Stabilizotóp-geokémia
Demény Attila MTA CSFK Földtani és Geokémiai Intézet
[email protected]
Az „izotóp” születése Frederick Soddy Nobel Díj, 1921 "A radioaktív anyagok kémiájáról szerzett ismereteink bővítéséért, valamint az izotópok keletkezésének és természetének vizsgálataiért"
1913: Frederick Soddy, apósa glasgow-i házában látja vendégül Margaret Todd orvos- és írónőt. „isos topos”?
„Hagyományos” stabilizotóp-geokémia D/H, 13C/12C, 15N/14N, 18O/16O és 34S/32S arányok meghatározása H2, CO2, N2 és SO2 gázban tömegspektrométer segítségével, geológiai alkalmazások.
Hagyományos „dual-inlet” rendszer
D/H: H2; 3/2 13C/12C,18O/16O:
CO2; 45/44, 46/44
15N/14N:
N2; 29/28
34S/32S:
SO2; 66/64
Mintaelőkészítési módszer
acid
to vacuum
carbonate
reaction vessels
-80°C trap
sample bottles
Off-line reakció foszforsavval (vízmentes H3PO4), majd a keletkező CO2 vákuumdesztillációja. Mintamennyiség: >0.1 mmól Mintaszám: 25/nap
Vivőgázos rendszer GC
laser
CARB EA
Legújabb: LC-IRMS Mintamennyiség: <1 μmól Mintaszám: 50-200/nap
Adatok:
⎛ R minta ⎞ δ = ⎜⎜ − 1⎟⎟ ⋅1000 ⎝ R standard ⎠
ahol R = izotóparányok a mintában és a standardban. Standard: - V-PDB („Pee Dee Belemnite, C,O) - V-SMOW (Standard Mean Ocean Water, O) - AIR (N) - CDT (Canon Diablo Troilite, S) Mértékegység: ‰.
Frakcionáció: izotópmegoszlás különböző komponensek között
R1 α= R2
„frakcionációs faktor”
Hőmérsékletfüggés:
1000 ⋅ ln α = A / T 2 + B
35
1000·lnα (calcite-H2O)
Például: Kalcit-víz oxigénizotópfrakcionáció
40
30 25
1000 ⋅ ln α =
20
2.78 ⋅106 / T 2 − 2.89
15 10 5 0 -5 0
200
400
600
800
Temperature (°C)
⇒ Ha ismerjük a víz összetételét, a hőmérséklet számítható, és fordítva is igaz. Oxigén izotópos paleotermometria Fő probléma:a vízösszetételt ritkán tudjuk pontosan.
1000
Izotóp-hidrológia
Ofiolitok stabilizotóp-geokémiája
KÖPENY 18
óceáni kéreg
D,18O 16
O
O 16 D, O
szigetív vulkanizmus óceánközépi hátság vulkanizmus
hot-spot vulkanizmus
16
O köpeny
Karbonatit Több mint 50% karbonátot tartalmazó, köpenyeredetű magmás kőzet
Speciális nyomelemösszetétel (Sr, Ba, LREE) és izotóparányok jellemzik
0 -1
másodlagos folyamatok
δ13C (VPDB)
-2 -3 -4 -5
Keller és Hoefs (1995) köpenyheterogenitás Ol. Lengai
-6 -7
primér karbonatitok Taylor et al. (1967)
-8 -9 4
6
8
δ18O (VSMOW)
10
12
Kola-félsziget
Khibina Sokli Kovdor Sallanlatvi Vuoriyarvi Tiksheozero
Turiy Mys
asszimiláció forráskontamináció
átalakulás
Nyos-tó, Kamerun
1700 lakos
Mi okozta? Mi várható?
M
δ13C ~ -3,0 ‰ (biogén: ~ -20 ‰)
CO2 %
Szellőztetés !
Globális szénkörforgás a stabilizotóp-összetételek tükrében
ÓCEÁN-ATMOSZFÉRA
M O R B
betemetődés (karbonát és mállás szerves anyag) metánhidrát
KÉREG Hot spot és trapbazalt vulkanizmus
vulkanizmus metamorfózis
Szubdukciós zónák szubdukció
KÖPENY
Izotópos tömegegyensúly-modell
d (M 0δ karb ) = Fmállásδ mállás + Fvulk δ vulk dt − Fb ,karbδ karb − Fb ,org δ org + F?δ ? [Kump és Arthur (1999) után)
Percentage of families that went extinct
60
P/Tr
40
20
0 500
400
300
200
100
Time (millions of years ago)
0
Permian-Triassic extinction Possible causes: - impact of extraterrestrial body - continental flood basalt volcanism (Siberian traps) - lethal release of gases (CO2, CH4) Observation: The mass extinction event is associated with strong negative δ13C shift.
Heydari et al., 2001
Bükk, Bálvány-észak, perm-triász szelvény 300 280 260 240
cm
220 200 180
kihalási folyamat
160 140 120 100 -6
-4
-2
0 13
δ C
2
4
A szibériai trappbazalt vulkanizmus és a perm-triász esemény kapcsolata Saunders & Reichow (2009): nagyon jó egyezés a szibériai trappbazaltok és a fő kihalási esemény között (40Ar/39Ar korok alapján).
Korte et al. (2010): jó egyezés a szibériai trappbazalt vulkanizmus, a kihalási események és a szénciklus között.
Cirkon UPb korok (Mundil et al., 2004)
Payne et al 2004
Tengeri üledékes kőzetek
Jégsapka hatása => víz δ18O változik Hőmérsékletszámítás: vízösszetételt ismernünk kell
Raymo & Ruddiman (1992)
Epica, 2004, Nature
A Föld jelenlegi pályaparaméterei leginkább a MIS 11 interglaciálishoz hasonlítanak.
Epica, 2004, Nature
A Föld jelenlegi pályaparaméterei leginkább a MIS 11 interglaciálishoz hasonlítanak.
Alkalmazás: pl. ivóvízbázis-védelem DNy
mBf 100
K-ÉK
Holocén beszivárgási korú víz
0
30
10
-100 -200
20
δ O>-9,8 ‰ 18
-300 -400
Pleisztocén beszivárgási korú víz -500 -600
Na+K 10 eé% izovonal
-700 0
20
90
40
δ O<-11,5 ‰ 18
60
80
100
120 km
Márvány műtárgyak 6
13
δ C
5
Paros
Pentelikon
4 3
Carrara
2
Naxos
1
Thasos
0 -14
-12
-10
-8
-6
-4
δ O 18
-2
0
2
4
6
6 5
δ13C
Paros 4 3
Pentelikon 2
Carrara
Naxos Thasos
1 0 -14
-12
-10
-8
-6
-4
δ O 18
-2
0
2
4
6
6
TEST
5
13
δ C
Paros 4 3
Pentelikon 2
Carrara
Naxos
FEJ
Thasos
1 0 -14
-12
-10
-8
-6
-4
δ O 18
-2
0
2
4
6
Helicobacter pylori
