La pèrdua de Pb provoca que les relacions isotòpiques mesurades tendeixin a anar cap a l’origen del gràfic. Un cop s’ha tornat a tancar el sistema evolucionaran movent-se paral·lelament a la corba de la concòrdia per bé que es mantindran alineats entre ells. Els punts d’intersecció de l’alineament de punt (corresponents a relacions isotòpiques per a zircons de mida diversa) amb la corba de la concòrdia ens dóna l’edat de formació dels zircons (intersecció superior) i l’edat de l’esdeveniment metamòrfic (intersecció inferiors).
Zircons→ minerals molt resistents a l’erosió de manera que se’n poden trobar formant part de grans detrítics en roques sedimentàries. El seu estudi ha permès determinar l’edat dels sediments més antics de l’escorça (4.3 Ganys), a més l’estudi de sediments també permet fer estudis de procedència.
6 ...

Comprar Previsualizar