Raportul izotopului

Un raport izotop este raportul numărului de atomi ai doi izotopi dintr-o singură probă . Termenul raport izotop este adesea limitat la cazul a doi izotopi ai aceluiași element chimic , dar poate fi folosit pentru cel al doi izotopi ai unor elemente diferite. Măsurarea, interpretarea și modelarea raporturilor izotopice sunt viața de zi cu zi a geochimiștilor izotopici . Rapoartele izotopului sunt utilizate pentru datarea evenimentelor geologice, precum și pentru descifrarea proceselor geodinamice (urmărirea sursei, în special). De asemenea, găsesc alte aplicații în diverse domenii:glaciologie și paleoclimatologie , arheologie și paleontologie , istoria timpurie a vieții etc.

Definiție și notații

Definiție

Un raport izotop este definit ca raportul:

{\ displaystyle r_ {12} = {\ frac {N {\ text {(izotop 1)}}} {N {\ text {(izotop 2)}}}}}

unde N (izotop) reprezintă numărul de atomi ai izotopului considerați într-un eșantion (sau mai des o mică parte din eșantion).

Notare standard și utilizări

Un raport izotopic este notat în mod convențional prin raportul dintre simbolurile celor doi izotopi, plasat între paranteze. Astfel, reprezintă raportul izotop al stronțiului 87 și stronțiului 86 (adică ) și al rubidiului 87 și stronțiului 86. ${\ displaystyle \ left ({\ tfrac {^ {87} \ mathrm {Sr}} {^ {86} \ mathrm {Sr}}} \ right)}$ ${\ displaystyle {\ tfrac {N \ left (^ {87} \ mathrm {Sr} \ right)} {N \ left (^ {86} \ mathrm {Sr} \ right)}}}$ ${\ displaystyle \ left ({\ tfrac {^ {87} \ mathrm {Rb}} {^ {86} \ mathrm {Sr}}} \ right)}$

În radiocronologie, în general, alegem să punem în numitor un izotop stabil și neradiogen : 12 C, 86 Sr, 144 Nd etc. Rapoartele izotopului utilizate pentru datare vor avea apoi în numărător izotopul tatălui și copilul izotopului dezintegrării radioactive folosite ca cronometru: și pentru datarea rubidiu-stronțiu , și pentru datarea samarium - neodim etc. În cazul particular al datării cu carbon 14, nu se folosește izotopul fiică , ci doar raportul . În metodele de datare a dezechilibrului radioactiv, se utilizează un raport izotop care implică doi izotopi radioactivi membri ai aceluiași lanț de dezintegrări , de exemplu pentru datarea uraniului-toriu . ${\ displaystyle \ left ({\ tfrac {^ {87} \ mathrm {Rb}} {^ {86} \ mathrm {Sr}}} \ right)}$ ${\ displaystyle \ left ({\ tfrac {^ {87} \ mathrm {Sr}} {^ {86} \ mathrm {Sr}}} \ right)}$ ${\ displaystyle \ left ({\ tfrac {^ {147} \ mathrm {Sm}} {^ {144} \ mathrm {Nd}}} \ right)}$ ${\ displaystyle \ left ({\ tfrac {^ {143} \ mathrm {Nd}} {^ {144} \ mathrm {Nd}}} \ right)}$ ${\ displaystyle \ left ({\ tfrac {^ {14} \ mathrm {C}} {^ {12} \ mathrm {C}}} \ right)}$ ${\ displaystyle \ left ({\ tfrac {^ {230} \ mathrm {Th}} {^ {238} \ mathrm {U}}} \ right)}$
In geodinamicii chimice , pentru depistarea surselor de magme exemplu folosind izotopi care implică doi izotopi stabili ai aceluiași element, unul radiogenic și celălalt nu: , , , etc. ${\ displaystyle \ left ({\ tfrac {^ {87} \ mathrm {Sr}} {^ {86} \ mathrm {Sr}}} \ right)}$ ${\ displaystyle \ left ({\ tfrac {^ {143} \ mathrm {Nd}} {^ {144} \ mathrm {Nd}}} \ right)}$ ${\ displaystyle \ left ({\ tfrac {^ {207} \ mathrm {Pb}} {^ {206} \ mathrm {Pb}}} \ right)}$ ${\ displaystyle \ left ({\ tfrac {^ {4} \ mathrm {He}} {^ {3} \ mathrm {He}}} \ right)}$
În geochimia stabilă a izotopilor , în general alegem să denumim cel mai abundent izotop, de exemplu și pentru izotopii oxigenului , pentru cei ai carbonului etc. ${\ displaystyle \ left ({\ tfrac {^ {17} \ mathrm {O}} {^ {16} \ mathrm {O}}} \ right)}$ ${\ displaystyle \ left ({\ tfrac {^ {18} \ mathrm {O}} {^ {16} \ mathrm {O}}} \ right)}$ ${\ displaystyle \ left ({\ tfrac {^ {13} \ mathrm {C}} {^ {12} \ mathrm {C}}} \ right)}$

Notare δ

Un număr destul de mare de rapoarte izotopice variază doar cu o fracțiune foarte mică, ceea ce este totuși semnificativ datorită preciziei foarte mari a măsurătorilor izotopice. Mai degrabă decât să manipuleze numere care diferă doar în 3 e , 4 e sau 5 th zecimală, atunci este convenabil să manipuleze variațiile relative ale raportului izotopic r în raport cu un raport izotopic standard de r 0 adecvat. Definim notația δ după cum urmează:

{\ displaystyle \ delta = {\ frac {r} {r_ {0}}} - 1}

Aceste valori adimensionale sunt în general de ordinul câtorva miimi sau zece miimi, și, prin urmare, exprimate în ‰ sau ‱ .

De exemplu, pentru izotopii oxigenului :

{\ displaystyle \ delta ^ {17} \! \ mathrm {O} = {\ frac {(^ {17} \ mathrm {O} / ^ {16} \ mathrm {O})} {(^ {17} \ mathrm {O} / ^ {16} \ mathrm {O}) _ {\ mathrm {SMOW}}}} - 1}

și

{\ displaystyle \ delta ^ {18} \! \ mathrm {O} = {\ frac {(^ {18} \ mathrm {O} / ^ {16} \ mathrm {O})} {(^ {18} \ mathrm {O} / ^ {16} \ mathrm {O}) _ {\ mathrm {SMOW}}}} - 1}

unde standardul utilizat în mod convențional este apa oceanică medie definită la Viena în 1968 (denumită SMOW, pentru apa medie oceanică standard ).

La fel, pentru izotopii de carbon :

{\ displaystyle \ delta ^ {13} \! \ mathrm {C} = {\ frac {(^ {13} \ mathrm {C} / ^ {12} \ mathrm {C})} {(^ {13} \ mathrm {C} / ^ {12} \ mathrm {C}) _ {\ mathrm {PDB}}}} - 1}

unde standardul clasic utilizat este constituit din fosila Belemnitella americana (o belemnită din Cretacicul superior ) a formațiunii Peedee (în) din Carolina de Sud , definită și la Viena în 1968 (notată PDB, pentru Pee Dee Belemnite ).

Măsurat

Măsurarea indicilor izotopilor se poate face in situ folosind o sondă ionică , dar este cel mai adesea efectuată asupra sărurilor sau gazelor extrase din probele de studiat, folosind un spectrometru de masă . Pentru a obține o performanță bună a spectrometrului și pentru a evita interferențele dintre nuclizii izobarici , este în general necesar să se parcurgă mai întâi etape de dizolvare a probei, separarea elementelor chimice, concentrare și depunere, operații delicate sensibile la contaminare și care deci au loc de obicei într- o cameră curată . Precizia obținută variază de la un element la altul, în funcție în special de masa sa atomică și de bogăția sa în izotopi stabili non-radiogeni (prezența a cel puțin doi astfel de izotopi face posibilă corectarea discriminării de masă , o operație inerentă a efectului izotopic a spectrometre de masă). Pentru același element chimic, precizia măsurătorii depinde de calitatea spectrometrului (și de întreținerea acestuia) dar și de rigoarea cu care sunt procesate etapele chimice și calibrarea spectrometrului.

Variabilitate

Științe ale Pământului și Planetologie

Variabilitatea raporturilor izotopice între eșantioane geologice, terestre sau extraterestre, sau chiar în cadrul aceleiași roci sau al aceluiași mineral, se poate datora mai multor factori:

o eterogenitate izotopică inițială, în nebuloasa solară și apoi în materialele care s-au reunit pentru a forma Pământul sau alte corpuri . Măsurătorile efectuate pe probe de pe Pământ, Lună și meteoriți indică atât faptul că nebuloasa solară a fost în general bine amestecată în ceea ce privește compoziția izotopică, dar că în detaliu au existat diferențe semnificative (mici, dar la îndemâna capacităților noastre de măsurare);
dezintegrarea izotopilor radioactivi, care în timp crește raportul de izotopi care implica izotopul fiica si un izotop non-radiogenică același element (dezintegrarea treptată a 87 Rb, de exemplu, crește raportul ). Această creștere este cu atât mai rapidă cu cât elementul radioactiv este abundent, în comparație cu elementul izotopului fiică (raportul , de exemplu, crește cu atât mai repede cu cât raportul chimic este mai mare). Această creștere este utilizată în geocronologie și geodinamică chimică; ${\ displaystyle \ left ({\ tfrac {^ {87} \ mathrm {Sr}} {^ {86} \ mathrm {Sr}}} \ right)}$ ${\ displaystyle \ left ({\ tfrac {^ {87} \ mathrm {Sr}} {^ {86} \ mathrm {Sr}}} \ right)}$ ${\ displaystyle \ left ({\ tfrac {\ mathrm {Rb}} {\ mathrm {Sr}}} \ right)}$
fracționare izotopică în timpul topirii, cristalizarea, vaporizarea, condensarea sau reacție chimică parțială a unui material, care are drept consecință faptul că transformarea parțială a produsului are o compoziție izotop ușor diferită de cea a materiei prime. Această fracționare urmează o lege diferită în funcție de apariția:
- aproape de echilibru . Raportul de fracționare (unde r denotă un raport izotopic) urmează apoi o lege cunoscută și depinde în special de temperatură, ${\ displaystyle \ alpha = {\ tfrac {r _ {\ mathrm {product}}} {r _ {\ mathrm {d {\ acute {e}} parte}}}}}$
- departe de echilibru. Atunci viteza de transformare sau reacție nu este aceeași pentru izotopi diferiți ai aceluiași element chimic. Această fracționare cinetică este în general mai marcată decât fracționarea la echilibru. Există, de asemenea, o diferență de viteză pentru alte procese, cum ar fi fluxul printr-un mediu poros sau difuzia chimică . Acest efect izotopic este utilizat în special pentru îmbogățirea uraniului ;
fracționarea cristalografică, atunci când același element chimic ocupă situri cristaline diferite (prin mediul lor chimic sau simetria lor): diferiții izotopi nu sunt împărțiți în mod egal între diferitele situri. Acesta este în special cazul silicaților care poartă grupări hidroxil ( goetită , kaolinită , moscovită , ilită , smectită , clorite ), unde cele două situri de oxigen nu sunt echivalente. Izotopii mai grei se împart preferențial în sit fără hidrogen asociat. Cantitatea , accesibilă măsurării, depinde de temperatura de formare a cristalelor care duce la aplicații paléothermométriques (en) . ${\ displaystyle \ varepsilon = 10 ^ {3} \, \ ln {\ tfrac {(^ {18} \ mathrm {O} / ^ {16} \ mathrm {O}) _ {\ mathrm {global}}} { (^ {18} \ mathrm {O} / ^ {16} \ mathrm {O}) _ {\ mathrm {OH}}}}}$

Alte discipline

Variabilitatea izotopică a probelor glaciologice , paleoclimatologice , biologice , arheologice sau paleontologice se datorează acelorași factori ca și probele geologice , cu excepția primului: decăderea izotopilor radioactivi de scurt timp de înjumătățire (luând în considerare timpul scalează aceste discipline) și fracționarea izotopică, în special cea de natură cinetică (în special reacțiile biochimice, care au loc aproape întotdeauna foarte departe de echilibru, induc fracționarea izotopică de multe ori mult mai mare decât cea a reacțiilor chimice și a transformărilor fizice ale lumii minerale.) .

Note și referințe

Note

Cei geochronologists preferă să solicite rapoarte chimice izotopi care implică raporturi de doi izotopi ai două elemente diferite.
Uneori definim notația δ prin sau pentru a da apoi valorile fără ‰ sau ‱, dar este mai puțin generală și, prin urmare, nu este recomandată. ${\ displaystyle \ delta = 1000 \ left ({\ tfrac {r} {r_ {0}}} - 1 \ right)}$ ${\ displaystyle \ delta = 10000 \ left ({\ tfrac {r} {r_ {0}}} - 1 \ right)}$
Precizia utilă depinde de subiectul de studiu. Dacă, de exemplu, suntem interesați de compoziția izotopică a plumbului în galene , putem opera fără precauții mari și cu un spectrometru vechi (deoarece probele sunt foarte bogate în plumb și acest plumb are o compoziție izotopică foarte variabilă). Dacă, dimpotrivă, studiem plumbul meteoriților de fier , care sunt extrem de săraci în plumb cu o compoziție izotopică foarte mică, trebuie să fim extrem de eficienți și atenți în separarea chimică și să folosim un spectrometru de ultimă generație.
Când un element chimic este prezent în diferite situri cristalografice ale produsului, fracționarea izotopică poate fi diferită pentru diferite situri.
Fracționarea cinetică a izotopilor, ca și cea a elementelor chimice, poate diferi de la față la față a aceluiași cristal. Astfel putem observa o zonare sectorială chimică și izotopică.

Referințe

Claude J. Allègre, „Geodinamica chimică” , în Jubilee Book of the Geological Society of France , vol. 10,1980, p. 87-104.
(în) Julie Aufort Loïc Segalen, Christel Gervais, Lorenzo Paulatto Marc Blanchard și Stephen Balan, „ Fracționare izotopică de echilibru specific sitului oxigenului, carbonului și calciului în apatită ” , Geochimica și Cosmochimica Acta , vol. 219,15 decembrie 2017, p. 57-73 ( DOI 10.1016 / j.gca.2017.09.020 ).
(în) Hayden BD Miller, Kenneth A. Farley, domnul Paulo Vasconcelos, Albert Mostert și domnul John Eilera, „ Preferința intracristalină a site-ului de izotopi de oxigen în goetită: un paleotermometru unic mineral ” , Earth and Planetary Science Letters , vol . 539,1 st iunie 2020, Articol nr . 116237 ( DOI 10.1016 / j.epsl.2020.116237 ).