GEOQUÍMICA ISOTÓPICA

1.- ISÓTOPOS RADIACTIVOS : DATACIÓN, DIFERENCIACIÓNDE MAGMAS Y ROCAS

1940K → 18

40Ar , 3787Rb → 38

87Sr, 62147Sm → 60

143Nd

92238U → 82

206Pb , 92235U → 82

207Pb , 71176Lu → 72

176Hf

75187Re → 76

187Os , 1214C → 7

14N

2.- ISÓTOPOS LIVIANOS ESTABLES : FRACCIONAMIENTO Y AMBIENTES GEOQUÍMICOS

12D/1

1H, 613C/6

12C, 818O/8

16O , 1634S/16

32S

Representación : ZA

X X=Elemento

Z =número atómico A= número másico =N(neutrones)+Z

DATACIÓN, DIFERENCIACIÓN DE MAGMAS Y ROCAS•Los pioneros de la física nuclear descubrieron que los átomos de uranio, radio y otros varios elementos muestran radioactividad y son inestables. •El núcleo de un átomo radioactivo se desintegra espontáneamente, formando un átomo de un elemento diferente y emite radiación (forma de energía). •Al átomo original se le llama átomo padre y su producto de decaimiento se conoce como átomo hijo. •Por ejemplo el isótopo padre del rubidio-87 decae para formar el isótopo hijo estable estroncio-87. Un neutrón en el núcleo de un átomo de rubidio-87 se descompone eyectando un electrón del núcleo y por lo tanto produciendo un nuevo protón a partir de un neutron. El antiguo átomo de rubidio con 37 protones y 50 neutrones se transforma ahora en átomo de estroncio con 38 protones y 49 neutrones.

•La velocidad promedio de desintegración nuclear es fija, no varía con los cambios en temperatura; la química o la presión que típicamente acompañan los procesos geológicos en la Tierra o en los planetas.

3787Rb →38

87Sr + β

ATOMOS

ESTABLES

Y RADIACTIVOS

Radiactivos N>Z

N=Z Estables

Número de protones Z

Nú

mer

o d

e n

eutr

on

es N

ESPECTROMETRO DE MASAS PARA DETERMINAR ISÓTOPOS

En 1918 y 1919, A. J. Dempster y F. W. Aston construyeron los primeros espectrómetros de masas(Equipos para identificar y cuantificar isótopos)

Flujo de átomosionizados

Isótopos

Campo magnético (B) perpendicular

al movimiento de las átomos ionizadosESPECTRÓMETRO

DE MASAS

Fm=mv2/rqvB=mv2/r m=r qB / v

DETERMINACIÓN DEL TIEMPO GEOLÓGICO UTILIZANDO ISÓTOPOS DE ÁTOMOS RADIACTIVOS

-dP/dt = dH/dt = λP (1)

P = número de átomos padres remanentes en cualquier tiempo

dH/dt = Velocidad de formación de átomos hijos (H)

λ = Constante de decaimiento radiactivo (α , β , Radiación γ, etc. )

P = Po e- λt ó Po = P e λt (2)

Po = número de átomos padres cuando t = 0

H* = Po – P = P e λt – P = P(e λt -1)

H* = número de átomos hijos producidos en un tiempo t

Si en el tiempo t=0 algunos átomos hijos Ho han estado presente

Entonces el número total de átomos hijos H es igual a Ho mas los producidos por decaimiento radiactivo H*.

H = Ho + H* = Ho +P(e λt -1) entonces t = (1/ λ)ln((H-Ho)/P +1 )

Como P = Po e- λt

Si P= Po/2 entonces (1/2)Po = Poe - λt/2

t1/2 = ln2/ λ = 0,693/ λ

t1/2 = tiempo de vida media, tiempo requerido para decaer la mitad de cualquier cantidad de un isótopo

H = Ho + H* = Ho +P(e λt -1)

y = a + b x

H = Ho +(e λt -1)P

Permite método gráfico para determinar t

CONDICIONES PARA USO DE FORMULAS

1.- Los valores de λ no han cambiado durante el tiempo geológico. Esto es una asunción razonable desde que λ es una propiedad del núcleo atómico no afectada por condiciones extremas de temperatura y presión o por combinación química en cualquier ambiente geológico.

2.- La roca o mineral ha sido un sistema cerrado desde su formación, esto significa que ningún átomo padre o hijo ha sido adicionado o perdido del sistema. Esta asunción es cuestionable, y pueden ocurrir muchas edades aparentes.

IsótoposTiempo de

vida-media de padre

Rango de fecha efectiva

Minerales y otros materiales que pueden

ser fechadosInicial Final

92238U 82

206Pb 4510 millones > 1 millonesZircón, monacita, xenotima, esfena

1940K 18

40Ar 1300 millones >1 millones

MoscovitaBiotita

HornblendaToda roca volcánica

3787Rb 3887Sr 50000 millones >10 millones

MuscovitaBiotita

Feldespato de potasioToda roca metamórfica

o ígnea

614C 14 7

14N 5730 años100 – 50000

años

Madera, carbón, turbaHueso y tela

Concha y otro carbonato de calcio

Agua subterránea, agua oceánica y hielo glacial que contiene dióxido de

carbono disuelto

Datación 3787Rb → 38

87Sr + β

86Sr = 86Srº Isótopo no radiactivo

t = (1/ λ)ln[((87Sr/86Sr)-(87Sr/86Sr)º)/(87Rb/86Sr) +1 ]

En rocas volcánicas recientes que provienen del manto de la Tierra

(87Sr/86Sr)º = 0,704

.

Datación 238U → 206Pb + 8 4He

235U → 207Pb + 7 4He

204Pb = 204Pbº Isótopo no radiactivo

t = (1/ λ)ln[((206Pb/204Pb)-(206Pb/204Pb)º)/(238U/204Pb) +1 ]

232Th → 208Pb + 6 4He

1940K →18

40Ar + β+ (positrones)

D = Do +(eλt -1)P

Muchos minerales de K no tienen Ar original

40Ar = (eλt -1)P

t = (1/λ)ln[ (40Ar/40K)+1 ]

SEGMENTOS DEL

BATOLITO DE LA COSTA

Intrusiones

Múltiples y segmentadas

37-101 Ma

Cocientes de 87Sr/86Sr

ISÓTOPOS DE Sr y PbIncremento de 87Sr por decaimiento de 87Rb

86Sr es no radiactivo

Expresado por 87Sr/86Sr

Incremento a través del tiempo geológico

206Pb/204Pb, 207Pb/ 204Pb, 208Pb/ 204Pb

204Pb es no radiactivo

Datación 62147Sm → 60

143Nd + 4He

λ = 6,54 x 10-12 y-1

Datar > 100 millones

Muestras a datar : Rocas básicas y ultrabásicas, rocas metamórficas (anfibolitas-granulitas), rocas lunares y condritas, granates.