Stabilizotóp-geokémia. Demény Attila MTA Geokémiai Kutatóintézet

Átírás

1 Stabilizotóp-geokémia Demény Attila MTA Geokémiai Kutatóintézet

2 Izotóp: isos topos (görög) = azonos hely

3 Hagyományos stabilizotóp-geokémia D/H, 13 C/ 12 C, 15 N/ 14 N, 18 O/ 16 O és 34 S/ 32 S arányok meghatározása H 2, CO 2, N 2 és SO 2 gázban tömegspektrométer segítségével, geológiai alkalmazások. Új területek: - Klór izotópgeokémiája ( 37 Cl/ 35 Cl, kéreg-köpeny kölcsönhatás)

4 Hagyományos dual-inlet rendszer D/H: H 2 ; 3/2 13 C/ 12 C, 18 O/ 16 O: CO 2 ; 45/44, 46/44 15 N/ 14 N: N 2 ; 29/28 34 S/ 32 S: SO 2 ; 66/64

5 Mintaelőkészítési módszer acid to va cuum carbonate re a c tion ve sse ls -80 C tra p sa mple bottles Off-line reakció foszforsavval (vízmentes H 3 PO 4), majd a keletkező CO 2 vákuumdesztillációja. Mintamennyiség: >0.1 mmól Mintaszám: 25/nap

6

7 Vivőgázos rendszer GC CARB EA laser Legújabb: LC-IRMS Mintamennyiség: <1 μmól Mintaszám: /nap

8 Adatok: δ = R R minta 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:.

9 Frakcionáció: izotópmegoszlás különböző komponensek között α = R R 1 2 frakcionációs faktor Hőmérsékletfüggés: 1000 lnα = 2 A / T + B

10 Például: Kalcit-víz oxigénizotópfrakcionáció 1000 lnα (calcite-h 2 O) lnα = / T Temperature ( C) Ha ismerjük a víz összetételét, a hőmérséklet számítható, és fordítva is igaz. Oxigén izotópos paleotermometria Fő probléma:a vízösszetételt ritkán tudjuk pontosan.

11 Köpenyeredetű kőzetekhez kapcsolódó fluidumok származásának és fejlődésének stabilizotópos vizsgálata

12 Miért fontos? a Föld köpenyének tulajdonságai, viselkedése. Áramlási és konvekciós rendszerek? globális szénháztartási modellek fontos eleme a köpenyből feláramló CO 2. Mennyiség? Izotópösszetétel?

13 Stabilizotóp-összetételek változása kigázosodás mállás kéregasszimiláció nagy T kőzet-víz kölcsönhatás kigázosodás frakcionált kristályosodás másodlagos folyamatok forráskontamináció eredeti köpenyösszetétel δ 13 C? δ 18 O

14

15

16 KÖPENY 16 O óceáni kéreg D, 18 O szigetív vulkanizmus 18 O D, 16 O óceánközépi hátság vulkanizmus hot-spot vulkanizmus 16 O köpeny

17 Óceáni karbonatitokra ható kéregkontamináció és fluid/kőzet kölcsönhatás H, C és O izotópos vizsgálata

18 Karbonatit Több mint 50% karbonátot tartalmazó, köpenyeredetű magmás kőzet Speciális nyomelemösszetétel (Sr, Ba, LREE) és izotóparányok jellemzik

19 δ 13 C (VPDB) másodlagos folyamatok Keller és Hoefs (1995) Ol. Lengai köpenyheterogenitás primér karbonatitok Taylor et al. (1967) δ 18 O (VSMOW)

20 Kola-félsziget Khibina Sokli Kovdor Sallanlatvi Vuoriyarvi Turiy Mys Tiksheozero

21 forráskontamináció asszimiláció átalakulás

22 Kanári-szigetek

23

24

25 δ 13 C (VPDB) asszimiláció átalakulás bazalttelérek Esquinzo P. de La Nao P. del P. Blanco N δ 18 O (VSMOW)

26 Mecsek 5 0 kontaktus mészkövek karbonatitok trachitok δ 13 C (VPDB) bazalttelérek tefritek vastag lávafolyás δ 18 O (VSMOW)

27 Mecsek 5 izotópcsere 0 δ 13 C (VPDB) karbonatitok átalakulás kigázosodás asszimiláció δ 18 O (VSMOW)

28 δ 13 C (VPDB) másodlagos folyamatok Keller és Hoefs (1995) Ol. Lengai köpenyheterogenitás primér karbonatitok Taylor et al. (1967) δ 18 O (VSMOW)

29 Nyos-tó, Kamerun 1700 lakos Mi okozta? Mi várható?

30 M δ 13 C ~ -3,0 (biogén: ~ -20 ) CO 2 % Szellőztetés!

31 Üledékes kőzetek stabilizotóp-geokémiája

32 Tengeri üledékek Üledékes szulfidok: biogén szulfátredukció 32 S dúsulása a biogén szulfidban δ 34 S szulfid: (CDT); δ 34 S szulfát ~+20 (CDT) Archaikum: δ 34 S(szulfid): ~ 0 ; 2,3 Md éve: szulfátredukálók Karbonát δ 13 C: ~ 0 (V-PDB). Kivétel: globális vagy lokális szénháztartás megváltozása (utólagos hatásokon kívül) Plankton δ 13 C > bentosz δ 13 C 12 C org 13 C karb oxidáció Bioproduktivitás:elvonja a 12 C-t ( anoxikus esemény )

33 δ 18 O: ~ 0 (V-PDB). Kivétel: a tengervíz globális δ 18 O megváltozása (utólagos hatásokon kívül)

34 Szerves anyagok: δ 13 C CO 2 (ext) CO 2 (int) R-COOH C3 (Calvin ciklus): Δ 13 C: C4 (Hatch-Slack ciklus): Δ 13 C: -3-2 CAM: napszakosan változó metabolizmus C3: szárazföldi tengeri szerves anyag: CO 2 HCO 3 (~ -28 ) (~ -22 ) C4: ~ -10 (fűfélék, cukornád, kukorica) Felhasználás: fáciesek, behordódás, táplálkozás Pl.: recens plankton ~ -22 júra ~ -30 prekambrium ~ Változik a növényi metabolizmus

35 Globális szénkörforgás a stabilizotóp-összetételek tükrében

36 Az üledékes δ 13 C rekord változása Betemetődés mértékének növekedése ( anoxikus esemény ) δ 13 C Produktivitás csökkenése szerves anyag oxidációja δ 13 C Óceáni áramlási rendszer megváltozása (produktivitás, betemetődés, oxidáció, hőmérséklet, vízösszetétel, stb.) Vulkanizmus CO 2 felmelegedés metánfelszabadulás δ 13 C δ 13 C karb -δ 13 C org növekedése δ 13 C org erőteljes mállás SO 2 lehűlés, savas esők δ 18 O változik, mállás Becsapódás meteorit-eredetű 12 C (δ 13 C ) CO 2, SO 2, por, Tektonika: kiemelkedés erőteljes mállás Metánfelszabadulás δ 13 C

37 ÓCEÁN-ATMOSZFÉRA M O R B betemetődés (karbonát és szerves anyag) KÉREG mállás metánhidrát vulkanizmus metamorfózis Szubdukciós zónák Hot spot és trapbazalt vulkanizmus szubdukció KÖPENY

38 Izotópos tömegegyensúly-modell d dt ( M δ ) 0 karb = F mállás δ mállás + F vulk δ vulk F b, karb δ karb F b, org δ org + F? δ? [Kump és Arthur (1999) után)

39 Kihalási események stabilizotóp-geokémiája

40 Bükk, Bálvány-észak, perm-triász szelvény cm δ 13 C kihalási folyamat

41 Csővár, triász-júra szelvény

42 Izotóp-hidrológia

43

44 mbf DNy Holocén beszivárgási korú víz K-ÉK δ 18 O>-9,8 Pleisztocén beszivárgási korú víz Na+K eé% izovonal 90 δ 18 O<-11, km

45 Levegő CO 2 -tartalma Megfigyelés: A CO 2 mennyiségének folyamatos növekedése Ipari forradalom előtt: kb. 280 ppmv. Jelenleg: kb. 380 ppmv. Okok: - antropogén (fosszilis tüzelőanyag felhasználása, erdőirtás) - természetes (pl. vulkanizmus)

46

47 Szénizotóp-összetétel alapján néhány % antropogén hozzájárulás a légköri CO2 mennyiségéhez.

48 6 Márvány műtárgyak δ C Pe nte likon Pa ros Carrara 1 Na xos Tha sos δ 18 O

49 6 5 Pa ro s 4 13 δ C 3 2 Na xos Pe nte liko n Carrara 1 Thasos δ 18 O

50 6 TEST 5 Pa ro s 4 13 δ C 3 2 Na xos Pe nte liko n Carrara 1 Thasos FEJ δ 18 O

51

52