Elemek • A geokémia osztályozás: • - Nukleáris tulajdonságok alapján (stabil, radioaktív), • - Illékonyságuk (kondezációs képesség) alapján gáz-szilárd egyensúlyban, • - Affinitásuk alapján (megjelenésük a földi szférákban) (pl. sziderofil), • - Kompatibilitásuk szerint (szilárd/olvadék (oldat) relációban), • - Gyakoriságuk alapján (mennyi a kéregben, talajban, folyókban, magban),
A Föld kontinentális kérgében ma 90 elem: - Tc és Pm kivételével az első 83 elem stabil nuklid formában is (~30 elemnek radioktív nuklidjai ismertek), - 83 (Bi) ≤ Z radioaktív nuklid formájában fordul elő (Np, Pu; kisérleti úton legalább további 1000, különböző stabilitású radionuklidot állítottak elő!), - elemi sokszínűség
A hét leggyakoribb elem a Földben
Relative atomic abundances of the seven most common elements that comprise 97% of the Earth's mass. An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology, by John Winter , Prentice Hall.
The 10 most abundant elements by mass in the earth's crust and in the human body. All are main-group elements except Fe and Ti.
H, O, C, N mellett Ca, S, Na, K, Cl, Mg – 0,X-0,0X at%, Univerzum (csillagok): H>He>O
Az Univerzumban: - H a világegyetem leggyakoribb eleme (~90 atom%), - He a csillagokban kb. a H tizede, - O (az univerzum harmadik helyezettje) a He százada - H- és He-től >Z elemek a H és He magreakciójából jött létre?
Az elemek szintézise • • • •
Ősrobbanás (Big Bang) (nukleoszintézis) Csillagok magjában (nukleoszintézis) Szupernóva robbanás Kozmikus sugárzás
Burbidge, Burbidge, Fowler, Hoyle (1957) B2FH Alpher, Bethe, Gamow (1948)
N B11 B10 Be
Atommagok stabilitása: a legstabilabbak azok a magok, ahol a legnagyobb a kötési energia/mag érték (MeV), pl: 56Fe, 4He <--> 1H, 3He, 6Li, 10B
White, 2003
Albarede, 2006
Ahogy nő a nukleonok száma elérjük a vas környékén a kötési energia maximumát. A nagyobb tömegű magok kevésbé stabilak. Energia nyerhető a kis magok fúziójából és a nagy magok hasadásából. Jellemző az alfa-bomlás a nehéz magok esetén.
Plot of Z vs. N for nuclides up to calcuim (Z=20) showing the "stable" valley of the nuclides. The Z : N ratio is 1 for the light nuclides and increases towards 1.5 for the heavier nuclides. Increases or decreases in N for given element produces increasingly unstable isotopes (decreasing T½).
Magtáblázat Több mint 2300 ismert nuklid Csak 287 izotóp stabil vagy természetben előforduló radioaktív (264 nem-radioaktív) A Tc(Z=43), Pm(Z=61) és a Bi-nál (Z=83) nehezebb elemek mind radioaktívak
Magok stabilitásért a neutronok felelnek Mágikus proton- és neutronszámokkal rendelkező magok különösen stabilak (több izotóp, pl. Sn): - proton: 2, 8, 20, 28, 50, 82 - neutron: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 Radioaktív mag alfa-bomlással [(2p+2n) különösen stabil Számos radioaktív bomlás végtermék magja mágikus p és n szamú
Elemek gyakorisága a Naprendszerben Honnan tudjuk? - A Nap (és a többi csillag) spektroszkópos tanulmányozása, - A meteoritok (aszteroida öv, Mars, Hold, kondrit), továbbá földi, holdi és marsi kőzetek elemzése, - Fizika, kémia (elméleti, kisérleti)
Kondrit If the Sun and Solar System formed from the same material at the same time, we would expect the raw material of the planets to match the composition of the Sun, minus those elements that would remain as gases. A class of meteorites called chondrites shows such composition, which are thought to be the most primitive remaining solar system material. Chondrites are considered the raw material of the inner Solar System and reflect the bulk composition of the Earth. belső bolygók = Nap – gázok = kondrit
Normál kondrit (morzsalékos, összetapadt csomók aggregátuma, nincs mátrix), a csomók/cseppek több fázisból állnak.
Normál kondritban kondrumok.
A kondrit összetétele A kondrit összetétele
A Nap összetétele A Nap összetétele
H
The highly volatile elements H, C, N, O and rare gases (not plotted) are depleted in C1 relative to the Sun photosphere. Li, B is depleted in the Sun.
Elemek a Naprendszerben
Nap+C1 szenes kondrit
Faure, 1998
Az elemek relatív gyakorisága az Univerzumban
Kozmikus összetétel? • A Naprendszer (valójában a Nap) elemi összetétele kozmikus (csillag) elemi gyakoriság (Li, Be, B) • A Naprendszer (valójában a Nap) elemi összetétele = szenes kondrit (Naprendszer ősi állapotát tükröző meteorit) Föld (és a többi belső bolygó is) kondritos összetételű (volt?)
Ha 7Li kivételével Li, Be és B nem képződik az Ősrobbanás során, akkor kozmikus sugarak és a csillagközi gáz/por kölcsönhatásával keletkezhetnek: a 1H és 4He valamint a C, N, O magok reakciója során. E reakciók nagyobb energiánál fordulnak elő, mint az Ősrobbanas, de a T kicsi (Li, Be és B túléli). Li, Be és B relatív mennyisége sokkal nagyobb a kozmikus sugárban, mint a Naprendszerben.
Elemek relatív mennyisége a Naprendszerben és a kozmikus sugárzásban
White 1998
Elemek gyakorisága az Naprendszerben és az Univerzumban Megfigyelések az elemek gyakoriságával kapcsolatban - A H és He messze a leggyakoribb elem, H/He ~ 12,5, - Az első 50 elem mennyisége exponenciálisan csökken, - Az 50-nél nagyobb rendszámú elemek mennyisége kicsi, nem változik nagymértékben a rendszámmal, - A páros rendszámú elemek sokkal gyakoribbak, mint a páratlanok (Oddo-Harkins-szabály), - A Li, Be és B mennyisége rendellenesen kicsi (megsemmisül), - A Fe és Pb mennyisége rendellenesen nagy, - A Tc és Pm nem fordul elő természetben a Naprendszerben, - A 83-nál nagyobb rendszámú (Bi) elemnek nincs stabil izotópja; ilyen elemek csak azért fordulnak elő a természetben, mert az U és Th hosszú életű izotópjainak bomlástermékei
Refrakter (hő-/tűzálló, “makacs”) és volatil (illó) elemek (kozmokémiai /kondenzációs ill. illékonyságai/ sajátosság nagy T, kis p)
Refrakter elemek: nagy olvadáspontú, szilárd fázisban korai kondezáció a napködből a hűlés során (átmeneti refrakter) Volatil elemek: kis olvadáspontú, illó fázisban kis hőmérsékletű kondenzáció és szublimáció (a napködben nincs folyékony fázis a kis P miatt) (gyengén, erősen)
Refrakter
Highly
>1300 K
Anderson, 2007
Refrakter (hő-/tűzálló, makacs) és volatil (illó) elemek viselkedése Refrakter litofil
Mérsékelten volatil litofil
Hold: refrakter 2-3-szorosa, mérsékelten illó elszegényedett Embey-Isztin Dobosi, 2004
Primitív köpeny (szilikát Föld) Refrakter litofil elemek 2,8-szoros dúsulása a C1-hoz csak látszólagos nincs a magban, a köpenybeli összetételük a teljes Földet képviselik Mérsékelten és erősen volatil litofil elemek kimerülése 1) Föld gázfrakcionált kondritos anyagból keletkezett olyan hőmérsékleten, ami túl nagy volt a volatil elemek teljes kondenzálódásához (>1000 K), 2) Napszél tevékenység, ami a belső bolygók térségéből kisöpörte a könnyű és illékony elemeket, Mérsékelten sziderofil elemek kimerülése Földnek van vasmagja, Erősen sziderofil elemek mennyisége jelentősebb a primitív köpenyben, mint várt a fém/Si megoszlásból, jelenléte egy kései hozzáadódás, késői akkréciós folyamat eredménye (a mag kialakulása után)
A Föld
A Föld belső övei. A külső merev litoszférát a szilárd, de képlékeny („gyenge”) asztenoszféra követi, majd a mezoszféra ismét ridegebb. Az alatta lévő külső mag folyékony, majd a belső mag – bár kémiai összetétele hasonló a külső magéhoz - az óriási nyomás miatt szilárd. A litoszférán belüli kéreg kontinentális és óceáni kéregre tagolható.
Goldschmidt-féle geokémiai csoportosítás Litofil elemek: kőzetkedvelő, szilikátokban és oxidokban kéregben Sziderofil elemek: vaskedvelő, terméselemekben, ötvözetekben magban Kalkofil elemek: kén- (+Se- és As-) kedvelő, szulfidokban kéregben, köpenyben Atmofil elemek: illók hidro- és atmoszférában
H Li Be Na Mg
Goldschmidts classification of the geochemical affinities of the elements
He B C
N O F Ne
Al Si
P
S Cl Ar
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr
Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
Cs Ba Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Ac Th Pa U Lithophile
Siderophile
Chalcophile
Atmophile
A hét leggyakoribb elem a Földben Mg, Si, Fe és O > 90%-ban a Föld tömegéhez
Refrakter? Volatil?
Relative atomic abundances of the seven most common elements that comprise 97% of the Earth's mass. An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology, by John Winter , Prentice Hall.
A Föld teljes összetétele Kontinentális & óceáni kéreg
Teljes Föld
Teljes szilikát Föld “primitív” köpeny
“Kimerített” köpeny “Primitív” köpeny
Mag Mag
A kezdet
Az első 30 Mév
Ma
Kompatibilis – inkompatibilis elemek • Azokat az elemeket, amelynek töltése és mérete a köpenyásványok rácspoziciójáétól eltér és az olvadék fázisba particionálódik olvadás során – inkompatibilis elemeknek nevezzük, – pl: K, Rb, Sr, Ba, REE, Nb, Ta, Zr, Hf, U, Th, Pb
• Azokat az elemeket, amelyek inkább a köpenyásványok rácspontjaiban foglalnak helyet és olvadás során a szilárd fázisban tartózkodnak (maradnak) – kompatibilis elemeknek nevezzük – pl: Ni, Cr, Co, Os, Mg, Sc
• Megoszlási koefficiens: D = CS / CL ahol CS valamely elem koncentrációja a szilárd fázisban és CL valamely elem koncentrációja a olvadék (folyadék) fázisban – inkompatibilis elemek:
D «1
– kompatibilis elemek:
D»1
Kompatibilitás függ az ásványtól és olvadéktól (amiben jelen van) Főelemek! Mely elemek kompatibilisek?
Rb Sr Ba Ni Cr La Ce Nd Sm Eu Dy Er Yb Lu
Rare Earth Elements
Table 9-1. Partition Coefficients (CS/CL) for Some Commonly Used Trace Elements in Basaltic and Andesitic Rocks Olivine 0.010 0.014 0.010 14 0.70 0.007 0.006 0.006 0.007 0.007 0.013 0.026 0.049 0.045
Opx 0.022 0.040 0.013 5 10 0.03 0.02 0.03 0.05 0.05 0.15 0.23 0.34 0.42
Data from Rollinson (1993).
Cpx Garnet 0.031 0.042 0.060 0.012 0.026 0.023 7 0.955 34 1.345 0.056 0.001 0.092 0.007 0.230 0.026 0.445 0.102 0.474 0.243 0.582 1.940 0.583 4.700 0.542 6.167 0.506 6.950
Plag Amph Magnetite 0.071 0.29 1.830 0.46 0.23 0.42 0.01 6.8 29 0.01 2.00 7.4 0.148 0.544 2 0.082 0.843 2 0.055 1.340 2 0.039 1.804 1 0.1/1.5* 1.557 1 0.023 2.024 1 0.020 1.740 1.5 0.023 1.642 1.4 0.019 1.563 * Eu3+/Eu2+
Italics are estimated
Elemviselkedés Nyomelemek
Petrogenetikai indikátorok Erősen kompatibilis elemek. Ni és Co olivinben, Cr spinellben és klinopiroxénben koncentrálódik nagy koncentráció köpenyforrás. Mindkettő erős frakcionációt mutat Fe-Ti oxidba (ilmenit, Ti-magnetit). Ha eltérően viselkednek, akkor a Ti akcesszórikus ásványaiba frakcionálódik (titanit és rutil). Erősen inkompatibilis elemek, amelyek kőzetalkotó szilikátokban nem helyettesítenek (bár Ti-t helyettesíthetnek titanitban vagy rutilban). Erősen inkompatibilis elemek, amelyek K-t helyettesítenek K-földpátban, csillámban és amfibolban. Rb helyettesítése amfibolban kevésbé kifejezett, mint K-földpátban és csillámban a K/Ba aránnyal e fázisok elkülöníthetők. Ca-t helyettesíti plagioklászban (de nem piroxénben) és – kevésbé kiterjedten – K-t K-földpátban. Kis nyomáson, ahol plagioklász képződik, kompatibilis elemként viselkedik. Nagy nyomáson, ahol a plagioklász nem stabil, inkompatibilis elemként viselkedik. Nehéz RFF gránátban dúsúlnak sokkal inkább, mint a könnyű RFF, ugyanígy ortopiroxénben és amfibolban, csak csökkenő mértékben. Plagioklász és titanit több könnyű RFF-t fogad be. Eu2+ erősen a plagioklászba particionálódik. Általában inkompatibilis a nehéz RFF-hez hasonlóan gránátban, ortopiroxénben és amfibolban koncentrálódik. Titanitban és apatitban azonban szintén dúsul, ezért ezeknek a fázisoknak a jelenléte jelentős hatással lehet a mennyiségére. Wilson, 1989
Kontinentális kéreg óceáni kéreg
Kéreg keletkezése Archaicum Hadeicum Greenland, Canada, Australia, Antarctica
Newest oldest rock (greenstone, metamorphized basalt (4,28 By, Nuvvuagittuq, Canada)
ultramafikus magma óceán vékony bazaltos kéreg (Mars), gravitációs differenciáció? (Hold) parciális olvadás (meterorit, termális konvekció) savanyú-neutrális kéreg (inkompatibilis elemek, tonalit) parciális olvadás (meterorit, termális konvekció) savanyú kéreg (erősen inkompatibils elemek: K, Zr, gránit) vastagodás, stb. kontinensek magja (kraton)
H2O kondenzáció a másodlagos légkörből ősóceán oldódás, szedimentáció metamorfózis (cirkon)
Kéreg If there was a magma ocean, the crust would have started to form from outlier "rafts" that eventually were enclosed by the first thin solid crust that survived remelting. From knowledge of other terrestrial planets, that crust was almost certainly basalt-rich (a more general term is simatic, which refers to igneous rocks low in Si and high in Fe, Mg, and Ca) in composition (the idea of a thin floated feldspar anorthositic analog to the Moon has been discounted by some planetologists [but remains an alternative]). As the mafic crust thickened, parts of it also were remelted repeatedly by large impacts, and probably also by internal thermal convection currents from the mantle. Elemek kompatibilitása és inkompatibiltása. From knowledge of differentiation mechanisms occurring in the younger Earth, it seems plausible that here and there sialic (high in Si, Al, and Na) crust formed regionally. This newly fromed crust could have compositions described as tonalites and then granites (K!) were produced by remelting of tonalite crust which are a common host of the accessory mineral zircon. Another way to form sialic rocks is by metamorphism of sediments that have been enriched in Si, Al, Na. Regardless of mechanism, the end result was to develop clots of silica-enriched crust that rose above the general crustal elevations - these would form nuclei (analogous to the term craton in the Earth's present geology) that grew mainly by accretion to their boundaries (perhaps by obduction or terrane addition, especially if plate tectonics mechanisms developed early in Earth history.
A kontinentális kéreg összetétele
A kontinentális kéreg összetétele A kont kéreg összetétele
Kereg – felső köpeny
Embey-Isztin Dobosi, 2004
Az elemek gyakorisága a felső kontinentális kéregben
Abundance (atom fraction) of the chemical elements in Earth’s upper continental crust as a function of atomic number. Many of the elements are classified into (partially overlapping) categories: (1) rock-forming elements (major elements in green field and minor elements in light green field); (2) rare earth elements (lanthanides, La–Lu, and Y; labeled in blue); (3) major industrial metals (global production >~3x107 kg/year; labeled in bold); (4) precious metals (italic); and (5) the 9 rarest “metals”— the 6 platinum group elements + Au, Re, and Te (a metalloid).
Hő és forrása a Földben Radioaktív elem koncentráció és hőtermelés a Földben U (ppm)
Th (ppm)
K (%)
Totál W/m3
Kontinentális kéreg
1,6
5,8
1,7-3,0
1,0-1,1
Óceáni kéreg
0,9
2,7
0,4
0,5
Köpeny (undepl)
0,015
0,08
0,1
0,02
Brown & Mussett, 1981
Elemek koncentrációjuk szerint Nagy mennyiségben előforduló főelemek (major) meghatározzák a(z) - kőzetek ásványos összetételét és rendszertani helyét, - keletkezés (olvadási és kristályosodási folyamatok, olvadék viszkozitás, sűrűség, felhajtóerő) - mállás, átalakulás Kis mennyiségben előforduló főelemek (mikroelemek) (minor) - általában helyettesítenek (MnFe; CrFe), vagy akcesszóriákat formálnak (Papatit; Tiilmenit, rutil, titanit; Crkrómit) azonban: cirkon is akcesszória, Zr nem főelem A nyomelemek (trace) koncentrációja túl kevés önálló ásványok formáláshoz (Zr kivétel) - főelemeket helyettesítenek, - mennyiségük és eloszlásuk a magmák és magmás kőzetek fejlődésére, a forrás régió és a magmás folyamatok jellemzésére - metamorf események?
Nyomelemek - Definiciók • Nem sztöichiometrikusan vannak jelen a fázisokban (más a magmás vagy üledékes kőzetek és más a vizes oldatok nyomelem-tartalma), • Nem befolyásolják az adott rendszer (kőzet, oldat, talaj) fizikai és kémiai tulajdonságát, ha a rendszert mint egészet vizsgáljuk egy jelentős kiterjedésben, • Henry-törvény szerint viselkednek a rendszerekben (azaz ideálisan oldódnak nagy higítás mellett)
Osztályozás a rádiusz és a töltés alapján
Fe
Ion potenciál: töltés/rádiusz a mobilitás hozzávetőleges indexe (olhatóság) vizes oldatokban: <3 (kicsi) & >12 (nagy) nagyobb mobilitás 1) Kis térerejű (low field strength - LFS) vagy nagy ionrádiuszú litofil (large ion lithophile – LIL) elemek 2) Nagy térerejű (high field strength - HFS) elemek pl. RFF/REE - Y 3) Plantina csoport (platinum group – PG) elemek
Kéreg fejlődése
Nb és U: melyik erősebben inkompatibilis?
Nyomelem frakcionáció parciális olvadás során La
Lu
La és Lu: melyik erősebben inkompatibilis? Nd és Sm? Rb és Sr? Ni?
Ni
La
Rb Sr
Region of Partial Melting Nd Sm
Melting Residue
Co La
Lu
From: http://www.geo.cornell.edu/geology/classes/geo302
A Föld differenciációja Rb>Sr Nd>Sm La>Lu
Continental Crust La
Lu
Rb>Sr Nd>Sm La>Lu
Mantle (After partial melt extraction)
Rb<Sr Nd<Sm La
La
Lu
From: http://www.geo.cornell.edu/geology/classes/geo302
A Föld differenciációja • Az olvadék, ami kivonódott a köpenyből a kéregbe emelkedik és magával viszi az inkompatilis elemgazdagságát, így – a kontinentális kéreg folyamatosan gazdagodik inkompatibilis elemekben, miközben – a felsőköpeny inkompatibilis elemekben pedig elszegényedik
