•Izotopová geochemie – úvod •doc. RNDr. Lukáš Krmíček, Ph.D. •(přednášející); l.krmicek@gmail.com • •Mgr. Jakub Hrubý (cvičící) •Mgr. Petra Šišková (cvičící) •Mgr. Martin Vašinka (cvičící) • ascr mu při práci v laboratoři radiogenních izotopů c LOGO-GFZ logo vut prosetin-dravit •Ukázky aktuálních geochemických publikací prosetin-dravit •Ukázky aktuálních geochemických publikací prosetin-dravit •Ukázky aktuálních geochemických publikací prosetin-dravit •Ukázky aktuálních geochemických publikací prosetin-dravit •Ukázky aktuálních geochemických publikací prosetin-dravit •Ukázky aktuálních geochemických publikací • •ALBARÈDE, Francis. Geochemistry – An Introduction. 2. vyd. Cambridge: Cambridge University Press, 2009, 342 s. prosetin-dravit •Doporučená literatura • •ALLÈGRE, Claude. Isotope geology. 1. vyd. Cambridge: Cambridge University Press, 2008, 512 s. prosetin-dravit •Doporučená literatura • •KOŠLER, Jan et al. Základy izotopové geologie a geochronologie. 1. vyd. Praha: Universita Karlova, 1997, 113 s. prosetin-dravit •Doporučená literatura • •Složení atomů (nuklidů) se obvykle vyjadřuje počtem protonů a neutronů v jádře. • •Počet protonů (Z) se nazývá protonovým číslem, počet neutronů (N) se nazývá neutronovým číslem a jejich suma (A) hmotnostním/ nukleonovým číslem atomu. • •Například atom s 11 protony a 12 neutrony v jádře (tedy s hmotnostním číslem 23) je chemický prvek sodík. • •Nuklidy se stejným počtem protonů a různým počtem neutronů v jádře se nazývají izotopy. • •Např. olovo, vyskytující se v přírodě, se skládá ze čtyř izotopů: • 20482Pb, 20682Pb, 20782Pb, 20882Pb • prosetin-dravit •Co je izotop? • •Poměrně široký pojem zahrnující studium izotopového složení • chemických prvků v geologických materiálech – horninách, minerálech, zbytcích organismů, ale i v hydrosféře a atmosféře. • •Tradičně se dělí na dvě sféry: • Neradiogenní izotopy, obvykle lehkých prvků (Li, B, S, C, O atd.), pomocí jejichž izotopů je možné sledovat procesy frakcionace prvků v exogenní zóně, měřit teploty hydrotermálních a metamorfních procesů nebo studovat původ těchto prvků v minerálech a horninách. • • Radiogenní izotopy (produkty radioaktivního rozpadu) obvykle středně těžkých a těžkých prvků (Sr, Nd, Hf, Os, Pb atd.). Často odlišné geochemické vlastnosti mateřských prvků a jejich radiogenních produktů jsou příčinou odlišného izotopového složení a vývoje jednotlivých zemských rezervoárů. Relativní zastoupení těchto izotopů v minerálech a horninách je obvykle dobrým indikátorem jejich původu. prosetin-dravit •Co je izotopová geochemie? • •Samostatnou disciplínou v rámci geologie radiogenních izotopů je geochronologie (datování hornin a minerálů). Podstatou geochronologie je využití radioaktivního rozpadu prvků. • •Vybrané typy radioaktivního rozpadu: • α rozpad – typický pro nejtěžší nuklidy; emitování α - částice (jádro atomu helia; 4He); nukleonové číslo A–4, protonové číslo Z–2; např: 238U→234Th, 147Sm→143Nd • • b rozpad – jádro nuklidu emituje elektron nebo pozitron (pozitron je antičástice k elektronu); nukleonové číslo zůstává, protonové číslo +1; např.: 87Rb→87Sr, 176Lu→176Hf, 187Re→187Os, 40K→40Ca, 23Mg→23Na • • elektronový záchyt – při elektronovém záchytu je proton v jádře nuklidu přeměněn na neutron reakcí s elektronem z obalu atomu • • • • prosetin-dravit •Radioaktivní rozpad • •Kombinací více typů radioaktivního rozpadu vznikají rozpadové řady, tj. série následných rozpadových reakcí: • • 238U → 206Pb • (uran-radiová řada) • 235U → 207Pb • (aktiniová řada) • 232Th → 208Pb • (thoriová rozpadová řada) • • prosetin-dravit •Radioaktivní rozpad • •Obecný postup v izotopové laboratoři: • • 1) rozklad vzorku • • 2) chemická separace vybraného prvku pomocí ionexu • (ionexová chromatografie) • • 3) hmotová spektrometrie – stanovení izotopového složení prosetin-dravit •Postup separace prvků a stanovení jejich izotopového složení • • Čistá (izotopová) laboratoř: • •koncept čisté laboratoře rozvíjen od 60. let 20. století na základě práce Claire Pattersona pro studium distribuce izotopů Pb v oceánech a mořském prostředí • •US FED STD: třída 1 až třída 100,000 (podle počtu částic různých průměrů na kubickou stopu) • prosetin-dravit •Postup separace prvků a stanovení jejich izotopového složení VSTUP prosetin-dravit •Postup separace prvků a stanovení jejich izotopového složení • prosetin-dravit •Postup separace prvků a stanovení jejich izotopového složení DSC02280 • •1) Rozklad vzorku, tedy převedení horninového (minerálního) silikátového materiálu do roztoku je proces, který nutně předchází chemické separaci a analýze izotopového složení na hmotovém spektrometru. • •Obvykle následuje po homogenizaci, eventuálně minerální separaci vzorku. • •Nejběžněji používanou anorganickou kyselinou, která rozpouští silikátové geologické materiály, je kyselina fluorovodíková (HF). • •Některé soli, např. Ca a K, jsou v HF málo rozpustné – využití dalších kyselin, např. HNO3 a HClO4. • • prosetin-dravit •Postup separace prvků a stanovení jejich izotopového složení prosetin-dravit •Postup separace prvků a stanovení jejich izotopového složení odvážení DSC04579 DSC03174 DSC03161 prosetin-dravit •Postup separace prvků a stanovení jejich izotopového složení • •2) Chemická separace vybraného prvku pomocí ionexu • •Separace probíhá ve skleněné nebo plastové koloně naplněné stacionární fází (ionexem), kterou protéká mobilní fáze (roztok vzorku). • •Principem chemické separace na iontoměničích (ionexech) je ustavení reverzibilní rovnováhy mezi stacionární a mobilní fází. • •Stacionární fázi tvoří vlastní iontoměnič (běžně se používá • např. polymerující styren), na nějž jsou vázány jednotlivé funkční skupiny. • • prosetin-dravit •Postup separace prvků a stanovení jejich izotopového složení prosetin-dravit •Postup separace prvků a stanovení jejich izotopového složení DSC03798 DSC03809 prosetin-dravit •Postup separace prvků a stanovení jejich izotopového složení • prosetin-dravit •Postup separace prvků a stanovení jejich izotopového složení kapka Pb • •3) Hmotová spektrometrie – stanovení izotopového složení • •Hmotová spektrometrie s termální ionizací (TIMS): • • - základní technika používaná pro stanovení radiogenních izotopů • (např. 87Sr/86Sr, 143Nd/144Nd, 187Os/186Os, 207Pb/206Pb) • • - po předchozí chemické separaci je vzorek napařen na Ta, Re nebo W vlákno a tepelně ionizován průchodem elektrického proudu • • - k disperzi iontů je využíván magnetický sektor hmotového spektrometru • • - TIMS nejčastěji prováděna na přístroji TRITON (Thermo Scientific) • prosetin-dravit •Postup separace prvků a stanovení jejich izotopového složení prosetin-dravit •Postup separace prvků a stanovení jejich izotopového složení DSC03894 prosetin-dravit •Postup separace prvků a stanovení jejich izotopového složení DSC03962 DSC03944 DSC03964 prosetin-dravit •Postup separace prvků a stanovení jejich izotopového složení DSC03898 DSC03901 prosetin-dravit •Postup separace prvků a stanovení jejich izotopového složení prosetin-dravit •Postup separace prvků a stanovení jejich izotopového složení prosetin-dravit •Postup separace prvků a stanovení jejich izotopového složení DSC03321 • •3) Hmotová spektrometrie – stanovení izotopového složení • •Multikolektorový hmotnostní spektrometr s indukčně vázaným plazmatem (MC-ICP-MS Neptune) • • - primárním zdrojem ionizace prvků u tohoto přístroje je argonové plazma • • - v argonovém plazmatu je ionizována téměř většina prvků periodického systému (např. Li, Ca, Mg, Cr) • • - vzorek se zavádí do plazmatu zpravidla ve formě aerosolu prosetin-dravit •Postup separace prvků a stanovení jejich izotopového složení prosetin-dravit •Postup separace prvků a stanovení jejich izotopového složení DSC02402 • • Hmotnostní spektrometrie sekundárních iontů (SIMS) • • Technika sloužící k analýze izotopového složení povrchů pevných látek pomocí bombardování povrchu ionty a shromažďováním (analyzováním) vyražených sekundárních iontů • •Nejčastěji analyzujeme izotopové složení jednotlivých minerálů (odpadá chemická separace prvků avšak stanovené izotopové poměry jsou méně přesné ve srovnání s předchozími metodami) • •Je to metoda poměrně rychlá • •Např. U-Pb datování zirkonu • prosetin-dravit •Další metody stanovení izotopového složení prosetin-dravit 25-0 •Další metody stanovení izotopového složení prosetin-dravit csm_Potsdam_1280-HR_SIMS_9a62b05f02 •Další metody stanovení izotopového složení DSC09574b