Transcript ایزوتوپ های پایدار اکسیژن و هیدروژن

1
‫ایزوتوپ های پایدار اکسیژن و هیدروژن‬
‫گردآورنده‪ :‬مهشید ملکیان‬
‫استاد مربوطه‪ :‬دکتر محمد حسین زرین کوب‬
‫بهار‪93‬‬
‫‪2‬‬
‫‪3‬‬
‫بخش اول‪ :‬مفاهیم و کلیات‬
‫‪4‬‬
‫مفهوم ایزوتوپ‪:‬‬
‫اتم هایی هستند که عدد اتمی یکسان و عدد جرمی متفاوتی دارند‪.‬‬
‫مفهوم ایزوتوپهای پایدار‪:‬‬
‫ایزوتوپهایی که نسبت‪ N/P‬برای آنها برابر با‪ 1‬تا‪ 1.5‬می باشد و بنابراین احتمال‬
‫رخداد واپاش ی هسته ای برای آنها قابل اغماض است‪.‬‬
‫ایزوتوپ های پایدار سبک‪:‬‬
‫ایزوتوپ های پایداری که عدد جرمی کمی دارند‪.‬‬
‫‪:δ‬‬
‫‪δHX = ((Rsample/Rstandard) -1) x 1000‬‬
‫ایزوتوپ سبک‪/‬ایزوتوپ سنگین= ‪R‬‬
‫‪5‬‬
‫تفریق ایزوتوپی‪:‬‬
‫حال تتت ه تتای مختلت ت ی تتک ایزوت تتوپ در هازه تتای مختلت ت ب تتا راب تته ای ت ریت ت م تتی‬
‫کنند که به آن تفریق ایزوتوپی گویند و آن را با هاکتور تفریق می سنجند‪.‬‬
‫هاکتور تفریق‪:‬‬
‫‪A-B = RA / RB‬‬
‫‪ =R‬نسبت دو ایزوتوپ در هاز ‪ A‬و ‪B‬‬
‫‪ =RA‬نسبت ایزوتوپ سنگین به ایزوتوپ سبک در هاز‪A‬‬
‫‪6‬‬
‫هاکتورهای موثر در تغییر نسبتهای ایزوتوپی‪:‬‬
‫‪7‬‬
‫دالیل استفاده از ایزوتوپهای پایدار سبک‪:‬‬
‫‪ -1‬دارای جرم اتمی نسبتا کمی هستند‪.‬‬
‫‪-2‬اختتت ج جتترم نست ی بتتین ایزوتتتوپ هتتای ستتنگین (کمیتتابتر) و ستتبک (هراوانتتتر)‬
‫زیاد است بنابراین احتمال تفریق زیادتر است‪.‬‬
‫‪-3‬از مهمترین اجزای تشکیل دهنده ی جامدات و سیاالت هستند‪.‬‬
‫‪-4‬هراوانی ایزوتوپ و کانی کمیاب به اندازه ی کافی باالست تا‬
‫به طور دقیق توسط طی سنج جرمی ت یین گردد‪.‬‬
‫‪8‬‬
‫کاربردهای ایزوتوپ های پایدار در علوم زمین‪:‬‬
‫دماسنجی‬
‫مکانیسم های‬
‫واکنش ی‬
‫ردیاب‬
‫م ال ه ی اقلیم دیرینه‬
9
Gases accelerated Gases ionized
high vacuum
Magnetic field
deflects ion beam
Detectors
1. Input as gases
2. Gases Ionized
3. Gases accelerated
4. Gases Bent by
magnetic field
5. Gases detected
‫‪10‬‬
‫بخش دوم‪ :‬ایزوتوپ های اکسیژن‬
‫‪11‬‬
‫ایزوتوپ های مختل‬
‫اکسیژن و هراوانی آنها‪:‬‬
‫اکسیژن سه ایزوتوپ پایدار با هراوانی زیر دارد‪:‬‬
‫‪16O=99.763%‬‬
‫‪18O=0.1995‬‬
‫‪17O=0.0375‬‬
‫‪12‬‬
‫ایزوتوپهای پایدار اکسیژن‬
‫‪13‬‬
‫استانداردهای اندازه گیری ایزوتوپی اکسیژن‪:‬‬
‫ندرتا‬
‫‪SLAP‬‬
‫‪SMOW‬‬
‫‪ PDB‬در نمونه‬
‫های کربناته‬
‫در سایر اندازه گیری‬
‫ها‬
‫استانداردها‬
‫‪14‬‬
‫کاربرد ایزوتوپ های اکسیژن‪:‬‬
‫‪‬تشخیص منابع پوسته و گوشته‬
‫‪‬ت یین دمای دیرینه‬
‫‪‬تفکیک محیط های دیاژنتیکی‬
‫‪‬ت یین میزان دگرسانی در نمونه‬
‫‪‬تشخیص آلودگی پوسته ای در سنگهای آذرین‬
‫‪‬تشخیص تفکیک ساده ی بلوری در سنگهای آذرین‬
‫‪15‬‬
‫بخش دوم‪ :‬ایزوتوپ های هیدروژن‬
‫و کاربرد آنها‬
‫‪16‬‬
‫ایزوتوپ های هیدروژن و هراوانی آنها‪:‬‬
‫‪H=99.9844%‬‬
‫‪D=0.0156%‬‬
17
‫‪18‬‬
‫ایزوتوپهای پایدار هیدروژن‬
‫‪19‬‬
‫استانداردهای اندازه گیری ایزوتوپی هیدروژن‪:‬‬
‫‪SMOW‬‬
‫آب دریاچه‬
‫میشیگان‬
‫‪SLAP‬‬
‫استانداردها‬
‫‪20‬‬
‫کاربرد های ایزوتوپ هیدروژن با اکسیژن‪:‬‬
‫‪‬ت یین منشا ماگما‬
‫‪‬ت یین منشا محلول ها‬
‫‪‬ت یین دمای محلول‬
‫‪21‬‬
‫بخش سوم‪:‬کاربرد ایزوتوپ های‬
‫اکسیژن و هیدروژن در پترولوژی و‬
‫رسوب شناس ی و پیگیری محلولهای‬
‫گرمابی‬
‫‪22‬‬
‫سنگ های‬
‫آذرین‬
‫سنگهای‬
‫دگرگونی‬
‫سنگهای‬
‫رسوبی‬
‫محلولهای‬
‫گرمابی‬
‫آبهای جوی و‬
‫اتمسفر‬
‫‪-1‬تشخیص تفکیک ساده ی بلوری‪:‬‬
‫‪δ 18O‬با اهزایش درصد وزنی‪ SiO2‬اهزایش می یابد‪.‬‬
‫‪ δ 18O‬کتتانی هتتای همزیستتت بتتر حست غ تتی شتتدگی از ‪ δ 18O‬از ایتتن قترار‬
‫است‪:‬‬
‫مگنتیت‪-‬بیوتیت‪-‬هورنبلند‪-‬مسکوویت‪-‬پ ژیوک ز‪-‬هلدسپار پتاسیم‪-‬کوارتز‬
‫اهزایش میزان‪δ 18O‬‬
‫‪23‬‬
‫سنگ های‬
‫آذرین‬
‫سنگهای‬
‫دگرگونی‬
‫سنگهای‬
‫رسوبی‬
‫محلولهای‬
‫گرمابی‬
‫آبهای جوی و‬
‫اتمسفر‬
‫‪-2‬تشخیص دگرسانی‪:‬‬
‫‪ ‬میزان ‪ δ 18O‬سنگ دگرسان شده کمتر از سنگهای دگرسان نشده است‪.‬‬
‫‪‬از مهمتتترین شتتواهد دگرستتانیس م کتتوی شتتدگی ایزوتتتوپی بتتین کتتوارتز و هلدستتپات‬
‫است‪.‬‬
‫‪‬نکات‪:‬‬
‫آبهای جوی بر میزان ‪ δ 18O‬تا قبل از تبلور اثر ندارد‪.‬‬
‫از جایی که میزان هیدروژن سنگ هقط کسری از میتزان اکستیژن آن استت واکتنش‬
‫با آب جوی بر روی ترکی ایزوتوپی هیدروژن تأثیر گذارتر‬
‫است‪.‬‬
‫‪24‬‬
‫سنگ های‬
‫آذرین‬
‫سنگهای‬
‫دگرگونی‬
‫سنگهای‬
‫رسوبی‬
‫محلولهای‬
‫گرمابی‬
‫آبهای جوی و‬
‫اتمسفر‬
‫‪-3‬گتتاز زدایتتی‪ :‬گریتتز متتواد ه ترار اساستتا تتتأثیری بتتر ‪ δ 18O‬ماگمتتا نتتدارد زی ترا می تزان‬
‫اکسیژن خروجی از سیستم کمتر از آن است کته بتوانتد میتزان منبتع ستیلیکاتی را‬
‫تغییر دهد‪.‬اما ‪H‬و ‪S‬و‪ C‬در اثر گاز زدایی شدیدا تغییر می کنند‪.‬‬
‫‪-4‬تبلور تفریقی‪ :‬تفریق ‪H‬و ‪ O‬بزرگ نیست‪.‬‬
‫‪-5‬هضتتم‪ :‬هضتتم متتواد ستتنگی دیتتواره متتی توانتتد اثتتر قابتتل م ح تته ای بتتر روی میتتزان‬
‫ایزوتتتوپ اکستتیژن داشتتته باشتتد ختوصتتا اگتتر نستتبت ایزوتتتوپی اولیتته ی ستتنگ‬
‫ه تتای دی تتواره ب تتا ماگم تتا تف تتاوت زی تتادی داش تتته باش تتد و نی تتز مق تتدار زی تتادی از س تتنگ‬
‫دیواره در ماگما هضم شود‪.‬‬
‫‪25‬‬
‫سنگ های‬
‫آذرین‬
‫سنگهای‬
‫دگرگونی‬
‫سنگهای‬
‫رسوبی‬
‫محلولهای‬
‫گرمابی‬
‫آبهای جوی و‬
‫اتمسفر‬
‫‪26‬‬
‫سنگ های‬
‫آذرین‬
‫سنگهای‬
‫دگرگونی‬
‫سنگهای‬
‫رسوبی‬
‫محلولهای‬
‫گرمابی‬
‫آبهای جوی و‬
‫اتمسفر‬
‫‪-1‬ایزوتوپهای پایدار در غال ردیابهای ژئوشیمیایی‪:‬‬
‫‪-1‬سیستم بسته( تشخیص سنگ مادر و دگرسانی )‬
‫در ساده ترین حالت‪ ،‬یک سنگ در خ ل دگرگونی به صورت یک سیستم بسته‬
‫عمل کرده و مقدار ایزوتوپ سنگ کل نسبت به پروتولیت تقریبا بدون تغییر‬
‫باقی می ماند‪.‬‬
‫‪27‬‬
‫سنگ های‬
‫آذرین‬
‫سنگهای‬
‫دگرگونی‬
‫سنگهای‬
‫رسوبی‬
‫محلولهای‬
‫گرمابی‬
‫آبهای جوی و‬
‫اتمسفر‬
‫‪ -2‬سیستم باز‪:‬‬
‫دگرگتتونی غالبتتا در سیستتتم بتتاز کتته در آن ترکیت ایزوتتتوپ ستتنگ کتتل بتتر اثتر ورود یتتا‬
‫ختتروی ستتیاالت و یتتا متتواد متتذاب عتتوض متتی شتتود اتفتتا متتی اهتتتد‪ .‬ستتیاالت آزاد‬
‫ش تتده در ط تتی واک تتنش ه تتای تبخی تتر ممک تتن اس تتت ب تته ص تتورت م تتواد ه تترار از داخ تتل‬
‫ش تتبکه ه تتای شکس تتتگی و ی تتا من تتاطق ب تتا نف تتوذ پ تتذیری ب تتاال‪ ،‬س تتنگ را ت تتر کنن تتد‪.‬‬
‫واکنش های تبخیر مواد هرار تحت هتی شترای ی نمتی تواننتد مقتدار ایزوتتوپ ‪δ‬‬
‫‪18O‬یتتک واحتتد ستتنگی را بتتیش از چنتتد در هتزار تغییتتر دهنتتد و تغییترات بیشتتر‪ ،‬بتته‬
‫تزری تتق س تتیال ی تتا م تتذاب نی تتاز دارد‪ .‬ام تتا ت تتاثیر واکنش تتهای تبخی تتر م تتواد ه ترار ب تر روی‬
‫ترکی ایزوتوپی مواد هرعی‬
‫مثل هیدروژن بزرگتر است‪.‬‬
‫‪28‬‬
‫سنگ های‬
‫آذرین‬
‫سنگهای‬
‫دگرگونی‬
‫سنگهای‬
‫رسوبی‬
‫آبهای جوی و‬
‫اتمسفر‬
‫محلولهای‬
‫گرمابی‬
‫‪δD‬‬
‫‪‬منشا سیال‪:‬‬
‫ترکی ت ت ت ت ایزوت ت ت ت تتوپی آبه ت ت ت تتای ج ت ت ت تتوی‪ ،‬آبه ت ت ت تتای‬
‫اقیانوست ت ی و ش تتورابه ه تتا مس تتتقیما قابت تل‬
‫انت ت تتدازه گیت ت تتری است ت تتت و بت ت تته ایت ت تتن وست ت تتیله‬
‫منشت ت تتاد ست ت تتیاالت دگرگت ت تتونی و آذریت ت تتن بت ت تته‬
‫صورت کلی قابل پیشگویی است‪.‬‬
‫‪δ 18O‬‬
‫‪29‬‬
‫سنگ های‬
‫آذرین‬
‫سنگهای‬
‫دگرگونی‬
‫سنگهای‬
‫رسوبی‬
‫محلولهای‬
‫گرمابی‬
‫آبهای جوی و‬
‫اتمسفر‬
‫دماسنجی‪ :‬اگرچه با اهزایش دما تفریق ایزوتوپی کاهش می یابد اما تفریق در‬
‫سنگهای دما باال هم به حدی است که بتوان آن را اندازه گیری کرد‪.‬‬
‫‪30‬‬
‫سنگ های‬
‫آذرین‬
‫سنگهای‬
‫دگرگونی‬
‫سنگهای‬
‫رسوبی‬
‫محلولهای‬
‫گرمابی‬
‫آبهای جوی و‬
‫اتمسفر‬
‫موهقیت آمیزترین کاربردهای ایزوتوپ پایدار در دماسنجی مربوط‬
‫بتته رخستتاره ی آمفیبولیتتت و گرانولیتتت پتتایی ی استتت‪ .‬در رخستتاره ی شیس تت ستتوز و‬
‫زیر رخساره های آن‪ ،‬جدا سازی کانی ها به دلیل ریز بتودن آنهتا دشتوار استت بته‬
‫ع وه در این رخساره ها ممکن است دما برای همه ی کانی ها برای رستیدن بته‬
‫ت ادل کافی نباشد‪.‬‬
‫در سنگهای دما باال نیز دگرگونی قهقرایی م مول استت‪ .‬امتا رخستاره ی آمفیبولیتت‬
‫و گرانولیتتت دانتته هتتا بتته مقتتداری درشتتت هستتتند کتته راحتتت جتتدا شتتوند‪ ،‬دمتتا هتتم‬
‫بترای رستتیدن همتته ی کتتانی هتتا بتته ت تتادل کتتافی بتتوده و از طرفتتی بتته مقتتداری نبتتوده‬
‫که بازگشت قهقرایی مهمی داشته باشد‪.‬‬
‫‪31‬‬
‫سنگ های‬
‫آذرین‬
‫سنگهای‬
‫دگرگونی‬
‫سنگهای‬
‫رسوبی‬
‫محلولهای‬
‫گرمابی‬
‫آبهای جوی و‬
‫اتمسفر‬
‫‪ ‬منشا كانيها و ذرههاي كربناته رسوبات عهد حاضر و قديمي‬
‫‪ ‬ح ترارت آب در تتا ( البت تته بای تتد ت تتاثیر عوام تتل حر تتاتي در تفر تتق ايزوت تتوپي را در ن تتر‬
‫داشت‪).‬‬
‫‪ ‬شوري آب در ا‬
‫‪ ‬عمق ته نشست رسوبات (با اهزايش عمق آب‪،‬‬
‫میزان‪18O‬‬
‫اهزايش مييابد‪).‬‬
‫‪32‬‬
‫سنگ های‬
‫آذرین‬
‫سنگهای‬
‫دگرگونی‬
‫سنگهای‬
‫رسوبی‬
‫محلولهای‬
‫گرمابی‬
‫‪‬تفکیک محیط دیاژنتیکی‪:‬‬
‫دیاژنز متائوریکی‪:‬تغییرات‪ δ 13C‬باال وتغییرات ‪δ 18O‬پایین‬
‫دیاژنز تدهی ی‪:‬تغییرات‪ δ 18O‬باال وتغییرات ‪ δ 13C‬پایین‬
‫دیاژنز دریایی‪ :‬سنگین بودن ایزوتوپ اکسیژن و کربن‬
‫آبهای جوی و‬
‫اتمسفر‬
‫‪33‬‬
‫سنگ های‬
‫آذرین‬
‫سنگهای‬
‫دگرگونی‬
‫سنگهای‬
‫رسوبی‬
‫محلولهای‬
‫گرمابی‬
‫آبهای جوی و‬
‫اتمسفر‬
‫رابطه تفزیق ایزوتوپ اکسیژن و هیدروژن با‬
‫دما‪:‬‬
‫‪1000 lnα = a(106/T2) + b(103/T) + c‬‬
‫‪34‬‬
‫سنگ های‬
‫آذرین‬
‫سنگهای‬
‫دگرگونی‬
‫سنگهای‬
‫رسوبی‬
‫محلولهای‬
‫گرمابی‬
‫آبهای جوی و‬
‫اتمسفر‬
‫رابطه ایزوتوپ اکسیژن با شوری‪:‬‬
‫‪35‬‬
‫سنگ های‬
‫آذرین‬
‫سنگهای‬
‫دگرگونی‬
‫سنگهای‬
‫رسوبی‬
‫محلولهای‬
‫گرمابی‬
‫آبهای جوی و‬
‫اتمسفر‬
‫م ال تته ی ایزوتتتوپ اکستتیژن و هیتتدروژن بترای شتتناخت هرآینتتدهای زمتتین شتتناختی‬
‫در راب تته ب تتا آب مفی تتد اس تتت‪ .‬از ج تتایی ک تته هی تتدروژن س تتازنده ی هرع تتی اس تتت و‬
‫می تزان کمت تتری دارد نس تتبت ب تته تغیی ترات بس تتیار حس تتای اس تتت و ب تته دلی تتل اینک تته‬
‫اکستتیژن ستتازنده ی اصتتلی سنگهاستتت و مقتتدار آن زیتتاد استتت هقتتط در متتواق ی‬
‫که نسبت سیال به سنگ بسیار زیاد باشد تغییرات محسوس ی خواهد داشت‪.‬‬
‫‪36‬‬
‫سنگ های‬
‫آذرین‬
‫سنگهای‬
‫دگرگونی‬
‫سنگهای‬
‫رسوبی‬
‫محلولهای‬
‫گرمابی‬
‫آبهای جوی و‬
‫اتمسفر‬
‫بترای تشتتخیص ترکیت ستتیال متتی تتتوان از ترکیت ستتنگ دگرستتان شتتده بهتتره بتترد‪ :‬از‬
‫جتتایی کتته هلدستتپار در ستتنگها کتتانی هراوانتتی استتت و بیشتتترین آهنتتگ تب تادل ‪δ‬‬
‫‪ 18O‬را بتتا ستتیال دارد‪ .‬ترکیت ستتیال را بتتا کمتتک ترکیت کتتانی شناست ی ت یتتین متتی‬
‫کنند‪ .‬و ترکی ایزوتوپی بیوتیت برای ‪δD‬‬
‫ب تته ط تتور کل تتی حساس تتیت ایزوت تتوپ ه تتای اکس تتیژن و هی تتدروژن‪ ،‬ب تته محل تتول ه تتای‬
‫گرم تتابی موج ت م تتی ش تتود ک تته اب تزاری ع تتایی ب ترای تش تتخیص دگرس تتانی گرم تتابی و‬
‫تشخیص منشا آب آن هراهم آید‪.‬‬
‫‪37‬‬
‫سنگ های‬
‫آذرین‬
‫سنگهای‬
‫دگرگونی‬
‫سنگهای‬
‫رسوبی‬
‫محلولهای‬
‫گرمابی‬
‫آبهای جوی و‬
‫اتمسفر‬
‫‪38‬‬
‫سنگ های‬
‫آذرین‬
‫سنگهای‬
‫دگرگونی‬
‫سنگهای‬
‫رسوبی‬
‫محلولهای‬
‫گرمابی‬
‫آبهای جوی و‬
‫اتمسفر‬
‫‪39‬‬
‫سنگ های‬
‫آذرین‬
‫سنگهای‬
‫دگرگونی‬
‫سنگهای‬
‫رسوبی‬
‫محلولهای‬
‫گرمابی‬
‫آبهای جوی و‬
‫اتمسفر‬
‫‪40‬‬
‫سنگ های‬
‫آذرین‬
‫سنگهای‬
‫دگرگونی‬
‫سنگهای‬
‫رسوبی‬
‫ایزوتوپ اکسیژن در اتمسفر‪:‬‬
‫محلولهای‬
‫گرمابی‬
‫آبهای جوی و‬
‫اتمسفر‬
‫اکستیژن موجتود در اتمستفر از‪ δ 18O‬لحتا بشتدت غ تی شتده استت‪ .‬علتت بتروز‬
‫ایتن پدیتده کته بته آن اثتر دال (‪ )Dole effect‬گفتته متی شتود ممکتن استت‬
‫بتر اثتر ختروی تتدریجی ‪ δ 16O‬از اتمستفر تحتت تتاثیر تتنفا گیاهتان و جتانوران‬
‫می باشد‪.‬‬
‫‪41‬‬
‫منابع‪:‬‬
‫‪‬رولینسون‪ ،‬ه‪ ،1384 ،.‬کاربرد داده های زمین شیمیایی‪ .‬ترجمه هرید مر و‬
‫سروش مدبری‪ ،‬مرکز نشر دانشگاهی تهران‪ 452 ،‬صفحه‪.‬‬
‫‪‬شارپ‪ ،‬ز‪ ،1387 ،.‬اصول ژئوشیمی ایزوتوپ های پایدار‪ .‬ترجمه حسین رحیم‬
‫پور بناب و حسن میر نژاد و روشنک صن ی‪ ،‬دانشگاه تهران‪ 481 ،‬صفحه‪.‬‬
‫‪‬آدابی‪ ،‬م‪ ،١٣٨٣ ،.‬ژئوشیمی رسوبی‪ ،‬انتشارات آرین زمین‪ ٤٤٨ ،‬صفحه ‪.‬‬