qeoquimica

7/21/2019 qeoquimica

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GEOQUIMICA DE ISOTOPOS

Por: Miguel Calcina B.

Fuente: White, www/igc.usp

Geoq-Isotopos, EPIG-UNAP 1



Introducción• La desintegración de los isotopos radioactivos de larga vida de ciertos

elementos genera calor (rx exot) en la corteza y manto de la tierra,permite medir la edad de las rocas y minerales

• La geoquímica de isótopos radiogenicos ha tenido una enorme influenciaen el pensamiento geológico en el siglo XX. La historia comienza, en lasegunda mitad del siglo XIX. En ese momento Lord Kelvin (Influenciado

profundamente por el desarrollo de la física y la termodinámica del siglo19), estimó la edad del sistema solar en unos 100 millones de años,basado en el supuesto de que la energía del Sol se derivó del colapsogravitacional. Los geólogos eran particularmente escépticos de laestimación revisada de Kelvin, sintiendo que la tierra debe ser mayor que

esto, pero no tenía medios cuantitativos de apoyar sus argumentos. Ellosno se daban cuenta, pero la clave para la solución definitiva del dilema, esla radiactividad, habían sido descubiertos por la misma época (1896) porel francés Henry Becquerel. Avances de Marie y pierre Curie y deRutherford.

•En 1902 la radioactividad fue reconocida como un proceso asociado convarios elementos. Este proceso resulta la emisión de particulas alfa, beta yGeoq-Isotopos, EPIG-UNAP 2

Fte. White



Átomos e Isótopos• El átomo, es la partícula más pequeña de un

elemento que conserva sus propiedades.Cada elemento químico está formado porátomos del mismo tipo, y que no es posibledividir mediante procesos químicos. Estácompuesto por un núcleo atómico, en el que se

concentra casi toda su masa, rodeado deuna nube de electrones.

• El núcleo está formado por protones (+) que esel número atómico y que difine el elemento

químico y el número de neutrones determina suisótopo, Los electrones (+), permanecen ligadosa este mediante la fuerza electromagnética.


A = número de masa,

Z = número atómico,

N = número de neutrones

N = A-Z

http://es.wikipedia.org/wiki/Elemento_qu%C3%ADmico

http://es.wikipedia.org/wiki/Procesos_qu%C3%ADmicos

http://es.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAcleo_at%C3%B3mico

http://es.wikipedia.org/wiki/Nube_de_electrones

http://es.wikipedia.org/wiki/Protones

http://es.wikipedia.org/wiki/Neutrones

http://es.wikipedia.org/wiki/Fuerza_electromagn%C3%A9tica

http://es.wikipedia.org/wiki/Fuerza_electromagn%C3%A9tica

http://es.wikipedia.org/wiki/Neutrones

http://es.wikipedia.org/wiki/Protones

http://es.wikipedia.org/wiki/Nube_de_electrones

http://es.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAcleo_at%C3%B3mico

http://es.wikipedia.org/wiki/Procesos_qu%C3%ADmicos

http://es.wikipedia.org/wiki/Elemento_qu%C3%ADmico



Núcleolos e Isótopos• La transición de un átomo neutro al estado ionizado se

llama ionización: en el caso de catión involucra pérdidade uno o mas electrones de la capa más externa y enel caso de aniones, la suma o ganancia de uno o maselectrones a esta capa.

• Los nucleolos, se ha sugerido para denominarcualquier especie particular. Cada núcleo atómico secaracteriza por un número definido de protones yneutrones, que conlleva a determinar los diferentesnúmeros de estos nucleones.

• Los nucleolos que tienen el mismo número atómico (Z)son denominados isótopos, nucleolos del mismonúmero de masa (A), se llaman isóbaros, los nucleolosdel mismo número de neutrones (N) se llamanGeoq-Isotopos, EPIG-UNAP 4

14C y 14N 17N, 17O y 17F

https://es.wikipedia.org/wiki/Carbono

https://es.wikipedia.org/wiki/Nitr%C3%B3geno


https://es.wikipedia.org/wiki/Ox%C3%ADgeno

https://es.wikipedia.org/wiki/Fl%C3%BAor













IsótoposSe llama isótopo a un átomo de un mismo elemento químico con

diferentes pesos atómicos pero con igual número atómico. Los átomos

de cualquier elemento dado tienen el mismo número de e- fuera desus núcleos y el mismo Nº de prot dentro del núcleo (Nº atómico)




Isótopos• Algunos isótopos son inestábles y sufren el proceso de desintegración

radioativo espontáneo para formar nuevos isótopos y/o elementosquímicos.

• El proceso por el cual los isótopos inestables espontáneamentedesintegran para otros isótopos (inestables o no) es llamado deradioactividad.




Clasificacion de los Isótopos• 1.- Por su estabilidad: Permite distinguir entre isotopo estable y

radioactivo, Los I.E. de interes geoquímico son H, 2H, 12C, 13C,16O, 18O, 32S, 34S, 206Pb, 207Pb. Por otro lado los isotoposinestables o radioactivos se formaron en la naturaleza xdesintegración radioactiva de otros nucléolos y son de interesgeoquímico el 3H, 14C, 40K, 40Ar, 87Rb, 232Th, 235U, 238U.

• Los isótopos radioactivos, su núcleo atómico emite unaradiación espontanea cambiando el núcleo de otros elementos.Las radiaciones que se emiten son partículas de alfa, núcleos deHe (2prot y 2 neutro), partículas beta (electrones) ambas

partículas son acompañados por radiación gamma (rayos X dealta energía).

• El proceso por el cuál los isótopos inestables espontaneamentedecaen para otros isótopos (inestables o no) es llamado de

radioactividad. Geoq-Isotopos, EPIG-UNAP 7



Radiactividad• El núcleolo se puede considerar como infinitamente

estable en los elementos químicos, pero en los nuleolos,los núcleos pueden sufrir las desintegraciones(transiciones espontáneas) que a la vez, alteran lacomposición del nucleolo inicial, como resultado de estosprocesos, algunos nucleolos se transforman en otronuevo nucleolo.

• La definición de radioactividad consiste en la emisión

espontánea de partículas (alfa, beta, neutrón) oradiaciones (gamma captura K), o de ambas a la vez,procedentes de la desintegración de determinadosnucleidos que las forman, por causa de un arreglo de

su estructura interna.Geoq-Isotopos, EPIG-UNAP 8

Fte. Igc.usp.br

http://energia-nuclear.net/definiciones/neutron.html

http://energia-nuclear.net/definiciones/neutron.html



• Serie dedesintegraciones




Radioactividad• Los nuevos elementos producidos por la desintegración

radioactiva son llamados de productos hijos y en generalse conocen como isótopos radiogénicos. Los productoshijos son mucho mas radioactivos que sus progenitoresEj. 226Ra y 222Ra que son productos hijos de 238U.

• Algunos I.R. continuamente se forman por la reacción de

núcleos estables con partículas de alta energía en laatmosfera i.e (14C, 3H, 10Ba).• La mayoría de los isótopos que ocurren el naturaleza no

son radioactivos y son llamados isotopos estables • Los isótopos estables son herramientas útiles para medir

la temperatura del ambiente y trazar inferencias acercade las rocas, menas y fluidos. Casos como estos y otroshan proporcionado nuevos indicios dentro de la químicade la tierra y los procesos que han originado su fuente yde los materiales.




Leyes de la radioactividad• 1.- Constante de desintegración.- número de

isótopos que se desintegran por unidad de tiempo es

proporcional al número de isótopos padre.• El factor de proporcionalidad es constante para cada

isótopo radioactivo y es denominado de constante de

desintegración, λ.Geoq-Isotopos, EPIG-UNAP 11

La radioactividad puede ser Natural , cuando ladesintegración es gradual espontánea de elementos

como Ra, Th, Po; Artificial , cuando es provocado por elbombardeo de núcleos con partículas aceleradas.



Vida media

• Un concepto más familiar es la vida media osemivida, t1/2, tiempo necesario paradesintegrar a mitad de la masa de un isótopo.


t = tiempo

λ= constante de decaimiento

N = números de átomos de isótopo

inestable

N0 = número inicial de átomos (padre)

ln = logaritmo natural

Para una vida media, t1/2, N/No = 1/2.

Ln1/2 = −λt1/2 u ln2 = λt1/2

Fte. Igc.usp.br



• desintegración isotópica

• puede ser descrito por la

constante dedesintegración (λ) =eventos dedesintegración /año

• o por la vida media (t ½)= tiempo paratransformación en lamitad de la masa delisótopo padre


Fte: igc.usp

Al medir la proporción entre madres e hijas y conociendo la VM de losátomos madre los geólogos pueden calcular la edad de una muestra

que contenga el elemento radioactivo. La proporción del elementomadre/hija se determina con el espectrómetro de masa.



Procesos de desintegración

Radioactiva

• La desintegración radioactiva es el proceso por el cual unnúcleo atómico inestable se transforma espontáneamente enun núcleo atómico de otro elemento. Se reconocen lossiguietes tipos de decaimiento radioactivo.

•Desintegración alfa,• Desintegración beta,

• Captura de un electrón,• Ejemplo: Rb Sr + alfa• 40K 40Ar + electrón

• 235U 207Pb + 7 alfa + 6 beta• 238U 206Pb + 8 alfa + 6 beta• Fisión núclear, ocurre cuando un núcleo pesado, se divide en

dos núcleos mas pequeños , en tal reacción, la masa total enreposo de los productos es menor que la masa original enreposo.



Desintegración Alfa:

238U92234Th90 + 4He2

Desintegración Beta:14

C6 14

N7

12N7 12C6

Captura de Electrón 40K19 40Ar18

40K19 40Ca20



Captura de un electrón

• Este envuelve la captura de um eléctron (ec)por un núcleo, convertiendo un próton en unneutrón.

Aproximadamente 11% del desintegración de

19K40 para 18Ar40 se dá por captura de eléctron.

• Los restantes ~89% sufren desintegración betapara formar 20Ca40


Fte. Igc.usp.br



Fisión

• Desintegración espontáneo o inducido de isótoposradioactivos pesados (xej., 235U, 232Th) en dosnúcleos mas leves + partículas + energia.

• 92U235 → 56Ba140 + 36Kr92 + 3n + energia• Los dos isótopos hijo difieren geralmente en A y Z.

• La fisión destruye la estructura cristalina, originando

fajas de fisión (fisión tracks) que pueden ser usadaspara datar minerales (un tipo de termocronología).


Ft I b



Para bloquear la radioactividad

• Hoja de papel

• Placa de aluminio

• Con un cm de plomo,o seis cm deconcgreto, reduce laradiacion gamma en

50%Geoq-Isotopos, EPIG-UNAP 19

Fte. Igc.usp.br

Ft I b



• La abundancia de los isótopos enplanetas se altera con el tiempo:

– Desintegración radioativo

– Interacción con los rayos cósmicos (14

N – 14C)

– Actividad antrópica (centrales ybombas nucleares)

– Fisión: U235

+ neutron = Ba144

+ Kr89

+ 2neutrons + energia


Fte. Igc.usp.br



Notación isotópica• Isótopo, especificado por el número de masa en superíndice

antes del símbolo• 13C 18O 32S …

La composición isotópica de cualquier sustancia está dada entérminos de la variación de las razones entre los isótopos en

comparación con una sustancia padrón de composiciónconocida.


F u e n t e : W h i t e c a p 9

Ft I b



Notación isotópica

• delta (δ) en por mil (‰)

• δ (‰) = ((Rmuestra / Rpadrón) – 1) x 1000

• R = isótopo pesado / isótopo ligero (p.e. 13C/12C)

d (‰) = (13

C/12

C muestra /13

C/12

C) Rpadrón) – 1) x 1000

• δ positivo = muestra enriquecida en el isótopo pesado conrelación al padrón

• δ negativo = muestra empobrecida en el isótopo pesado conrelación al padrón


Fte. Igc.usp.br

Ft I b



Geocronología

• Determinación del intervalo de tiempo en escalageológica, utilizando los métodos absoluto orelativo.

• Datación absoluta: uso de la radioatividad paradatar rocas y minerales (edad en Ma = millones deaños antes del presente).

• Datación relativa: uso de la estratigrafia o de lasrelaciones de contactos entre las rocas (edad entérminos de escala geológica o simplementecomparativa (“mas antiguo” o “más joven”).


Fte. Igc.usp.br



• Condiciones generales:

• Fijación del isótopo padre en una estructura cristalina (p. ej.

U, Th en zircón); de ser posible, ausencia del isótopo hijo en elmomento de la formación del mineral (p. ej., zircón noincorpora Pb en su cristalización original);

• Retención de los isótopos hijos en la estructura del mineral;

• Evitar materiales que sufren procesos de alteraciónsecundária como:

– metamorfismo, hidrotermalismo, intemperismo;

– Entrada o salida de isótopos padre o hijo originan error en

la edad; – Dar preferencia a los minerales resistentes a la alteración

(p. ej. zircón).




Isótopos radioativos de interésgeológico

Sistema

isotópico

Vida media (t1/2) Razón isotópica de

interés40K→ 40Ar 1.40×109 años 40 Ar/36 Ar

87Rb→87Sr 4.89×1010 años 87Sr/86Sr

147Sm→143Nd 1.06×1011 años 143Nd/144Nd

232Th→208Pb 1.40×1010 años 208Pb/204Pb

235U→207Pb 7.04×108 años 207Pb/204Pb

238U→206Pb 4.47×109 años 206Pb/204Pb




Ecuación de datación Considerando el decaimiento radioactivo producido en los elementos inestables para

convertirse en estables, se tiene una expresión matemática que relacionan los períodos desemidesintegración y el tiempo geológico tal que:

donde

t = Edad de la muestra. D = Número de átomos hijos presentes en la muestra ( = nº átomos padre que han decaido

radioactivamente). P = Número de isótopos padre presentes en la muestra. λ = Constante de semidesintegración del isótopo padre. ln = Logaritmo neperiano.

Esta ecuación es válida siempre que el padre tenga un único modo de decaimiento y el

hijo sea estable. Para otros casos se pueden obtener otras ecuaciones más complejas

que tienen en cuenta los múltiples decaimientos que pueden tener lugar

La datación radiométrica es el procedimiento técnico empleado paradeterminar la edad absoluta de rocas, minerales y restos orgánicos. En los tres

casos se analizan las proporciones de un isótopo padre y un isótopo hijo de losque se conoce su semi vida o vida media. Ejemplos de estos pares de isótopos radiactivos pueden ser el K/ Ar , U/Pb, Rb/Sr , Sm/Nd, etc.

Datación Radiométrica


http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Constante_de_semidesintegraci%C3%B3n&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/wiki/Logaritmo_neperiano

http://es.wikipedia.org/wiki/Mineral

http://es.wikipedia.org/wiki/Is%C3%B3topo

http://es.wikipedia.org/wiki/Semivida


http://es.wikipedia.org/wiki/Radioactividad

http://es.wikipedia.org/wiki/Potasio

http://es.wikipedia.org/wiki/Arg%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Uranio

http://es.wikipedia.org/wiki/Plomo

http://es.wikipedia.org/wiki/Rubidio

http://es.wikipedia.org/wiki/Estroncio

http://es.wikipedia.org/wiki/Samario

http://es.wikipedia.org/wiki/Neodimio

http://es.wikipedia.org/wiki/Neodimio

http://es.wikipedia.org/wiki/Samario

http://es.wikipedia.org/wiki/Estroncio

http://es.wikipedia.org/wiki/Rubidio

http://es.wikipedia.org/wiki/Plomo

http://es.wikipedia.org/wiki/Uranio

http://es.wikipedia.org/wiki/Arg%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Potasio

http://es.wikipedia.org/wiki/Radioactividad


http://es.wikipedia.org/wiki/Semivida


http://es.wikipedia.org/wiki/Mineral

http://es.wikipedia.org/wiki/Logaritmo_neperiano

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Métodos de datación Radiométrica



ISÓCRONA

• Cuando las muestras de un mismo materialgeológico son todas de la misma edad, losdatos obtenidos se grafican en una recta,

denominada isócrona. Siendo la taza dedescomposición conocida, se aplica laecuación de la recta para obtener la edad de

aquel conjunto de muestras





Fte Igc usp br



Datación K - Ar

• Ventajas:

– K abundante

– Ar raro o ausente en el

momento de la cristalización delos minerales

• Desvantajas:

– Ar (gás noble) se dispersa

– 40Ca isótopo abundante de Ca,abundancia poco afecta por ladesintegración del 40K.


40K 40Ca (emisión de e-)40K 40 Ar (captura de e-)

Fte. Igc.usp.br



• Si 40Ar no esta presente en la cristalización de losminerales, (Ar0=0), entonces 40Ar= 0,110 x 40K x (eλt -1)

• Fuga del Ar con el aumento de la T° , posibilidad delreloj isotópico será separado

• si hubiera perdida total

•de

40

Ar




Sistema K-Ar40K en 40Ca (cerca del 89%) emisión del e- o 40Ar (11%), captura

de e-

40Ca es común del Ca. No puede distingirse del 40Ca s

radiogénico del 40Ca no-radiogenico, además está presente en

muchos minerales con K, xlq seria indetectable la

desintegración.

40Ar es un gas inerte que puede ser atrapado en muchas fases

sólidas, siendo el K un elemento mayor y el prod radiog es un

gas.

T= 1/ λ Ln [1 +( 40Ar + 40Ca)40K




Datación Sm - Nd


• Sm y Nd son elementos semejantes (ambos sonlantanídos) – no tienden a separarse por procesos

secundários de alteración;• En general, indican la edad real de la cristalización;

• Son útiles para datación de rocas máficas (bajo K,bajo Zr).

147Sm 143Nd



147Sm 143 Nd by alpha decay

l = 6.54 x 10-13 a-1 (half life 106 Ga)

Decay equation derived by reference to

the non-radiogenic 144 Nd

143 Nd/144 Nd = (143 Nd/144 Nd)

o

+ (147Sm/144 Nd)lt




Datación U-Th-Pb

• El método geocronológico más aplicado es elU-Th-Pb, que usa los isótopos-padre 235U y

238U que generan los isótopos hijo 207Pb y206Pb, respectivamente.




Datación U-Th-Pb

• 238U → 206Pb + 8 He + 6β

• 235U → 207Pb + 7He + 7β

• 232Th → 208Pb + 6He + 4β

• 3 datacionesindependientes


http://www.world-nuclear.org/info/inf05.htm



Datación U-Th-Pb

• Son usados minerales que:

– No incorporan Pb durante su cristalización;

– Retienen el Pb generado por el decaimiento de U y Th;

– Los minerales más utilizados para la aplicación del métodoson: zircón, monazita y titanita.

– Sean resistentes a las alteraciones secundárias.

– Si las edades no estubieran de acuerdo, hubo alteración

del sistema (x.e., perdida de Pb).


Fuente: Winter



The U-Pb-Th System

Very complex system.

3 radioactive isotopes of U: 234U, 235U, 238U

3 radiogenic isotopes of Pb: 206Pb, 207Pb, and 208Pb

Only 204Pb is strictly non-radiogenic

U, Th, and Pb are incompatible elements, &

concentrate in early melts

Isotopic composition of Pb in rocks = function of

238U 234U 206Pb (l = 1.5512 x 10-10 a-1)

235U 207Pb (l = 9.8485 x 10-10 a-1)

232Th 208Pb (l = 4.9475 x 10-11 a-1)

204 Pb estable Geoq-Isotopos, EPIG-UNAP 39



ISÓTOPOS ESTABLESO, N, C, S


Fte. Igc.usp.br



Isótopos estables

• No-radioactivos = no sufren desintegración;

• Isótopos estábles de los mismos elementostienen casi las mismas características

químicas – nuve electrónica idéntica;

• Diferencias en masa debido a la diferencia enel número de neutrones;

• Causan separación parcial (fraccionamiento)entre isótopos ligeros y pesados.




Isótopos estables de interes geológico

Isótopos Razón isotópica Notación

1H, 2H 2H/1H δD

10B, 11B 11B/10B δ11B

12C, 13C 13C/12C δ13C

16

O,17

O,18

O18

O/16

O δ

18

O32S, 33S, 34S, 36S 34S/32S δ34S


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Isótopos estables

• Las principales aplicaciones son:

• Paleoclimatologia (xej. intervalos glaciares einterglaciares);

• Reconstrucciones paleoambientales;

• Geología económica, génesis de yacimientos;

•

Petrología, procesos petrogenéticos.


C í i (d bl ) d l i ó



Características (deseables) de los isótopos

estables usados en geología:

• 1.  Baja masa atómica

• 2.  Gran diferencia relativa entre la masa de los

isótopos• 3.  Existencia en más de un estado de oxidación (C, N,

S), formando diversos tipos de compuestos – son

componentes comunes en sólidos y fluídos naturales• 4.  Abundancia del isótopo más raro es suficiente

para realizar análisis de rutina


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Fraccionamiento isotópico

• El fracionamiento parcial de isótopos estableslivianos y pesados

• Entre dos o más fases coexistentes.

• El fracionamiento isotópico (α) tiene una

relación inversa con la temperatura.

• Mecanismos de fraccionamiento:

• 1.  físicos (evaporación, precipitación...)

• 2.  equilíbrio isotópico

• 3.  proporción/tasas de reacciónGeoq-Isotopos, EPIG-UNAP 51



Diferencias entre las masas de los is.




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