Презентация Изотопная геохимия. Геохимия стабильных изотопов, Радиоуглеродный метод онлайн

Содержание слайда: Общая геохимия Лекция 9 Изотопная геохимия. Геохимия стабильных изотопов, Радиоуглеродный метод

Содержание слайда: Геохимия стабильных изотопов Большинство встречающихся в природе элементов имеет несколько стабильных изотопов Определение изотопных соотношений сталкивается со значительными трудностями. Чем значительнее различие масс разных изотопов, тем технически проще осуществлять их разделение. Чем тяжелее элемент, тем меньше будет различие атомной массы. Удается определять изотопные соотношения только для элементов с атомной массой легче, чем Са (A < 40).

Содержание слайда: В геохимии стабильных изотопов реально используют только такие элементы как H,C,N,O,S, (Li, B, Si, Cl). В геохимии стабильных изотопов реально используют только такие элементы как H,C,N,O,S, (Li, B, Si, Cl).

Содержание слайда:

Содержание слайда: Отношение стабильных изотопов измеряется по отношению к стандарту и выражается в частях на 1000 (промилле, 0/00) Отношение стабильных изотопов измеряется по отношению к стандарту и выражается в частях на 1000 (промилле, 0/00) Это отношение обозначается величиной дельта δ. Например, для кислорода: δ18О0/00 = {[18O/16O(образец) – 18O/16O(стандарт)] / 18O/16O(стандарт)}*1000. Значение δ равное +10 будет означать, что образец обогащен изотопом 18О по отношению к стандарту на 1%. Стандарт – некоторый природный объект (порода, вода и др.), количество которого весьма значительно и который хорошо исследован в разных лабораториях.

Содержание слайда:

Содержание слайда: Главной целью изучения стабильных изотопов является изучение процессов в природе, которые приводят к разделению изотопов на основании различия их масс, а не на основании различия химических процессов. Главной целью изучения стабильных изотопов является изучение процессов в природе, которые приводят к разделению изотопов на основании различия их масс, а не на основании различия химических процессов. Процесс разделения называется изотопным фракционированием. Зависит от внешних условий: T (O,C,S,H), Eh (S). Усиливается при низких температурах. δ увеличивается при росте валентности (С,S). В продуктах неорган. обмена накапл. тяжелые изотопы, биогенного обмена – легкие изотопы.

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда: 2. Кинетические процессы. 2. Кинетические процессы. Отражают готовность конкретного изотопа к реагированию в процессе незавершенной реакции. Например, бактериальное восстановление сульфатов морской воды в сульфидную фазу происходит быстрее для легкого изотопа 32S, чем для тяжелого 34S. Цеолиты захватывают легкие изотопы Li и тяжелые K из растворов. 3. Физико-химические процессы. Испарение и конденсация, плавление и кристаллизация, диффузия. Обогащение легким изотопом по отношению к тяжелому в направлении транстпорта диффузии. При дистилляции пар обогащается легким изотопом. Легкие изотопы проникают быстрее и на большие расстояния.

Содержание слайда: Температурный контроль изотопного фракционирования Фактор фракционирования α между минералами М1 и М2. αМ1-М2 = (18O/16O)М1/(18O/16O)М2 1000lnαМ1-М2 = A*(106/T2) + B, где Т – температура в градусах Кельвина, А и В – экспериментально определенные константы. Влияние давления незначительно.

Содержание слайда: Изотопы кислорода 16О = 99.763 % 17О = 0.0375 % 18О = 0.1995 % Стандарты: PDB (белемнит из меловых отложений Южной Каролины) – для низкотемпературных измерений, и SMOW (средний состав морской воды), в котором отношение изотопов O и H соответствует расчетному составу морской воды. δ18Оsmow=1.03091 δ18Оpdb + 30.01

Содержание слайда: Вариации δ18O в разных типах пород и вод δ18О около 5.7 0/00 в хондритах и мантийном веществе δ18О больше 5.7 0/00 в большинстве гранитов, метаморфических пород и осадков δ18О меньше 5.7 0/00 в морской и метеорной воде

Содержание слайда:

Содержание слайда: Определение температуры отложения разнообразных осадков по кальцитам. Определение температуры отложения разнообразных осадков по кальцитам. Т в придонной части бассейнов является функцией глубины  оценка глубины бассейнов отложения осадков.

Содержание слайда:

Содержание слайда: Изотопы водорода 1Н = 99,9844 % - протий 2D = 0.0156 % - дейтерий 3Т тритий (очень мало – образуется под действием космических нейтронов) Т1/2 = 12.26 лет Водород присутствует в природе в виде H2O, OH-, H2, углеводородов. Стандарт: SMOW (средний состав морской воды), в котором отношение изотопов O и H соответствует расчетному составу морской воды.

Содержание слайда: Вариации δD в разных типах пород и вод

Содержание слайда: Изотопы углерода 12С = 98.89 % 13С = 1.11 % Углерод присутствует в природе в окисленной (СО2, карбонаты, бикарбонаты), восстановленной (метан, органический углерод) и самородной (алмаз, графит) формах. Стандарт: PDB (белемнит из меловых отложений Южной Каролины).

Содержание слайда: Вариации δ13С в разных типах пород и вод δ13С от -25 до 0 0/00 в метеоритах и в среднем -6 0/00 в мантийном веществе δ13С в морской воде 0 0/00 (поскольку она используется как стандарт) δ13С в среднем -26 0/00 для биомассы (в биомассе С более легкий)

Содержание слайда: Определение природы источника углеродсодержащих флюидов. Определение природы источника углеродсодержащих флюидов. Определение температур процессов по парам CO2-кальцит, доломит-кальцит, кальцит-графит, доломит-графит. 90% растений δ13С -250/00 . остальные С4 δ13С -130/00 (кукуруза) – более адаптированы к сухому солнечному климату

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда: Изотопы серы 32S = 95.02 % 33S = 0.75 % 34S = 4.21 % 36S = 0.02 % Сера присутствует в природе в самородной форме, в сульфатных и сульфидных минералах, газообразной форме (H2S, SO2), в окисленных и восстановленных ионах в растворах. Стандарт: CDT (троилит FeS в железном метеорите Canyon Diablo).

Содержание слайда: Вариации δ34S в разных типах пород и вод δ34S от 0 до 3 0/00 в мантийном веществе δ34S около 20 0/00 в морской воде δ34S << 0 для сильно восстановленной (осадочной) серы

Содержание слайда: Фракционирование изотопов серы в осадочных процессах (круговорот серы)

Содержание слайда: Фракционирование изотопов серы в гидротермальных процессах Природа S – мантийная или коровая T образования сульфидов и рудообразующих флюидов Соотношение вода/порода в процессе минералообразования Степень равновесности в процессе минералообразования Построение моделей рудообразования для конкретных объектов

Содержание слайда: РАДИОУГЛЕРОДНЫЙ МЕТОД РАДИОУГЛЕРОДНЫЙ МЕТОД Радионуклид 14С постоянно образуется в верхних слоях атмосферы (на высоте 8-18 км) при взаимодействии нейтронов космического происхождения с ядрами азота по реакции Стабильный изотоп азота (14N) в атмосфере подвергается действию космических лучей, превращающих его в изотоп углерода 14C, который имеет период полураспада 5730 лет. Проникая в верхние слои атмосферы, частицы расщепляют находящиеся там атомы, способствуя высвобождению протонов и нейтронов. Содержащиеся в воздухе атомы азота поглощают нейтроны и высвобождают протоны. Эти атомы имеют, как и прежде, массу 14, но обладают меньшим положительным зарядом; теперь их заряд равен шести.

Содержание слайда: Half-Life Illustration

Содержание слайда: Образование радиоактивных нуклидов углерода из атмосферного азота под воздействием космических лучей происходит со средней скоростью около 2.4 ат./с на каждый квадратный сантиметр земной поверхности. Изменения солнечной активности могут обусловить некоторые колебания этой величины. Образование радиоактивных нуклидов углерода из атмосферного азота под воздействием космических лучей происходит со средней скоростью около 2.4 ат./с на каждый квадратный сантиметр земной поверхности. Изменения солнечной активности могут обусловить некоторые колебания этой величины. Поскольку углерод-14 радиоактивен, он нестабилен и постепенно превращается в атомы азота-14, из которых образовался; в процессе такого превращения он выделяет электрон – отрицательную частицу, что и позволяет зафиксировать сам этот процесс. Подобно обычному углероду, радиоуглерод окисляется в воздухе, и при этом образуется радиоактивный диоксид (углекислый газ).

Содержание слайда: Под воздействием ветра атмосфера постоянно перемешивается, и в конечном итоге радиоактивный углекислый газ, образовавшийся под воздействием космических лучей, равномерно распределяется в атмосферном углекислом газе. Под воздействием ветра атмосфера постоянно перемешивается, и в конечном итоге радиоактивный углекислый газ, образовавшийся под воздействием космических лучей, равномерно распределяется в атмосферном углекислом газе. Однако относительное содержание радиоуглерода 14C в атмосфере остается чрезвычайно малым – ок. 1.2*10–12 г на один грамм обычного углерода 12С. Углерод имеет 2 стабильных изотопа - 12C (98.89%) и 13С (1.11%). Кроме того, на Земле имеются следовые количества радиоактивного изотопа 14С (0.0000000001%). Однако относительное содержание радиоуглерода 14С в атмосфере остается чрезвычайно малым – около 1.2х10–12 г на один грамм обычного углерода 12С. Благодаря постоянным потокам космических лучей, бомбардирующих атмосферу Земли, образование 14С происходит постоянно.

Содержание слайда: Полученный углерод быстро окисляется до 14СО2 и в дальнейшем усваивается растениями и микроорганизмами, поступая в пищевую цепь других организмов. Полученный углерод быстро окисляется до 14СО2 и в дальнейшем усваивается растениями и микроорганизмами, поступая в пищевую цепь других организмов. Таким образом, каждый живой организм постоянно получает определённое количество 14С в течение всей жизни. Космические лучи являются источником радиоактивности всех живых организмов. Как только организм погибает, такой обмен прекращается, и накопленный 14С постепенно распадается в реакции бета-распада: Испуская электрон и антинейтрино, 14С превращается в стабильный азот. Совместный эффект радиоактивных потерь и новых образований в стратосфере приводит к постоянной, хотя и незначительной, равновесной концентрации 14C в биосфере.

Содержание слайда: Carbon-14 Life Cycle

Содержание слайда: How Carbon-14 Is Produced

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда: Радиоуглеродный метод датирования Радиоуглеродный метод датирования – это радиометрический метод, который основан на измерении естественного содержания изотопа углерода-14 (14С) в углеродсодержащих материалах. Радиоуглеродный метод датирования был изобретён Виллардом Либби [18], профессором Чикагского университета и его коллегами в 1949 году. В 1960 году он получил Нобелевскую премию по химии за своё изобретение.

Содержание слайда: 1945-1952: The Critical Experiments First 14C date: wood from tomb of Zoser (Djoser), 3rd Dynasty Egyptian king (July 12, 1948). Historic age: 4650±75 BP Radiocarbon age: 3979±350 BP Second 14C date: wood from Hellenistic coffin Historic age: 2300±200 BP Radiocarbon age: (C-?) Modern! Fake! First “Curve of Knowns”: 6 data points (using seven samples) spanning AD 600 to 2700 BC. Half life used: 5720± 47 years

Содержание слайда: 1960-1980 “Second Radiocarbon Revolution:” Calibration Calibration of 14C time scale: Distinguishing “real (solar, sidereal) time" and "14C time” Bristlecone pine / 14C data: First detailed continuous tree ring- » based data set documenting 14C offsets over last 7000 yrs. Long-term anomaly: maximum Holocene offset about 10% or ~800 years at about 7000 BP Shorter-term anomalies: “De Vries effects” multi-millennial and multi-century oscillations in 14C time spectrum

Содержание слайда: Допущения Скорость образования 14C постоянна Биосфера и атмосфера имеют примерно равное содержание 14C После отмирания нет обмена 14C и его содержание определяется только радиоактивным распадом

Содержание слайда: Все определения возраста, полученные на основе лабораторного измерения содержания 14С, называют радиоуглеродными датами. Они приводятся в количестве лет до наших дней (ВР), а за момент отсчета принимается дата 1950 г., время проведения ядерных испытаний, после которых в атмосферу попало высокое количество искусственного 14С. Все определения возраста, полученные на основе лабораторного измерения содержания 14С, называют радиоуглеродными датами. Они приводятся в количестве лет до наших дней (ВР), а за момент отсчета принимается дата 1950 г., время проведения ядерных испытаний, после которых в атмосферу попало высокое количество искусственного 14С. Радиоуглеродные даты всегда приводят с указанием возможной статистической ошибки (например, 2560± 30 до ВР). BC - before Christ (англ.) , до Христа, до нашей эры. AD - anno domini (лат.) , нашего бога, нашей эры.

Содержание слайда: Методы определения радиоуглерода: «традиционный» и AMS «Традиционный» основан на определении количества электронов, выделяющихся в процессе распада 14С. Интенсивность их выделения соответствует количеству 14С в исследуемом образце. Время счета составляет до нескольких суток, поскольку за сутки происходит распад всего лишь примерно четверти миллионной доли содержащегося в образце количества атомов 14С. Требуется несколько грамм вещества на анализ.

Содержание слайда:

Содержание слайда: Примерно с 1965 г. широкое распространение получил метод жидкостной сцинтилляции. При его использовании полученный из образца углеродсодержащий газ превращают в жидкость (как правило, бензол), которую можно исследовать в небольшом стеклянном сосуде. Примерно с 1965 г. широкое распространение получил метод жидкостной сцинтилляции. При его использовании полученный из образца углеродсодержащий газ превращают в жидкость (как правило, бензол), которую можно исследовать в небольшом стеклянном сосуде. В жидкость добавляют специальное вещество – сцинтиллятор, которое заряжается энергией электронов, высвобождающихся при распаде радионуклидов 14С. Тем самым обеспечивается геометрия счета и устраняется самопоглощение β-частиц. Сцинтиллятор почти сразу испускает накопленную энергию в виде вспышек световых волн. Свет можно улавливать с помощью фотоумножительной трубки. Современные сцинтилляционные счетчики характеризуются почти нулевым фоновым излучением, что позволяет датировать с высокой точностью образцы возрастом до 50 000 лет.

Содержание слайда: Метод изотопной масс-спектрометрии в последние годы стал основным инструментом для определения содержания радиоуглерода и проведения датирования. Метод изотопной масс-спектрометрии в последние годы стал основным инструментом для определения содержания радиоуглерода и проведения датирования. Данный метод основывается на том, что атомы разных изотопов (и веществ, состоящих из них) имеют разную массу. Образцы вещества окисляются до образования углекислого газа (остальные оксиды удаляются), затем полученный газ ионизируется и на высокой скорости проходит через магнитную камеру, где заряженные молекулы отклоняются от исходной траектории. Чем больше отклонение - тем легче молекула, и тем меньше в ней 14С. Подсчитав соотношение слабо отклонившихся и сильно отклонившихся молекул, можно определить, какова концентрация 14С в образце с высокой точностью. Метод позволяет датировать образцы с массой всего несколько миллиграммов в диапазоне до 60 000 лет.

Содержание слайда: AMS-метод (акселераторная масс-спектрометрия) требует использования масс-спектрометра, с помощью которого выявляются все атомы с массой 14; особый фильтр позволяет различать 14N и 14С. AMS-метод (акселераторная масс-спектрометрия) требует использования масс-спектрометра, с помощью которого выявляются все атомы с массой 14; особый фильтр позволяет различать 14N и 14С. Поскольку при этом нет необходимости ждать, пока произойдет распад, счет 14С можно осуществить меньше, чем за час; достаточен образец массой в 0.5 мг (+/- 35 лет).

Содержание слайда: Accelerator Mass Spectrometer Accelerator Mass Spectrometer

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда: Основными способами калибровки метода, то есть расчёта баланса 14С в определенный период, являются сравнения результатов радиоуглеродного метода с другими независимыми методами - дендрохронологией, исследованиями кернов древнего льда, донных отложений, образцов древних кораллов (U-Th возраст до 50 000 лет), пещерных отложений и натёков. Основными способами калибровки метода, то есть расчёта баланса 14С в определенный период, являются сравнения результатов радиоуглеродного метода с другими независимыми методами - дендрохронологией, исследованиями кернов древнего льда, донных отложений, образцов древних кораллов (U-Th возраст до 50 000 лет), пещерных отложений и натёков. Для этого была построена калибровочная кривая, с помощью которой можно перевести радиоуглеродный возраст образца в календарный. В целлюлозе колец деревьев точно отражено текущее атмосферное состояние содержания радиоуглерода за период роста (возраст до 12 000 лет).

Содержание слайда: Archaeology

Содержание слайда:

Содержание слайда: Туринская Плащаница представляет собой кусок древнего полотна (4.3 х 1.1 метра) с довольно смутно проступающим на нем изображением обнаженного тела в двух проекциях - спереди со сложенными впереди руками и ровно лежащими ногами и со спины, - расположенного таким образом, как если бы человека положили на нижнюю часть полотна головой к центру, затем перегнули ткань пополам и накрыли ею тело. Туринская Плащаница представляет собой кусок древнего полотна (4.3 х 1.1 метра) с довольно смутно проступающим на нем изображением обнаженного тела в двух проекциях - спереди со сложенными впереди руками и ровно лежащими ногами и со спины, - расположенного таким образом, как если бы человека положили на нижнюю часть полотна головой к центру, затем перегнули ткань пополам и накрыли ею тело. Исследования позволили оценить рост мужчины около 178 см, а возраст между 30 и 45 годами.

Содержание слайда: Масса доказательств того, что в Туринскую плащаницу было завернуто тело Иисуса Христа после распятия: это состав и способ плетения ткани, соответствующие тому времени; Масса доказательств того, что в Туринскую плащаницу было завернуто тело Иисуса Христа после распятия: это состав и способ плетения ткани, соответствующие тому времени; пыльца растений, встречающихся только в той местности; четкие следы от монет с надписью «кесарь Тиберий», чеканившихся только около 30 г. н. э., то есть в годы казни Христа; положение тела, распространенное в иудейских захоронениях тех времен, и следы от ран, полностью соответствующие описанной в Евангелие истории распятия Иисуса. Отпечаток тела на ткани является не рисунком, а каким-то прожиганием, физику которого не могут понять. исследователи. Множество фактов, которые невозможно было подделать в Средние века, говорят о том, что плащаница подлинна.

Содержание слайда: В 1898 г. в Париже проходила международная выставка религиозного искусства. На нее привезли и Плащаницу из Турина, представив ее как плохо сохранившееся творение древних христианских художников. В 1898 г. в Париже проходила международная выставка религиозного искусства. На нее привезли и Плащаницу из Турина, представив ее как плохо сохранившееся творение древних христианских художников. Плащаницу повесили высоко над аркой, а перед закрытием выставки решили сфотографировать. На Туринской Плащанице запечатлено негативное изображение и что позитивное изображение Иисуса Христа можно получить, сделав негатив с Туринской Плащаницы. Человек на Туринской Плащанице был распят по древнеримским обычаям.

Содержание слайда: Исследования Туринской плащаницы в 1978г. Работы американского физика Дж. Джексона, который обнаружил, что потемнение Туринской Плащаницы в каждой точке находится в простой зависимости от расстояния до тела, которое оно, видимо, когда-то покрывало. Исследования Туринской плащаницы в 1978г. Работы американского физика Дж. Джексона, который обнаружил, что потемнение Туринской Плащаницы в каждой точке находится в простой зависимости от расстояния до тела, которое оно, видимо, когда-то покрывало. Было обнаружено, что образ на Туринской Плащанице не является результатом внесения в ткань каких-либо красящих веществ. Это полностью исключает возможность того, что образ на Плащанице был делом рук художника. Биохимические исследования, с большой долей вероятности, доказывают, что кровь была человеческой, а ее группа АБ (4-я).

Содержание слайда: Радиоуглеродный анализ Туринской плащаницы 1988 г. Датирование было осуществлено тремя независимыми лабораториями, которые пришли к одинаковому результату: данные с 95 %-ной вероятностью приводят к датам изготовления 1260 - 1390 гг. Туринская Плащаница была изготовлена в XIV веке, т. е. не является подлинной Плащаницей Иисуса Христа.  Этот результат приходит в противоречие со всеми другими фактами.

Содержание слайда: Одним из самых достоверных фактов сильнейшего воздействия на Плащаницу был пожар в храме города Шамбери (Франция) в 1532 г., в результате которого ткань Плащаницы подверглась воздействию высокой Т и даже обуглилась. Одним из самых достоверных фактов сильнейшего воздействия на Плащаницу был пожар в храме города Шамбери (Франция) в 1532 г., в результате которого ткань Плащаницы подверглась воздействию высокой Т и даже обуглилась. Можно предположить, что в ходе реставрации в 1532 г. или позже Плащаница была подвергнута обработке маслом, и в нее неизбежно попал углерод 16-го века, и это не могло не сказаться на ее радиоуглеродном датировании в 1988 г. В 1508 г. Плащаница была подвергнута кипячению в масле с целью доказательства ее подлинности (что Плащаница не написана красками). Естественно, подобное "испытание" по той же самой причине, что и в рассмотренном выше случае, ведет к "омоложению" углеродного состава Плащаницы.

Содержание слайда: Как показывают расчеты, для того, чтобы мы получили радиоуглеродную датировку возраста Плащаницы 1300-й год (данные Аризонского университета и Цюрихской лаборатории) в ткань Плащаницы в 1532 году должно быть внесено 14% углерода 16-го века. Как показывают расчеты, для того, чтобы мы получили радиоуглеродную датировку возраста Плащаницы 1300-й год (данные Аризонского университета и Цюрихской лаборатории) в ткань Плащаницы в 1532 году должно быть внесено 14% углерода 16-го века. Определим количество масла, необходимого для внесения в ткань 14% "нового" углерода. Льняная ткань хорошего качества состоит из 80% целлюлозы и 20% лигнина. Масса С в чистой целлюлозе составляет около 50%, а масса С в масле около 80%. Добавку к С в 14%, приводящую к изменению результатов датирования на 1300 лет, дает введение в ткань 7% растительного масла.

Содержание слайда: A False Assumption “We know that the assumption that the biospheric inventory of C14 has remained constant over the past 50,000 years or so is not true.”

Содержание слайда: Conflict in Dating In 1993 scientists found wood (trees) buried in basalt flows (69 feet deep)

Содержание слайда: Evidences for a Young Earth Helium in the Earth’s atmosphere Nuclear decay rates (Radioisotope dating) Sodium in the oceans Rapid disintegration of comets Erosion of continents Sediments in the ocean Decay of the Earth’s magnetic field Carbon-14 ratio in the atmosphere Radiohalos for polonium in granites Population statistics Recession of the moon Many more …..