Геологический факультет МГУ:Геохимия изотопов и геохронология

Материал из GeoWiki - открытой энциклопедии по наукам о Земле.

Геохимия изотопов и геохронология. Автор курса: Юрий Александрович Костицын.
Форма контроля: экзамен.

Содержание 1 Лекции по курсу 2 Задачи по курсу 3 Вопросы и примеры задач к зачёту/экзамену 4 Программа 5 Литература:

Лекции по курсу

Чтобы загрузить файлы *.pptx, щёлкните правой кнопкой мыши на названии и выберите опцию "Save As..." ("Сохранить как...")

Перечень тем
PowerPoint presentation - Вводная лекция.	Video
PowerPoint presentation - Оборудование для изотопного анализа.	Video
PowerPoint presentation - Фракционирование стабильных изотопов.	Video-1	Video-2	Video-3
PowerPoint presentation - Закон радиоактивного распада.	Video-1	Video-1
PowerPoint presentation - K-Ar изотопная система.	Video-2022:Part-1	Part-2	Part-3
PowerPoint presentation - Rb-Sr изотопная система.	Video-2022:Part-1	Part-2	Part-3	Part-4	Part-5

Задачи по курсу

• Excel table - Задача № 7
• Excel table - Задача № 8
• Excel table - Задача № 10
• Excel table - Задача № 11

Вопросы и примеры задач к зачёту/экзамену

Программа

1. Причины вариаций изотопного состава элементов в природе
   Строение атома. Изотопы и изобары. Радиоактивный распад, спонтанное деление, фракционирование изотопов. Виды радиоактивного распада. Закон радиоактивного распада как основа изотопной геохронологии. Физический смысл константы скорости радиоактивного распада, периода полураспада, среднего времени жизни атомов, зависимости между ними. Физический и геохимический методы определения констант скорости распада.
2. Основы изотопной масс-спектрометрии.
   Основные системы масс-спектрометров: источник, анализатор и система регистрации.
   Типы и принципы действия источников ионов: газофазный, твердофазный, с индуктивно-связанной плазмой, с лазерной абляцией, вторично-ионные источники.
   Типы и принципы действия анализаторов: с секторным магнитом, времяпролетный и квадрупольный.
   Магнитный анализатор масс-спектрометра: две основные функции – дисперсия по массам и фокусировка расходящихся пучков ионов. Закономерности движения ионов в электростатическом и магнитном полях. Соотношение радиусов траекторий движения ионов в магнитном поле масс-спектрометра.
   Системы регистрации. Два основных метода регистрации ионных токов в изотопных масс-спектрометрах: электрометрический усилитель и вторично-электронный умножитель. Одноколлекторные и многоколлекторные системы регистрации – особенности и области их применения.
   Блок-схема изотопного магнитного масс-спектрометра.
   Две основные задачи, решаемые с помощью масс-спектрометров в изотопной геохронологии: исследование изотопного состава и определение элементных концентраций. Метод изотопного разбавления.
   Локальные методы изотопного анализа - ионный микрозонд и лазерная абляция.
3. K-Ar метод изотопной геохронологии
   Основы K-Ar метода изотопной геохронологии.
   Типы радиоактивного распада ⁴⁰К. Изотопный состав калия и аргона. Расчет возраста с учетом двух типов радиоактивного распада ⁴⁰К: к-захвата и β-распада. Распространенность калия в породах и минералах.
   Захваченный (избыточный) ⁴⁰Ar в минералах. Датирование K-Ar методом минералов с захваченным аргоном неизвестного изотопного состава: поправка на атмосферный аргон, изохронные варианты.
   Сравнение устойчивости K-Ar изотопной системы при термических воздействиях на различные минералы (слюды, полевые шпаты, амфибол).
   Нейтронно-индукционный вариант калий-аргонового метода (метод ³⁹Ar-⁴⁰Ar): принцип, генерация радиоактивных изотопов аргона при облучении минералов быстрыми нейтронами в ядерном реакторе. Интерпретация спектров ³⁹Ar-⁴⁰Ar возрастов, преимущества, недостатки ³⁹Ar-⁴⁰Ar метода изотопного датирования.
   Применение K-Ar метода изотопной геохронологии.
   Минералы, пригодные и не пригодные для датирования K-Ar методом. Датирование магматических пород калий-аргоновым методом.
4. Rb-Sr метод изотопной геохронологии
   Физические основы и принципы Rb-Sr метода изотопной геохронологии. Изотопный состав современных рубидия и стронция. Особенности геохимического поведения рубидия и стронция. Основные представления об изотопной эволюции стронция в Солнечной системе и на Земле.
   Понятие изохроны. Условия получения изохроны. Графическое представление Rb-Sr изохроны (по Николайсену, по Компстону-Джеффри).
   Изохроны и линии смешения в изотопной геохронологии.
   Особенности изотопного Rb-Sr датирования изверженных, метаморфических, осадочных пород, месторождений полезных ископаемых.
5. Sm-Nd метод изотопной геохронологии
   Физические и геохимические основы Sm-Nd метода изотопной геохронологии.
   Тип и скорость радиоактивного распада, современный изотопный состав самария и неодима и его эволюция в прошлом. Особенности геохимии редкоземельных элементов. Скорости генерации радиогенного ¹⁴³Nd, соответствующие требования к точности измерений, особенности масс-спектрометрического изотопного анализа неодима и самария (проблема изотопной масс-дискриминации). Эпсилон-обозначения.
   Изохронные Sm-Nd датировки.
   Геохимический смысл линейных зависимостей. Породы и минералы, пригодные для датирования Sm-Nd методом.
   Модельный возраст. Одностадийная и двухстадийная модели.
   Устойчивость Sm-Nd изотопной системы при метаморфических воздействиях. Минералы и породы, пригодные для Sm-Nd датирования.
6. Lu-Hf метод изотопной геохронологии
   Изотопный состав лютеция и гафния, радиоактивные свойства лютеция. Особенности геохимии лютеция и гафния. Изохронный вариант датирования Lu-Hf методом. Требования к точности масс-спектрометрических измерений.
   Изотопная эволюция Hf. "Мантийная последовательность" в координатах ¹⁷⁶Hf/¹⁷⁷Hf, ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr, ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd. Свидетельства изотопной гетерогенности мантии Земли, её связь с химической гетерогенностью мантии.
7. Геохимия радиогенных изотопов Sr, Nd, Hf
   Радиогенные изотопы Sr и Nd в магматических породах. Сравнение геохимических свойств Sr, Rb, Sm, Nd. Первичный изотопный состав Sr и Nd; изотопы Sr и Nd в метеоритах – хондритах и ахондритах. Эволюция изотопного состава Sr и Nd метеоритов, Земли и Луны. Современный изотопный состав Sr и Nd в океанических и континентальных вулканических породах, возникших в различных геологических условиях. Применение начальных изотопных отношений Sr и Nd для определения источника пород. "Мантийная последовательность".
   Геохимия радиогенных изотопов Sr, Nd и Hf в осадочной оболочке.
   Изотопные характеристики Sr и Nd в глубоководных осадках, оценки времени пребывания осадочных пород в коре. Использование изотопного состава Sr и Nd при исследовании процессов смешения, взаимодействия вода-порода в океанах. Эволюция изотопного состава Sr и Nd морских карбонатов (мирового океана) в фанерозойское и докембрийское время. Изотопный состав Sr и Nd современных океанов, причины постоянства изотопного состава Sr и вариаций в разных океанах ε_Nd.
8. U-Th-Pb метод изотопной геохронологии
   Изотопный состав урана и тория, α-распад урана и тория, радиоактивные семейства. Принципы уран-торий-свинцового метода изотопной геохронологии.
   Изохронные варианты U-Pb метода изотопного датирования для закрытых изотопно-геохимических систем. Датирование открытых изотопно-геохимических систем уран-свинцовым методом
   Понятие дискордантных U-Pb возрастов. Датирование открытых изотопно-геохимических систем уран-свинцовым методом при условии "эпизодического метаморфизма" (диаграммы Аренса-Везерилла и Тера-Вассербурга).
   Понятия конкордии и дискордии. Изотопная уран-свинцовая геохронология по цирконам и другим минералам.
   Эволюция земного свинца и определение модельного возраста.
9. Геохимия радиогенных изотопов свинца
   Первичный изотопный состав свинца Солнечной системы и Земли. Эволюция изотопного состава свинца Земли. Одностадийные модели. Понятие геохроны. Аномальные свинцы. Двустадийная модель Стейси и Крамерса. Рудные свинцы. Многостадийная модель эволюции изотопного состава свинца. Особенности изотопного состава свинца молодых вулканических пород.
10. Рений-осмиевый метод изотопной геохронологиии
    Изотопный состав рения и осмия, радиоактивные свойства рения. Особенности геохимии рения и осмия. Изохронный вариант рений-осмиевого метода изотопной геохронологии. Рений-осмиевое датирование молибденитов. Эволюция изотопного состава земного осмия. Модельные возрасты пород.
11. Изотопная космохронология
    Нуклеосинтез и вымершие изотопы. Hf/W изохроны метеоритов как доказательство существования вымершего 182Hf в ранней Солнечной системе. Исследование происхождения Луны с применением ¹⁸²Hf/¹⁸²W изотопной системы. Проблема оценки возраста ядра Земли.

• Причины вариаций отношений стабильных изотопов в природе
  Способы выражения изотопных вариаций (величины δ, Δ, α, связь между ними). Изотопные стандарты. Масс-спектрометрические методы исследования малых изотопных вариаций. Термодинамический (равновесный) изотопный эффект. Термодинамика изотопного обмена, понятие β-фактора и его связь с равновесным коэффициентом разделения изотопов α.
  Кинетический изотопный эффект. Природа кинетического изотопного эффекта.
  Влияние температуры и давления на термодинамический и кинетический изотопные эффекты.
• Геохимия изотопов водорода и кислорода
  Изотопы кислорода и водорода в гидросфере и атмосфере. Линия Крэйга, изотопный состав водорода и кислорода. Изотопы кислорода и водорода в геотермальных водах и рассолах, примеры генетических применений. Изотопы кислорода и водорода в литосфере: изотопное фракционирование кислорода в породообразующих минералах и магматических породах.
  Принципы геотермометрии по изотопам кислорода: температурная зависимость коэффициентов фракционирования в системе минерал-вода; функциональная зависимость между температурой и изотопным составом кислорода сингенетичных минералов.
  Особенности изотопного состава кислорода и водорода в гидротермальных месторождениях. Вариации изотопного состава кислорода в земных породах.
  Правило плеяд. Вариации изотопных отношений кислорода в метеоритах, на Луне, Марсе и Земле. Проект GENESIS.

Литература:

Основная:

1. Арсланов Х.А. Радиоуглерод: геохимия и геохронология. Л., ЛГУ. 1987.
2. Верховский А.Б., Шуколюков Ю.А. Элементное и изотопное фракционирование благородных газов в природе. М., "Наука". 1991.
3. Галимов Э.М. Вариации изотопного состава алмазов и связь их с условиями алмазообразования. // Геохимия. 1984. № 8. С. 1091-1115.
4. Галимов Э.М. Геохимия стабильных изотопов углерода. М., "Недра". 1968.
5. Галимов Э.М. и Кодина Л.А. Исследование органического вещества и газов в осадочных отложениях дна Мирового океана. М. Наука. 1984.
6. Галимов Э.М. Природа биологического фракционирования изотопов углерода. М., "Наука". 1981.
7. Глобальный биогеохимический цикл серы и влияние на него деятельности человека. М., "Наука". 1983.
8. Горохов И.М. Рубидий-стронциевый метод изотопной геохронологии. М., "Энергоатомиздат". 1985.
9. Гриненко В.А., Гриненко Л.Н. Геохимия изотопов серы. М., "Наука", 1974. ред. В.И.Смирнов.
10. Мамырин Б.А., Толстихин И.Н. Изотопы гелия в природе. М., "Энергоиздат". 1981.
11. Прасолов Э.М. Изотопная геохимия и происхождение природных газов. Л., "Недра". 1990.
12. Титаева Н.А. Ядерная геохимия. МГУ. 2000.
13. Фор Г. Основы изотопной геологии. М., "Мир". 1989.
14. Харланд У.Б. и др. Шкала геологического времени.М., "МИР". 1985.
15. Хёфс Р. Геохимия стабильных изотопов. 1986.
16. Шуколюков Ю.А. Продукты деления тяжелых элементов на Земле. М., "Энергоиздат". 1982.
17. Galimov E.M. Isotope fractionation related to kimberlite magmatism and diamond formation. // Geochim. Cosmochim. Acta. 1991. V. 55. P. 1697 - 1708.
18. Galimov E.M. Sources and mechanisms of formation of gaseous hydrocarbons in sedimentary rocks. // Chemical Geology. 1988. V.71 p. 77-95.
19. Polyakov V.B., Kharlashina N.N. Effect of pressure on the equilibrium isotopic fractionation. // Geochim. Cosmochim. Acta. 1994. V. 58. P. 4739-4750.
20. Stable Isotopes. Natural and Anthropogenic Sulphur in the Environment. (eds. Krouse H.R., Grinenko V.A.) 1990. SCOPE Publ. by John Wiley and Sons Ltd. 425 p.

Дополнительная:

1. Бродский А.И. Химия изотопов М.: Наука. 1957. 645 с.
2. Варшавский Я.М. и Вайсберг С.Э. Термодинамические и кинетические особенности реакций изотопного обмена. // Успехи химии. 1957 Т. 26. С. 1434 - 1468.
3. Войткевич Г.В. Краткий справочник по геохимии. М., "Недра". 1977.
4. Галимов Э.М. О концепции темодинамического распределения изотопов в биологических системах и ошибках, связанных с ее пониманием. // Геохимия. 1978. № 10 с.1570.
5. Изотопная геохимия процессов рудообразования. Ред.Ю.А.Шуколюков, М., "Наука". 1988.
6. Костицын Ю.А., Вагин С. Л. Экспериментальные исследования миграционной способности радиогенного стронция. // Геохимия. 1993. № 5. С. 47-57.
7. Костицын Ю.А., Русинова С. В. Rb-Sr изохронное датирование калишпатового сферолита из вулканической толщи серебро-полиметаллического месторождения Канимансур (Ср. Азия). // #Изотопное датирование эндогенных рудных формаций. М. 1993. С. 103-111.
8. Костицын Ю.А. Rb-Sr изотопные исследования месторождения Мурунтау. Датирование рудных жил Rb-Sr изохронным методом. // Геохимия. 1993. № 9. С. 1308-1318.
9. Костицын Ю.А. Rb-Sr изотопные исследования месторождения Мурунтау. Рудоносные метасоматиты. // Геохимия. 1994. № 4. С. 486-497.
10. Костицын Ю.А. Rb-Sr изотопные исследования месторождения Мурунтау. Магматизм, метаморфизм и рудообразование. // Геохимия. 1996. № 12. С. 1123-1138.
11. Меландер Л., Сондерс У. Скорости реакций изотопных молекул. М.: Мир. 1983.
12. Стабильные изотопы и проблемы рудообразования. М., "Мир", 1977. ред.М.В.Иванов, Дж.Р.Френей.
13. Старик И.Е. Ядерная геохронология. М.-Л., "АН СССР". 1961.
14. Тугаринов А.И., Войткевич Г.В. Докембрийская геохронология материков. М., "Недра". 1966.
15. Флайшер Р.Л., Прайс П.Б., Уокер Р.М. Треки заряженных частиц в твердых телах. М., "Энергоиздат". 1981.
16. Шуколюков Ю.А., Горохов И.М., Левченков О.А. Графические методы изотопной геологии. М., "Недра". 1974.
17. Шуколюков Ю.А., Левский Л.К. Геохимия и космохимия изотопов благородных газов. М., "Атомиздат". 1972.
18. Hofmann A.W. Mantle geochemistry: the message from oceanic volcanism. // Nature. 1997. 385: 219-229.
19. Tatsumoto M., Unruh D.M., Patchett P.J. U-Pb and Lu-Hf systematics of Antarctic meteorites. // Proc. 6th Symp. Antarctic Meteorites. Natl. Inst. Polar Res. Tokyo. 1981. P.237-249.
20. Taylor S.R., McLennan S.M. The continental crust: its composition and evolution. #Blackwell. Oxford. 1985. 312 P.
21. Zindler A., Hart S. Chemical Geodynamics. // Ann. Rev. Earth Planet. Sci. 1986. 14: 493-571.