La geoquímica isotópica es un aspecto de la geología basado en el estudio de las variaciones naturales en las abundancias relativas de isótopos de diversos elementos . Las variaciones en la abundancia isotópica se miden mediante espectrometría de masas de relación isotópica y pueden revelar información sobre las edades y orígenes de cuerpos de roca, aire o agua, o procesos de mezcla entre ellos.
La geoquímica de isótopos estables se ocupa en gran medida de las variaciones isotópicas que surgen del fraccionamiento de isótopos dependiente de la masa , mientras que la geoquímica de isótopos radiogénicos se ocupa de los productos de la radiactividad natural .
Para la mayoría de los isótopos estables, la magnitud del fraccionamiento a partir del fraccionamiento cinético y de equilibrio es muy pequeña; por esta razón, los enriquecimientos normalmente se informan en "por mil" (‰, partes por mil). [1] Estos enriquecimientos (δ) representan la proporción de isótopo pesado a isótopo ligero en la muestra sobre la proporción de un estándar . Eso es,
El carbono tiene dos isótopos estables , 12 C y 13 C, y un isótopo radiactivo, 14 C.
La proporción de isótopos de carbono estable, δ 13 C , se mide frente a Vienna Pee Dee Belemnite (VPDB) [ aclaración necesaria ] . [2] Los isótopos de carbono estables se fraccionan principalmente mediante fotosíntesis (Faure, 2004). La relación 13 C/ 12 C también es un indicador del paleoclima: un cambio en la relación en los restos de plantas indica un cambio en la cantidad de actividad fotosintética y, por tanto, en lo favorable que era el entorno para las plantas. Durante la fotosíntesis, los organismos que utilizan la vía C 3 muestran enriquecimientos diferentes en comparación con los que utilizan la vía C 4 , lo que permite a los científicos no sólo distinguir la materia orgánica del carbono abiótico, sino también qué tipo de vía fotosintética estaba utilizando la materia orgánica. [1] Los picos ocasionales en la proporción global de 13 C/ 12 C también han sido útiles como marcadores estratigráficos para la quimioestratigrafía , especialmente durante el Paleozoico . [3]
La proporción de 14 C se ha utilizado, entre otras cosas, para rastrear la circulación oceánica.
El nitrógeno tiene dos isótopos estables, 14 N y 15 N. La relación entre estos se mide en relación con el nitrógeno en el aire ambiente . [2] Los ratios de nitrógeno suelen estar relacionados con las actividades agrícolas. Los datos de isótopos de nitrógeno también se han utilizado para medir la cantidad de intercambio de aire entre la estratosfera y la troposfera utilizando datos del gas de efecto invernadero N 2 O . [4]
El oxígeno tiene tres isótopos estables, 16 O, 17 O y 18 O. Las proporciones de oxígeno se miden en relación con el agua de océano media estándar de Viena (VSMOW) o la belemnita de Viena Pee Dee (VPDB). [2] Las variaciones en las proporciones de isótopos de oxígeno se utilizan para rastrear tanto el movimiento del agua, el paleoclima [1] como los gases atmosféricos como el ozono y el dióxido de carbono . [5] Normalmente, la referencia de oxígeno VPDB se utiliza para el paleoclima, mientras que VSMOW se utiliza para la mayoría de las demás aplicaciones. [1] Los isótopos de oxígeno aparecen en proporciones anómalas en el ozono atmosférico, como resultado del fraccionamiento independiente de la masa . [6] Las proporciones de isótopos en foraminíferos fosilizados se han utilizado para deducir la temperatura de los mares antiguos. [7]
El azufre tiene cuatro isótopos estables, con las siguientes abundancias: 32 S (0,9502), 33 S (0,0075), 34 S (0,0421) y 36 S (0,0002). Estas abundancias se comparan con las encontradas en la troilita de Cañón Diablo . [5] Las variaciones en las proporciones de isótopos de azufre se utilizan para estudiar el origen del azufre en un yacimiento y la temperatura de formación de minerales que contienen azufre, así como una firma biológica que puede revelar la presencia de microbios reductores de sulfato. [8] [9]
Los isótopos radiogénicos proporcionan potentes trazadores para estudiar las edades y orígenes de los sistemas terrestres. [10] Son particularmente útiles para comprender los procesos de mezcla entre diferentes componentes, porque las proporciones de isótopos radiogénicos (pesados) generalmente no se fraccionan mediante procesos químicos.
Los trazadores de isótopos radiogénicos son más potentes cuando se utilizan junto con otros trazadores: cuantos más trazadores se utilicen, mayor será el control sobre los procesos de mezcla. Un ejemplo de esta aplicación es la evolución de la corteza terrestre y el manto terrestre a lo largo del tiempo geológico.
El plomo tiene cuatro isótopos estables : 204 Pb, 206 Pb, 207 Pb y 208 Pb.
El plomo se crea en la Tierra mediante la desintegración de elementos actínidos , principalmente uranio y torio .
La geoquímica de isótopos de plomo es útil para proporcionar fechas isotópicas en una variedad de materiales. Debido a que los isótopos de plomo se crean mediante la desintegración de diferentes elementos transuránicos, las proporciones de los cuatro isótopos de plomo entre sí pueden ser muy útiles para rastrear el origen de los derretimientos en rocas ígneas , el origen de los sedimentos e incluso el origen de las personas mediante huellas dactilares isotópicas. de sus dientes, piel y huesos.
Se ha utilizado para datar núcleos de hielo de la plataforma ártica y proporciona información sobre la fuente de contaminación atmosférica por plomo .
Los isótopos de plomo-plomo se han utilizado con éxito en la ciencia forense para tomar huellas dactilares de balas, porque cada lote de municiones tiene su propia relación peculiar de 204 Pb/ 206 Pb frente a 207 Pb/ 208 Pb.
Samario : el neodimio es un sistema isotópico que se puede utilizar para proporcionar una fecha, así como huellas isotópicas de materiales geológicos y varios otros materiales, incluidos hallazgos arqueológicos (vasijas, cerámicas).
147 Sm se desintegra para producir 143 Nd con una vida media de 1,06x10 11 años.
La datación se logra normalmente intentando producir una isócrona de varios minerales dentro de un espécimen de roca. Se determina la relación inicial de 143 Nd/ 144 Nd.
Esta relación inicial se modela en relación con CHUR (el depósito uniforme de condríticas), que es una aproximación del material condrítico que formó el sistema solar. CHUR se determinó analizando meteoritos de condrita y acondrita .
La diferencia en la proporción de la muestra con respecto a CHUR puede proporcionar información sobre la edad modelo de extracción del manto (para la cual se ha calculado una evolución supuesta con respecto a CHUR) y si se extrajo de una fuente granítica (empobrecida en radiogénicos). Nd), el manto, o una fuente enriquecida.
El renio y el osmio son elementos siderófilos que están presentes en cantidades muy bajas en la corteza. El renio sufre desintegración radiactiva para producir osmio. La proporción de osmio no radiogénico a osmio radiogénico varía a lo largo del tiempo.
El renio prefiere entrar en sulfuros más fácilmente que el osmio. Por lo tanto, durante la fusión del manto, el renio se elimina y evita que la proporción osmio-osmio cambie apreciablemente. Esto fija una proporción de osmio inicial de la muestra en el momento del evento de fusión. Las proporciones iniciales de osmio-osmio se utilizan para determinar la característica de la fuente y la edad de los eventos de fusión del manto.
Las variaciones isotópicas naturales entre los gases nobles son el resultado de procesos de producción tanto radiogénicos como nucleogénicos. Debido a sus propiedades únicas, resulta útil distinguirlos de los sistemas de isótopos radiogénicos convencionales descritos anteriormente.
El helio-3 quedó atrapado en el planeta cuando se formó. Alrededor del 3 He está siendo añadido por el polvo meteórico, que se acumula principalmente en el fondo de los océanos (aunque debido a la subducción , todas las placas tectónicas oceánicas son más jóvenes que las placas continentales). Sin embargo, el 3 He será desgasificado del sedimento oceánico durante la subducción , por lo que el 3 He cosmogénico no afecta la concentración ni las proporciones de gases nobles del manto .
El helio-3 se crea mediante bombardeo de rayos cósmicos y mediante reacciones de espalación del litio que generalmente ocurren en la corteza. La espalación del litio es el proceso mediante el cual un neutrón de alta energía bombardea un átomo de litio , creando un ion 3 He y 4 He. Esto requiere una cantidad significativa de litio para afectar negativamente a la relación 3 He/ 4 He.
Todo el helio desgasificado eventualmente se pierde en el espacio, debido a que la velocidad promedio del helio excede la velocidad de escape de la Tierra. Por tanto, se supone que el contenido y las proporciones de helio de la atmósfera terrestre se han mantenido esencialmente estables.
Se ha observado que el 3 He está presente en las emisiones de volcanes y en muestras de dorsales oceánicas . Se está investigando cómo se almacena el 3 He en el planeta, pero está asociado con el manto y se utiliza como marcador de material de origen profundo.
Debido a las similitudes entre el helio y el carbono en la química del magma , la desgasificación del helio requiere la pérdida de componentes volátiles ( agua , dióxido de carbono ) del manto, lo que ocurre a profundidades de menos de 60 km. Sin embargo, el 3 He se transporta a la superficie principalmente atrapado en la red cristalina de minerales dentro de inclusiones fluidas .
El helio-4 se crea mediante producción radiogénica (por desintegración de elementos de la serie uranio / torio ). La corteza continental se ha enriquecido con estos elementos en relación con el manto y, por tanto, se produce más He 4 en la corteza que en el manto.
La proporción ( R ) de 3 He a 4 He se utiliza a menudo para representar el contenido de 3 He. R normalmente se da como un múltiplo de la relación atmosférica actual ( Ra ).
Valores comunes para R/Ra :
La química de isótopos 3 He/ 4 He se está utilizando para datar las aguas subterráneas , estimar los caudales de las aguas subterráneas, rastrear la contaminación del agua y proporcionar información sobre los procesos hidrotermales , la geología ígnea y la génesis de los minerales .
Los isótopos en las cadenas de desintegración de los actínidos son únicos entre los isótopos radiogénicos porque son a la vez radiogénicos y radiactivos. Debido a que sus abundancias normalmente se expresan como relaciones de actividad en lugar de relaciones atómicas, es mejor considerarlos por separado de los otros sistemas de isótopos radiogénicos.
El uranio está bien mezclado en el océano y su desintegración produce 231 Pa y 230 Th con una relación de actividad constante (0,093). Los productos de descomposición se eliminan rápidamente mediante adsorción sobre las partículas que se sedimentan, pero no a velocidades iguales. El 231 Pa tiene un tiempo de residencia equivalente al tiempo de residencia de las aguas profundas de la cuenca del Atlántico (alrededor de 1000 años), pero el 230 Th se elimina más rápidamente (siglos). La circulación termohalina exporta efectivamente 231 Pa desde el Atlántico al Océano Austral , mientras que la mayor parte de los 230 Th permanecen en los sedimentos del Atlántico. Como resultado, existe una relación entre 231 Pa/ 230 Th en los sedimentos del Atlántico y la tasa de vuelco: un vuelco más rápido produce una relación más baja de sedimentos 231 Pa/ 230 Th, mientras que un vuelco más lento aumenta esta relación. Por lo tanto, la combinación de δ 13 C y 231 Pa/ 230 Th puede proporcionar una visión más completa de los cambios de circulación pasados.
El tritio se liberó a la atmósfera durante las pruebas atmosféricas de bombas nucleares. La desintegración radiactiva del tritio produce el gas noble helio-3 . La comparación de la proporción de tritio y helio-3 ( 3 H/ 3 He) permite estimar la edad de las aguas subterráneas recientes . También se produce naturalmente una pequeña cantidad de tritio por espalación de rayos cósmicos y fisión ternaria espontánea en uranio y torio naturales, pero debido a la vida media relativamente corta del tritio y a las cantidades relativamente pequeñas (en comparación con las de fuentes antropogénicas) esas fuentes de El tritio suele desempeñar sólo un papel secundario en el análisis de las aguas subterráneas.
