zalacznik, Geologia
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
ĆWICZENIA Z GEOLOGII ZŁÓŻ
METODYKA BADAŃ W GEOLOGII ZŁÓŻ
SEMESTR ZIMOWY 2006/2007
BLOK: „WYKORZYSTANIE BADAŃ TRWAŁYCH IZOTOPÓW
W GEOLOGII ZŁÓŻ (I NIE TYLKO)”
PROWADZĄCY:
DR MACIEJ BOJANOWSKI
1
&
DR MAŁGORZATA STRENGEL-MARTINEZ
2
„Ostrzeżenie!!! – Wyniki badań trwałych izotopów mogą powodować poważne i zaraźliwe bóle
brzucha, jeśli przyjmowane są indywidualnie. Aby uniknąć zaniepokojenia żołądka własnego i
recenzentów, zażyj wyniki badań trwałych izotopów ze zdrową dawką innych informacji
hydrologicznych, geologicznych i geochemicznych. Przekonasz się wtedy, że dane uzyskane z
badań trwałych izotopów są bardzo zbawienne.” (Marvin O. Fretwell, pers. comm. 1983 –
1
Zakład Geologii Złożowej i Gospodarczej; e-mail:
mcbojan@uw.edu.pl
;
tel.: 022 554 03 28; dyżur: środa 11-13;
pokój 2083
2
Zakład Geologii Złożowej i Gospodarczej; e-mail:
m.strengel-martinez@uw.edu.pl
;
tel.: 022 554 04 25;
dyżur: czwartek 11-12; pokój 2035;
1
INFORMACJE PODSTAWOWE
Atomy składają się z protonów (o ładunku +), neutronów i elektronów (o ładunku ). Protony i
neutrony zawarte są w jądrze, które skupia niemal całą masę atomu, a elektrony występują na
powłokach elektronowych.
Liczba atomowa (Z) + liczba neutronowa (N) = l. masowa (A)
liczba atomowa to liczba protonów zawartych w jądrze atomu – opisuje ona z jakim
pierwiastkiem mamy do czynienia
liczba neutronowa to liczba neutronów w jądrze atomu.
Liczba masowa =
A = Z + N
Symbol chemiczny
pierwiastka
Liczba atomowa =
liczba protonów
N
= Liczba neutronowa
Poszczególne rodzaje atomów nazywane są
nuklidami
i mogą się różnić wartościami liczby
neutronowej, atomowej lub masowej.
Nuklidy o tej samej Z to pierwiastki.
Nuklidy danego pierwiastka o różnej N, więc także o różnej A – to izotopy (
16
8
O,
17
8
O,
18
8
O).
Nuklidy dwóch pierwiastków, więc o różnej Z, ale o takiej samej A to izobary (
3
1
H,
3
2
He).
Nuklidy o różnych Z i A, ale o takiej samej N to izotony (
14
6
C,
16
8
O).
Izotopy
to atomy, których jądra zawierają tę samą liczbę protonów, ale różną liczbę neutronów.
Czyli, izotopy danego pierwiastka mają tę samą liczbę atomową, a różną liczbę masową. Termin
izotopy pochodzi z greki i oznacza „równe miejsce”, co bierze się z faktu, że są to wprawdzie różne
nuklidy, ale które zajmują w układzie okresowym to samo miejsce.
Sposób zapisu
: zwykle izotopy zapisuje się podając tylko liczbę masową w górnym lewym rogu
symbolu pierwiastka – np.
18
O lub podając nazwę pierwiastka jako pierwszą a następnie myślnik i
liczbę masową – np. „tlen-18”.
2
Podział izotopów
na trwałe i nietrwałe (promieniotwórcze) oraz na pierwotne (przejęte z materii
kosmicznej) i wtórne (powstałe w wyniku przemian promieniotwórczych). Istnieje 300 trwałych i
1200 nietrwałych izotopów. Czyli większość naturalnie występujących izotopów to izotopy
nietrwałe, które ulegają rozpadowi promieniotwórczemu w wyniku, którego powstają inne izotopy.
Podczas rozpadu, izotopy promieniotwórcze emitują cząstki alfa lub beta i czasami również
promienie gamma. Izotopy promieniotwórcze używa się między innymi do radiometrycznych
metod datowania. Jedynie 21 pierwiastków ma tylko 1 izotop. Przeważnie jeden izotop, w składzie
danego pierwiastka, wybitnie przeważa ilościowo nad pozostałymi (wyjątek np.
63
Cu – 69%, a
65
Cu – 31%).
Nie bardzo wiadomo, jaka jest
częstość występowania
poszczególnych pierwiastków, ale
podejmowano próby jej obliczania na podstawie analizy składu meteorytów oraz atmosfery Słońca i
gwiazd. W próbach tych określono względne stosunki atomowe poszczególnych pierwiastków
przyjmując umownie, że częstość pierwiastka referencyjnego ma określoną wartość, np. przyjmuje
się, że krzem ma częstość 10
6
i częstości atomowe innych pierwiastków porównuje się z tą
wartością. Charakterystyczne jest, że częstość pierwiastków maleje wraz z wzrastającą l. atomową,
przy czym spadek jest gwałtowny tylko na początku układu okresowego, czyli że pierwiastki
lekkie, zwłaszcza H, są wielokrotnie częstsze niż ciężkie. Pewne pierwiastki odbiegają jednak od
tego trendu i mogą być anomalnie mniej częste (deficytowe, np. Li, Be) lub bardziej częste (np. O i
Fe). Dodatkowo pierwiastki o l. atomowych parzystych są częstsze od o l. atomowej nieparzystej.
Wychodząc od znanych częstości atomowych i znając procentowy udział poszczególnych izotopów
danego pierwiastka, można ustalić częstości jego izotopów. Nuklidy o parzystych liczbach
protonów lub neutronów są częstsze od nieparzystych. Co ciekawe, zauważono, że wyższą częstość
mają nuklidy mające pewne liczby protonów lub neutronów. te liczby to: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 i
nazywa się je liczbami magicznymi. Oprócz tego jeśli dwa izobary różnią się od siebie liczbą
protonów o 1, to jeden z nich jest promieniotwórczy (np.
3
1
H –
3
2
He;
14
6
C –
14
7
N).
METODY BADAWCZE
Do podstawowych zadań geochemii izotopów należy poznanie składu izotopowego pierwiastków
występujących w przyrodzie oraz śledzenie jego zmienności. Używa się do tego przeważnie metod
fizycznych, np. określania ciężaru właściwego fluidów czy analizy widma masowego. Aby zbadać
skład izotopowy danego pierwiastka należy oznaczyć jego l. masową i określić stosunki izotopowe.
Służą do tego
spektrografy i spektrometry mas
. Różnią się od siebie konstrukcją, ale i
przeznaczeniem. Spektrografy mas pozwalają dokładnie określić liczby masowe poszczególnych
izotopów, natomiast słabiej oznaczają względną ich częstość występowania. W geochemii izotopów
3
trwałych używa się najczęściej spektrometrów mas, które wykrywają różnice przebiegu przez pole
magnetyczne jonów o różnym stosunku masy do ładunku zwanym widmem masowym. Służą
głównie do oznaczania stosunków izotopowych. Próbki należy przygotować w postaci zmielonej –
proszku, z którego najczęściej w wyniku zastosowania odpowiednich odczynników wydziela się
badany pierwiastek w postaci gazu, np. CO
2
dla potrzeb zbadania trwałych izotopów węgla czy
tlenu.
W ostatnich latach coraz szerzej w naukach geologicznych znajduje zastosowanie
mikrosonda
jonowa i ablacja laserowa
. Mikrosonda jonowa przeprowadzana jest na płytkach cienkich
odkrytych i pozwala na zbadanie stosunków izotopowych w poszczególnych kryształach i ziarnach
lub nawet w poszczególnych ich partiach, a ablacja laserowa przeprowadzana jest na odłamkach
skały w świetle odbitym.
SPOSOBY WYRAŻANIA SKŁADU IZOTOPOWEGO PIERWIASTKÓW
Skład izotopowy pierwiastka wyraża się najczęściej jako stosunek dwóch wybranych izotopów
rozpatrywanego pierwiastka. Wyraża się to:
A
1
/A
2
= R
, gdzie A
1
i A
2
to zawartość izotopów 1
(cięższy) i 2 (lżejszy) w próbce, np.
18
O/
16
O. Stosunek ten mierzony jest względem ustalonych,
powszechnie uznanych wzorców. Różnicę zmierzonej wartości stosunku izotopowego do wzorca
wyraża się a pomocą parametru δ w promilach (
Załącznik 1
). Jeżeli δ > 0, to oznacza, że badana
próbka jest wzbogacona w cięższy izotop w stosunku do wzorca. Jeżeli δ < 0, to oznacza, że badana
próbka jest zubożona w cięższy izotop w stosunku do wzorca.
Określenie, który
wzorzec
jest najlepszy dla badań izotopowych jest bardzo trudne. Wzorzec
powinien spełniać następujące warunki:
1. Powinien być powszechnie używany jako punkt „0”,
2. Powinien mieć jednorodny skład izotopowy,
3. Powinien być osiągalny w dużych ilościach,
4. Powinien być łatwy do stosowania w przygotowawczych operacjach chemicznych
i pomiarach stosunków izotopowych,
5. Powinien mieć bezwzględny stosunek izotopowy R w przybliżeniu pośrodku
zmienności stosunków izotopowych danego pierwiastka w naturalnych
środowiskach.
4
Załącznik 1
SPOSOBY WYRAŻANIA ZMIENNOŚCI SKŁADU IZOTOPOWEGO
PIERWIASTKÓW
1. Skład izotopowy pierwiastka można wyrazić przez procentowy udział
poszczególnych izotopów.
2. W geochemii izotopów ograniczamy się najczęściej do zbadania stosunków
między dwoma wybranymi izotopami rozpatrywanego pierwiastka:
A
1
A
2
=
R,
gdzie A
1
i A
2
to zawartość izotopów 1 i 2 w badanej próbce
3. Obecnie jednak w geochemii izotopów stosowane jest powszechnie porównanie
stosunków izotopowych w badanej próbce ze stosunkiem w pewnym wzorcu.
Porównanie to określa
względne odchylenie od wzorca ( „delta value”)
:
(w
%
o
)
R
próbk
i
-
R
wzorca
x
1000
,
A
R
wzorca
gdzie R=A
1
/A
2
wyraża z reguły stosunek izotopu o wyższej liczbie masowej do
izotopu o liczbie masowej niższej.
Jeżeli
A
>
B
(A i B odnosi się do dwóch różnych próbek, w których oznaczamy
stosunki izotopowe badanego pierwiastka), to próbka A jest bogatsza od próbki B w
cięższy izotop badanego pierwiastka.
Przykład:
O
o
18
O/
16
O
próbki
-
18
O/
16
O
wzorca
x
1000
18
O/
16
O
wzorca
Jeżeli
18
O wynosi +10‰, to oznacza, że próbka jest wzbogacona w cięższy izotop tlenu w
stosunku do wzorca.
5
18
[ Pobierz całość w formacie PDF ]