Izotóp-hidrogeokémia Dr. Fórizs István MTA Geokémiai Kutatóintézet

Tematika Alapok (izotópok, jelölések) A vízkör Párolgás tengerből Párolgás felszíni vízből Csapadékhullás (Rayleigh-frakcionáció) Évszakosság Hidrológiai izotópeffektusok Csapadékvízvonal Beszivárgás Felszín alatti áramlás, keveredés

Tematika (folyt.) Kor becslések és kormeghatározási módszerek Trícium tartalom, d18O, vízkémia Trícium-3He Radiokarbon U, CFC, kripton, stb. Nitrogén, kén, szén vizes környezetben Klímarekonstrukció Víz (stabilizotópok, nemesgáz hőmérő) Fa-évgyűrűk izotópos összetétele Foszfát d18O Egyéb stabilizotópok (klór, bróm, strocium) Esettanulmányok (Magyarország izotóp-vízföldtana) Laborlátogatás

Alapfogalmak Az izotóp fogalma egy elem izotópjai az azonos proton, de eltérő neutron számmal rendelkező atomjai. A szó eredete: a görög ς (iszosz) ’azonos’ és ς (toposz) ’hely’ jelentésű szavakból, ami az elemek periódusos táblázatára utal.

Az izotópok típusai Stabilizotópok Sohasem bomlanak el Felhasználás Eredet: (átélt fizikai-kémiai folyamatok) Radioaktív izotópok Atommagjuk szétesik (felezési idő) Felhasználás Kormeghatározás: (időhöz kapcsolódó dolgok)

Környezeti stabilizotópok 1H, 2H (D), 3He, 4He, 6Li, 7Li, 10B, 11B, 12C, 13C, 14N, 15N, 16O, (17O), 18O, 20Ne, 22Ne, 32S, 33S, 34S, 35S, 35Cl, 37Cl, 79Br, 81Br, 86Sr, 87Sr

Környezeti radioaktív izotópok 3H (T), 14C, 36Cl, 39Ar, 85Kr, 129I, 222Rn, 226Ra, 230Th, 234U, 238U

Gyakoriságok

Jelölések Stabilizotópok (18O/16O)minta - (18O/16O)sztenderd δ18O= —————————————— • 1000 ‰ (18O/16O)sztenderd (D/H)minta - (D/H)sztenderd δD= —————————————— • 1000 ‰ (D/H)sztenderd

Adatok: ahol R = izotóparányok a mintában és a standardban.

Definíció: frakcionációs tényező (A és B fázisok, d<<1) Következmény A + 1000 AB = —————— B + 1000

Frakcionáció (folyt.) AB = A - B  1000*lnAB mivel ln(1+x) ≈ x, ha x<<1

Sztenderdek Elem Jelölés Sztenderd hidrogén D SMOW = Standard Mean Ocean Water bór 11B NBS SRM 951 (Searles Lake Borax) szén 13C PDB = Pee Dee Belemnite nitrogén 15N levegő oxigén 18O SMOW, PDB kén 34S CDT = Canon Diablo Troilite klór 37Cl SMOC = Standard Mean Ocean Chloride

 Különböző tömeg különböző  Különböző kötéserősség energiaszintet jelent  Különböző kötéserősség (nehéz izotóp - erősebb kötés)

Radioaktív izotópok Trícium (3H) Keletkezés Természetes úton: - a fölső légkörben 14N(n,T)12C - geogén: U,Th ércesedés (neutron fluxus) közelében Mesterséges: 1952 utáni atomrobbantások ipari felhasználás

Radioaktív izotópok Trícium (3H) Mértékegység 1 trícium egység (TE) = 1 trícium atom 1018 hidrogén atom közül. 1 TE = 0,119 Bq/dm3

Radioaktív izotópok Radiokarbon Keletkezés Természetes úton: - a fölső légkörben 14N(n,p)14C - geogén: U,Th ércesedés (neutron fluxus) közelében Mesterséges: 1952 utáni atomrobbantások

Radioaktív izotópok Radiokarbon Mértékegység [%]modern (angolul pmC, percent modern C), az 1950 előtti légköri 14C szintet tekintjük alapnak, vagyis 100 %-nak

MÉRÉSI MÓDSZEREK, HIBÁJUK Stabilizotópok: mérés tömegspektrométerrel vagy lézer spektroszkóppal Hidrogén: mérés H2 gázon vízből: (1) H2O + Zn = ZnO + H2 Zn helyett lehet U, Cr, Mn (2) H2O + H2 egyensúlyi izotópcsere (Pt) OH-tartalmú ásványok: fűtés (1200 ° C) + O2  H2O utána lásd fönt Hiba ±0,5 - 3 ezrelék

MÉRÉSI MÓDSZEREK, HIBÁJUK Stabilizotópok: mérés tömegspektrométerrel vagy lézer spektroszkóppal Szén: mérés CO2 v. CO gázon karbonát + foszforsav  CO2 szerves anyag + O2  CO2 Hiba: ±0,1 ezrelék

MÉRÉSI MÓDSZEREK, HIBÁJUK Stabilizotópok: mérés tömegspektrométerrel Oxigén: mérés CO2, CO vagy O2 gázon vízből: H2O + CO2 egyensúlyi izotópcsere karbonát + foszforsav  CO2 szilikát + BrF5 v. ClF3 v. F gáz és/vagy C  CO2 (v. O2) lézer + BrF5 v. ClF3 v. F gáz Hiba: ± 0,1 - 0,2 ezrelék

MÉRÉSI MÓDSZEREK, HIBÁJUK Stabilizotópok: újabban terjedő technika a molekulaspecifikus mérés Oxigén, szén, hidrogén: Gázkromatográf-égető egység-tömegspektrométer különböző összeállításban Vivőgázas tömegspektrometria Hiba: nagyobb, mint a hagyományos Előny: kis anyagmennyiség, nagy mintaszám

MÉRÉSI MÓDSZEREK, HIBÁJUK Radioaktív izotópok: Trícium: mérés béta (szcintillációs) detektorral, előtte elktrolízissel 80%-os dúsítás. Hiba: ±0,5 - 1 TE. Újabban: 3H  3Hetr nemesgáz tömegspetrométerrel Hiba: ±0,01 TE

MÉRÉSI MÓDSZEREK, HIBÁJUK Radioaktív izotópok: Radiokarbon: mérés szcintillációs detektorral Újabban gyorsító-tömegspektrométerrel (AMS): elkülönítik a 14C-t a 14N-től (pontosabb, kisebb 14C-koncetrációt kisebb anyagmennyiségben)