Изотопная геохимия и геохронология Юрий Александрович Костицын МГУ им. М. В. Ломоносова Геологический факультет Задачи (*.xlsx) и лекции (*.pptx) – на сайте Геохимия_Изотопов_и_Геохронология

Начала геохронологии. Оценки возраста Земли. Библейские ограничения возраста – 6 тысяч лет ( 23 октября 4004 г. до н.э., 9 часов утра ). Библейские ограничения возраста – 6 тысяч лет ( 23 октября 4004 г. до н.э., 9 часов утра ). Оценки по скорости осадконакопления (XVIII-XIX в.) – сотни миллионов лет. Оценки по скорости осадконакопления (XVIII-XIX в.) – сотни миллионов лет. Оценки по скорости остывания Земли (конец XIX в.) – до 100 млн.лет. "Окончательный" вывод сделан У.Томсоном (Lord Kelvin) в 1887 г. – млн.лет, не более. Оценки по скорости остывания Земли (конец XIX в.) – до 100 млн.лет. "Окончательный" вывод сделан У.Томсоном (Lord Kelvin) в 1887 г. – млн.лет, не более. Первые определения возраста урановых минералов (1907 г.) – 500 млн.лет. Первые определения возраста урановых минералов (1907 г.) – 500 млн.лет.

Задачи изотопной геохронологии Определение времени геологических событий Определение времени геологических событий Основные задачи изотопной геохимии Проверка генетической связи исследуемого вещества с известным источником (задачи геохимии, экологии); Проверка генетической связи исследуемого вещества с известным источником (задачи геохимии, экологии); Оценка химического состава источника исследуемого вещества; Оценка химического состава источника исследуемого вещества; Оценка пропорций смешения различных источников; Оценка пропорций смешения различных источников; Оценка температур равновесия минералов; Оценка температур равновесия минералов; …

Ядра атомов (нуклидов) состоят из протонов и нейтронов (нуклонов). Z – число протонов (атомный номер); N – число нейтронов; А – массовое число. A = Z + N Ядра атомов (нуклидов) состоят из протонов и нейтронов (нуклонов). Z – число протонов (атомный номер); N – число нейтронов; А – массовое число. A = Z + N Изотопы – нуклиды с одинаковым зарядом ядра (Z), но с разной массой (A) Изотопы – нуклиды с одинаковым зарядом ядра (Z), но с разной массой (A) Изобары – нуклиды с одинаковыми массами при разных зарядах ядра Изобары – нуклиды с одинаковыми массами при разных зарядах ядра Известно более 3100 нуклидов, из них – 285 стабильные или долгоживущие Известно более 3100 нуклидов, из них – 285 стабильные или долгоживущие

Общие представления о звёздном нуклеосинтезе Продукты Большого Взрыва (Big Bang) Ранние звёзды не содержали изначально более тяжёлых нуклидов H.Oberhummer, A.Patkos, T.Rauscher, % 25% 2·10 –5 3·10 –5 10 –9

Hertzsprung-Russell diagram Нуклеосинтез в недрах звёзд звёзд

Нуклеосинтез в недрах звёзд: горение водорода pp-цепочки При T ~ 10 7 K 4p 4 He + 2e (26.7 МэВ – pp) (25 МэВ – CNO) При T ~ 10 7 K 4p 4 He + 2e (26.7 МэВ – pp) (25 МэВ – CNO) CNO-цикл

От He до Fe: При T = (1-2)10 8 K: 4 He + 4 He 8 Be 8 Be + 4 He 12 C + γ 4 He + 12 C 16 O + γ При T = K: 12 C + 12 C 20 Ne + 4 He 12 C + 12 C 23 Na + p При T = 10 9 K: 20 Ne + γ 16 O + 4 He 20 Ne + 4 He 24 Mg + γ При Т = K: При Т = K: 16 O + 16 O 28 Si + 4 He 16 O + 12 С 24 Mg + 4 He + γ При T = K: При T = K: 28 Si + γ 24 Mg + 4 He 28 Si + 4 He 32 S + γ 32 S + 4 He 36 Ar + γ 36 Ar + 4 He 40 Ca + γ И т.д. до элементов группы Fe

Hubble Space Telescope, photo PR96-27B Туманность NGC 604 в созвездии Треугольника на расстоянии 2.7 млн. световых лет – крупнейшая наблюдаемая туманность, её размер около 1500 св. лет. В центре туманности ~200 горячих звёзд массой от 15 до 60 M, и новые звёзды продолжают зарождаться. Туманность NGC 604 в созвездии Треугольника на расстоянии 2.7 млн. световых лет – крупнейшая наблюдаемая туманность, её размер около 1500 св. лет. В центре туманности ~200 горячих звёзд массой от 15 до 60 M, и новые звёзды продолжают зарождаться. 1 св.г. = км = 9.46·10 15 м Рождение звёзд

Композитное (рентген + оптика) изображение туманности Кошачий Глаз, возникшей в результате гибели звезды массой ~5 M. Красное – водород (альфа линия); Синее – кислород, 630 нм; Зелёное – ионы азота, нм. Открыта 15 февраля 1786 г. Уильямом Гершелем Композитное (рентген + оптика) изображение туманности Кошачий Глаз, возникшей в результате гибели звезды массой ~5 M. Красное – водород (альфа линия); Синее – кислород, 630 нм; Зелёное – ионы азота, нм. Открыта 15 февраля 1786 г. Уильямом Гершелем Hubble Space Telescope Гибель звёзд: белые карлики (m

Мозаичное изображение Крабовидной туманности в созвездии Тельца – остатков от взрыва Сверхновой, наблюдавшейся китайскими и японскими астрономами в 1054 г. Расстояние – 6500 св.л., размер – 6 св.л. Голубоватое свечение изнутри обеспечено электронами, вращающимися почти со скоростью света вокруг нейтронной звезды в центре. Цвета сгустков обусловлены разными элементами: водород (оранжевое); кислород (голубое – нейтральный и красное – дважды ионизованный); сера (зелёное). Мозаичное изображение Крабовидной туманности в созвездии Тельца – остатков от взрыва Сверхновой, наблюдавшейся китайскими и японскими астрономами в 1054 г. Расстояние – 6500 св.л., размер – 6 св.л. Голубоватое свечение изнутри обеспечено электронами, вращающимися почти со скоростью света вокруг нейтронной звезды в центре. Цвета сгустков обусловлены разными элементами: водород (оранжевое); кислород (голубое – нейтральный и красное – дважды ионизованный); сера (зелёное). NASA Hubble Space Telescope Гибель звёзд – сверхновая m>8M m>8M

Внутри каждой звезды формируется индивидуальный изотопный состав, зависящий от многих факторов, прежде всего её начальной массы и возраста Изменение давления и температуры в ядре звезды начальной массой 25 Солнечных по мере термоядерного горения H – He – C – Ne – O – Si. Время горения водорода в недрах Солнца ~ лет. в массивных звёздах термоядерные реакции протекают быстрее, примерно пропорционально квадрату массы. Т.е. звезда с массой 10·M эволюционирует в ~100 раз быстрее Солнца

Wiescher et al., 2002, Physics World

Элементы тяжелее Fe s-процесс – захват нейтронов при слабом их потоке (красные гиганты перед стадией сверхновой): 13 C + 4 He 16 O + n 22 Ne + 4 He 25 Mg + n 17 O + 4 He 20 Ne + n r-процесс – обильный поток нейтронов (сверхновая) rp-процесс – обильный поток протонов (двойные звёзды, нейтронные звёзды, чёрные дыры малой массы) Изотопный состав элементов тяжелее железа в каждой звезде также зависит от многих факторов. Вещество из другой звёздной системы, скорее всего, будет отличаться от земного по распространённости многих стабильных и нестабильных нуклидов

SiC досолнечные включения в метеорите Murchison Isotopic patterns measured in bulk samples of SiC extracted from the Murchison meteorite. Isotopic ratios are relative to the reference isotope plotted as a solid circle and are normalized to the solar isotopic ratios. Data are from Lewis et al. (1994) (Kr and Xe), Podosek et al. (2003) (Sr), Prombo et al. (1993) (Ba), Richter et al. (1993) (Nd and Sm), and Richter et al. (1994) (Dy).

Birck, 2004

Причины вариаций изотопного состава элементов на Земле Фракционирование изотопов, 18 O/ 16 O, 13 C/ 12 C … Фракционирование изотопов, 18 O/ 16 O, 13 C/ 12 C … Радиоактивный распад, 87 Rb 87 Sr, 147 Sm 143 Nd … Радиоактивный распад, 87 Rb 87 Sr, 147 Sm 143 Nd … Деление тяжёлых ядер, 238 U, 235 U, 232 Th (спонтанное или под действием тепловых и быстрых нейтронов) Деление тяжёлых ядер, 238 U, 235 U, 232 Th (спонтанное или под действием тепловых и быстрых нейтронов) Расщепление (spallation) ядер космическими (галактическими, солнечными) частицами, 3 He, 21 Ne, 14 N(n,p) 14 C … Расщепление (spallation) ядер космическими (галактическими, солнечными) частицами, 3 He, 21 Ne, 14 N(n,p) 14 C …