Изотопная геохимия и геохронология Юрий Александрович Костицын

Начала геохронологии. Оценки возраста Земли. Библейские ограничения возраста (XVII в.) – 6 тысяч лет. Библейские ограничения возраста (XVII в.) – 6 тысяч лет. 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 выполнены Резерфордом в 1905 г. U-He методом – 500 млн.лет. Первые определения возраста урановых минералов выполнены Резерфордом в 1905 г. U-He методом – 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 около 1700 нуклидов, из них – около 260 стабильных Известно около 1700 нуклидов, из них – около 260 стабильных

Продукты Большого Взрыва (Big Bang) Ранние звёзды не содержали изначально более тяжёлых нуклидов

Hertzsprung-Russell diagram Нуклеосинтез в недрах звёзд

Нуклеосинтез в недрах звёзд: горение водорода pp-цепочка 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 = 5×10 8 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 = 2×10 9 K: 16 O + 16 O 28 Si + 4 He 16 O + 12 С 24 Mg + 4 He + γ При T = 5×10 9 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

m = 25M m = 25M Внутри каждой звезды формируется индивидуальный изотопный состав, зависящий от многих факторов, прежде всего её начальной массы и возраста

Элементы тяжелее Fe s-процесс – захват нейтронов при слабом их потоке (Красные гиганты): 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) p-процесс – поток протонов 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 изменения 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, под действием тепловых и быстрых нейтронов) Деление тяжёлых ядер, 238 U, 235 U, 232 Th (спонтанное, 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 …