Transcript Izotóp-vÃzgeokémia I - MTA Geokémiai Kutatólaboratórium

Izotóp-hidrogeokémia
Dr. Fórizs István
MTA Geokémiai Kutatóintézet
Tematika
Alapok (izotópok, jelölések)
 A vízkör

 Párolgás
tengerből
 Párolgás felszíni vízből
 Csapadékhullás (Rayleigh-frakcionáció)
 Évszakosság
 Hidrológiai izotópeffektusok
 Csapadékvízvonal
 Beszivárgás
 Felszín alatti áramlás, keveredés
Tematika (folyt.)

Kor becslések és kormeghatározási módszerek
•
•
•
•


Nitrogén, kén, szén vizes környezetben
Klímarekonstrukció
•
•
•



Trícium tartalom, d18O, vízkémia
Trícium-3He
Radiokarbon
U, CFC, kripton, stb.
Víz (stabilizotópok, nemesgáz hőmérő)
Fa-évgyűrűk izotópos összetétele
Foszfát d18O
Egyéb stabilizotópok (klór, bróm, strocium)
Esettanulmányok (Magyarország izotóp-vízföldtana)
Laborlátogatás
Alapfogalmak
Az izotóp fogalma
 egy elem izotópjai az azonos proton, de
eltérő neutron számmal rendelkező
atomjai.
 A szó eredete: a görög ς (iszosz)
’azonos’ és ς (toposz) ’hely’ jelentésű
szavakból, ami az elemek periódusos
táblázatára utal.
Az elemek periódusos rendszere
Csoport
1 2
3
4
5
6
7
I a II a III b IV b V b VI b VII b
8
9 10 11 12 13 14 15 16
17
18
VIII b
I b II b III a IV a V a VI a VII a VIII a
Periódus
1
2
3
4
5
6
7
1
H
3
Li
11
Na
19
K
37
Rb
55
Cs
87
Fr
2
4
Be
12
Mg
20
Ca
38
Sr
56
Ba
88
Ra
Lantanidák
Actinidák
21
Sc
39
Y
57
La
89
Ac
22
Ti
40
Zr
72
Hf
104
Unq
23 24
V Cr
41 42
Nb Mo
73 74
Ta W
105 106
Unp Unh
25
Mn
43
Tc
75
Re
107
Uns
26
Fe
44
Ru
76
Os
108
Uno
58 59 60 61 62
63
Ce Pr Nd Pm Sm Eu
90 91 92 93 94
95
Th Pa U Np Pu Am
5
6
7
8
B
13
Al
31
Ga
49
In
81
Tl
C
14
Si
32
Ge
50
Sn
82
Pb
N
15
P
33
As
51
Sb
83
Bi
O
16
S
34
Se
52
Te
84
Po
65 66 67 68
Tb Dy Ho Er
97 98 99 100
Bk Cf Es Fm
69
Tm
101
Md
70 71
Yb Lu
102 103
No Lr
27 28
Co Ni
45 46
Rh Pd
77 78
Ir Pt
109
Une
64
Gd
96
Cm
29 30
Cu Zn
47 48
Ag Cd
79 80
Au Hg
He
9
10
F
Ne
17
18
Cl
Ar
35
36
Br
Kr
53
54
I
Xe
85
86
At
Rn
Az izotópok típusai
Stabilizotópok
Radioaktív izotópok
Sohasem bomlanak el
Atommagjuk szétesik
(felezési idő)
Felhasználás
Felhasználás
Eredet: (átélt fizikaikémiai folyamatok)
Kormeghatározás:
(időhöz kapcsolódó
dolgok)
Környezeti stabilizotópok
1H, 2H
(D),
3He, 4He,
6Li, 7Li,
10B, 11B,
12C, 13C,
14N, 15N,
16O, (17O), 18O,
20Ne, 22Ne,
32S, 33S, 34S, 35S,
35Cl, 37Cl,
79Br, 81Br,
86Sr, 87Sr
Környezeti radioaktív izotópok
3H
(T),
14C,
36Cl,
39Ar,
85Kr,
129I,
222Rn,
226Ra,
230Th,
234U, 238U
Gyakoriságok
Elem
izotóp
1
Hidrogén
H
99,9844
H(=D)
3
H(=T)
0,0156
<10-14
2
Bór
10
B
B
20,02
79,98
C
C
98,90
1,10
C
<10-10
14
N
99,635
15
N
0,365
16
O
99,762
17
O
O
0,038
0,200
11
Szén
12
13
14
Nitrogén
Oxigén
18
Kén
32
33
34
36
Klór
gyakoriság
(atom%)
S
S
95,1
0,74
S
S
4,2
0,016
35
Cl
36
Cl
75,4
37
24,6
Cl
felezési idő
(év)
12,43
5,730
306,000
Jelölések
Stabilizotópok
(18O/16O)minta - (18O/16O)sztenderd
δ18O= —————————————— • 1000 ‰
(18O/16O)sztenderd
(D/H)minta - (D/H)sztenderd
δD= —————————————— • 1000 ‰
(D/H)sztenderd
Adatok:
 R minta

δ  
 1 1000
 R standard 
ahol R = izotóparányok a mintában és a standardban.
FRAKCIONÁCIÓ
Definíció: frakcionációs tényező

α ΑΒ
RΑ
 1  δ

RΒ
(A és B fázisok, d<<1)
Következmény

AB =
dA + 1000
——————
dB + 1000
Frakcionáció (folyt.)
AB = dA - dB  1000*lnAB
mivel ln(1+x) ≈ x, ha x<<1
Sztenderdek
Elem
Jelölés
Sztenderd
hidrogén
dD
SMOW = Standard Mean Ocean Water
bór
d11B
NBS SRM 951 (Searles Lake Borax)
szén
d13C
PDB = Pee Dee Belemnite
nitrogén
d15N
levegő
oxigén
d18O
SMOW, PDB
kén
d34S
CDT = Canon Diablo Troilite
klór
d37Cl
SMOC = Standard Mean Ocean
Chloride
 Különböző tömeg különböző
energiaszintet jelent
 Különböző kötéserősség
(nehéz izotóp - erősebb kötés)
Radioaktív izotópok
Trícium (3H)
Keletkezés
Természetes úton:
14N(n,T)12C
- a fölső légkörben
- geogén: U,Th ércesedés (neutron fluxus) közelében
Mesterséges: 1952 utáni atomrobbantások
ipari felhasználás
Radioaktív izotópok
Trícium (3H)
Mértékegység
1 trícium egység (TE) = 1 trícium atom
1018 hidrogén atom közül.

1 TE
= 0,119 Bq/dm3

Radioaktív izotópok
Radiokarbon
Keletkezés
Természetes úton:
14N(n,p)14C
- a fölső légkörben
- geogén: U,Th ércesedés (neutron fluxus)
közelében
Mesterséges: 1952 utáni atomrobbantások
Radioaktív izotópok
Radiokarbon
Mértékegység

[%]modern (angolul pmC, percent modern
C), az 1950 előtti légköri 14C szintet
tekintjük alapnak, vagyis 100 %-nak
MÉRÉSI MÓDSZEREK, HIBÁJUK

Stabilizotópok: mérés tömegspektrométerrel
vagy lézer spektroszkóppal

Hidrogén: mérés H2 gázon
vízből: (1) H2O + Zn = ZnO + H2
Zn helyett lehet U, Cr, Mn
(2) H2O + H2 egyensúlyi izotópcsere (Pt)
OH-tartalmú ásványok: fűtés (1200 ° C) + O2
 H2O utána lásd fönt
Hiba ±0,5 - 3 ezrelék





MÉRÉSI MÓDSZEREK, HIBÁJUK

Stabilizotópok: mérés tömegspektrométerrel
vagy lézer spektroszkóppal

Szén: mérés CO2 v. CO gázon
karbonát + foszforsav  CO2
szerves anyag + O2  CO2
Hiba: ±0,1 ezrelék



MÉRÉSI MÓDSZEREK, HIBÁJUK

Stabilizotópok: mérés tömegspektrométerrel

Oxigén: mérés CO2, CO vagy O2 gázon
vízből: H2O + CO2 egyensúlyi izotópcsere
karbonát + foszforsav  CO2
szilikát + BrF5 v. ClF3 v. F gáz és/vagy C 
CO2 (v. O2)
lézer + BrF5 v. ClF3 v. F gáz
Hiba: ± 0,1 - 0,2 ezrelék





MÉRÉSI MÓDSZEREK, HIBÁJUK

Stabilizotópok: újabban terjedő technika a
molekulaspecifikus mérés
Oxigén, szén, hidrogén:
Gázkromatográf-égető egység-tömegspektrométer
különböző összeállításban
Vivőgázas tömegspektrometria

Hiba: nagyobb, mint a hagyományos
Előny: kis anyagmennyiség, nagy mintaszám
MÉRÉSI MÓDSZEREK, HIBÁJUK





Radioaktív izotópok:
Trícium: mérés béta (szcintillációs) detektorral,
előtte elktrolízissel 80%-os dúsítás.
Hiba: ±0,5 - 1 TE.
Újabban: 3H  3Hetr nemesgáz
tömegspetrométerrel
Hiba: ±0,01 TE
MÉRÉSI MÓDSZEREK, HIBÁJUK



Radioaktív izotópok:
Radiokarbon: mérés szcintillációs detektorral
Újabban gyorsító-tömegspektrométerrel (AMS):
elkülönítik a 14C-t a 14N-től (pontosabb, kisebb
14C-koncetrációt kisebb anyagmennyiségben)