Geologia izotop este o ramură a geologiei , legate de geochimie , care operează studiul izotopilor stabil și radioactive prezente pe Pământ pentru a studia compoziția și se schimbă în timpul geologic .
Inițial, geologia izotopică a constat în folosirea cunoștințelor despre radioactivitate pentru a data roci și minerale . Această disciplină, la răscrucea geologiei și fizicii nucleare , este ilustrată în special prin metodele sale de datare absolută . Ea a ajutat apoi să înțeleagă mai bine paleoclimatologia , structurile și dinamica internă a globului. Odată cu progresul tehnic, s-a dezvoltat studiul izotopilor stabili, care a dat acces la studiul detaliat al marilor procese geologice, cu reconstituirea paleomediilor .
Instrumentul de bază al geologiei izotopilor este spectrometrul de masă și, așa cum sugerează și numele său, această tehnică geologică se bazează pe măsurarea, datorită acestui instrument, a diferiților izotopi ai elementelor chimice prezente în roci și în minerale.
Fiecare element chimic este definit de numărul său de protoni Z numit numărul atomic ; acest număr determină celula pe care acest element o ocupă în tabelul periodic al lui Mendeleïev . În această casetă, pot exista mai mulți izotopi ai aceluiași element care apoi diferă prin numărul lor de neutroni .
Unii izotopi sunt stabili, alții nu și după o emisie radioactivă dau naștere la un alt element care poate fi el însuși sub forma unui izotop instabil sau radioactiv. Când ne referim la un sistem grafic de coordonate, a cărui axă de abscisă reprezintă numărul de neutroni ( N ) și axa de ordonate numărul de protoni ( Z ) din toți izotopii cunoscuți, observăm că toți izotopii stabili sunt grupați în jurul unei curbe numite „ vale stabilitate "situată sub linia Z = N .
Toate radioactivitățile corpusculare tind să facă elementele care le emit să revină în această vale, o vale care corespunde minimului de energii de asamblare nucleară.
Un alt principiu de bază este ecuația care guvernează evoluția oricărui izotop radioactiv cunoscut sub numele de legea Curie-Rutherford-Soddy.
Când un izotop radioactiv se descompune, variația acestui izotop urmează o funcție a timpului N ( t ) care respectă legea N ' ( t ) = - λ N ( t ). Această ecuație diferențială are pentru soluție funcțiile de tip N ( t ) = N 0 e - λ t . λ se numește „constanta de descompunere”.
Este legat de o altă caracteristică constantă a acestei descompuneri, T , numită perioadă radioactivă (sau timpul de înjumătățire), timp după care rămâne doar jumătate din izotopul prezent la început. Deci avem: N 0 /2 = N 0 e - λ T unde λ = ln (2) / T .
Cunoașterea acestei constante λ face posibilă utilizarea acestei ecuații pentru a măsura un timp. Aceasta se numește „cronologia de către tată”. Două probleme apar: este necesar să cunoaștem cantitatea elementului de pornire, numit aici „element tată” și să fim siguri că roca utilizată este într-adevăr un mediu închis, adică cantitatea elementului tată nu variază peste timpul (prin intrare sau dimpotrivă prin dispariția non-radioactivă).
Este posibil să se îmbunătățească procesul cronologic prin utilizarea perechii „element radioactiv, element radiogen”, cu alte cuvinte perechea „tată, fiu”.
În mod convențional, numim „geochimie a izotopilor stabili” ceea ce este de fapt geochimia izotopilor neradiogeni (spre deosebire de datarea radiometrică și urmărirea izotopilor radiogeni).
Cercetarea se bazează pe geochimia izotopilor stabili a celor mai importante elemente ușoare (carbon, oxigen, azot, clor, hidrogen, sulf): urmărind variațiile fine ale raporturilor lor izotopice, putem descifra procesele fizico-chimice (fuziune, cristalizare, degazare, interacțiunea apă-rocă etc. ) responsabile de distribuțiile acestora în diferitele rezervoare (miez, manta, crustă, sedimente, atmosferă etc.) ale Pământului, evoluția acestor distribuții de la nașterea Pământului și punem constrângeri asupra materialelor din care a fost formată planeta noastră.
Pentru a măsura aceste variații fine ale rapoartelor izotopice, de obicei câteva zecimi la sută, folosim proceduri delicate pentru extragerea și purificarea acestor elemente, adesea nu foarte concentrate în obiecte geologice, și apoi le analizăm prin intermediul unui spectrometru de masă. Molecule de CO 2 , H 2 , O 2, CH3Cl, N 2 , SO 2 , SF 6 ). De exemplu azot, este posibil să se măsoare raportul 15 N / 14 N la mai puțin de un nano mol de azot. Pentru clor, o tehnică de extracție face posibilă detectarea clorului conținut în matricile de silicat la concentrații mai mici de 100 ppm în vederea măsurării raportului 37 Cl / 35 Cl.