Einführung in die Isotopengeochemie (M. Tichomirowa)

Proton

Neutron

Was sind Isotope?

Atome, deren Kerne die gleiche Anzahl vonProtonen enthalten, aber unterschiedlicheAnzahl von Neutronen

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

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ISOTOP – gleicher Platz

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Isotope des Strontiums, deren Molmassen und relative Häufigkeiten

Schreibweise:ME, z.B. 13C

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NUKLIDKARTE (M-Z)

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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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Aufbau eines Massenspektrometers – IRMS „Isotope Ratio Mass Spectrometer“

• Ionenquelle• Trennrohr

(mit Magnet)• Analysator

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IRMS Quadrupol

Verschiedene Systeme der Massentrennung

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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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amu 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142

Ba 0,106 0,101 2,417 6,592 7,854 11,23 71,70A

La 0,090 99,91

Ce 0,185 0,251 88,45 11,11

Tabelle: Isotopenzusammensetzung von Barium, Lanthan und Cerin gerundeten amu und prozentualer Anteil am natürlichen Element

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Analysator: Detektoren und Verstärkung

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

bei N + Z > 40 N/Z > 1

2. Regel: stabiler bei gerader Zam stabilsten bei gerader Z und gerader N

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• Radioaktivität• Strahlung: α – Helium-Kerne

β - Elektronenγ – elektromagnetische

Veränderung von Isotopenhäufigkeiten

• 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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Veränderung von Isotopenhäufigkeiten

Masse – Bindungsstärke

Einige Beispiele: • Kristallstruktur Kristallstruktur Bindungsstärke

- wie dicht sind Strukturen gepackt?z.B. Graphit und Diamant, Aragonit und Kalzit, Wasser und Eis

•• chemische Zusammensetzung der Mineralechemische Zusammensetzung der Mineralereiner Massenunterschied der Kationen:

z.B. verschiedene Sulfide: δ34S ZnS > δ34S PbS

• Isotopenaustausch Isotopenaustausch –– thermodynamisches Gleichgewichtthermodynamisches Gleichgewicht

Fraktionierungsprozesse – Veränderung der Isotopenhäufigkeiten stabiler Isotope

• Fraktionierungsbetrag hängt von relativer Massendifferenz ab

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δProbe = [RProbe/RStandard – 1] x 1000 R – Isotopenverhältnis,z.B. 18O/16O(i.d.R. schwer/leicht)δ = +

δ = -

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Standards: laborinterne, internationale (IAEA –International Atomic Energy Agency)

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

Stabile Isotope:

Hoefs J. (1997): „Stable isotope geochemistry“Springer Verlag, Berlin-Heidelberg-New York4. Auflage, 201 pp.

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

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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

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