مقدمه:
ایزوتوپ ها (از یونانی Ισότοπο، =ه مجا)، اتم هایی هستند که عدد اتمی (Z) یکسان و عدد جرمی (A) متفاوتی دارند. عدد اتمی بیانگر تعداد پروتون هاي هسته اتم است. بنابراین ایزوتوپ هاي یک عنصر، تعداد پروتون هاي مساوي دارند. اختلاف در جرم اتمی ایزوتوپ ها از اختلاف تعداد نوترون هاي موجود در هسته آنها ناشی می شود.
براي نشان دادن ایزوتوپ هاي یک عنصر، ابتدا نام آن عنصر، سپس یک خط فاصله (-) و در آخر جرم اتمی آن ایزوتوپ نوشته می شود. مثلاً هیدروژن داراي سه ایزوتوپ هیدروژن-1 (پروتون)، هیدروژن -2 (دوتریوم) و هیدروژن -3 (تریتیوم) است که هسته آنها به ترتیب حاوي 0، 1 و 2 نوترون است. یا ایزوتوپ اورانیوم ۵٢٣ را به صورت 235U نمایش می دهند. روش دیگر، نوشتن جرم اتمی ایزوتوپ در قسمت بالا و سمت چپ نماد شیمیایی عنصر است مانند U235 که براي نمایش همان ایزوتوپ اورانیوم ۵٢٣ است.
از آنجا که ایزوتوپ هاي یک عنصر ساختار الکترونی مشابهی دارند، بنابراین ویژگی هاي شیمیایی آنها نیز یکسان است، اما ویژگی هاي هسته اي آنها متفاوت است. اگر نسبت تعداد نوترون هاي موجود در یک ایزوتوپ به پروتون هاي آن خیلی کم یا خیلی زیاد باشد، هسته تمایل به متلاشی شدن پیدا می کند. هدف از بررسیهاي ایزوتوپی پایدار و نحوهء تفکیک آنها در محیطهاي مختلف معدنی, تعیین و تفسیر دماي محیط است. و در فارسی واژه هاي »همجا« و» هم مکان« در برابر واژه ایزوتوپ پیشنهاد شده است.

کاربرد ایزوتوپهاي پایدار در تعیین شرایط محیط کانی سازي

کاربرد ایزوتوپهاي پایدار در تعیین شرایط محیط کانی سازي

فهرست مطالب

مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………9

 فصل اول : اصول نظري و تجربی……………………………………………………….10

1-1) ویژگیهاي عمومی ایزوتوپها……………………………………………………………………………………… 11

 فصل دوم : تفکیک ایزوتوپهاي پایدار………………………………………………….. 15

2-1 عوامل دیگري که بر تفکیک ایزوتوپی تاثیر می گذارند………………………………………………………….. 18
2- 1- 1 فشار…………………………………………………………………………………………………………….. 18
2-1-2 ترکیب شیمیایی…………………………………………………………………………………………………..18
2- 1- 3 ساختار بلوري…………………………………………………………………………………………………… 20
2- 1- 4 آثار ایزوتوپی مستقل از جرم ……………………………………………………………………………………20
2- 2 هیدروژن……………………………………………………………………………………………………………… 23
2- 2- 1 سازوکارهاي تفکیک……………………………………………………………………………………………. 24
2- 3 کربن………………………………………………………………………………………………………………….. 28
2- 3- 1 سازوکارهاي تفکیک……………………………………………………………………………………………. 28
2- 4 اکسیژن……………………………………………………………………………………………………………… 29
2- 4- 1 سازوکارهاي تفکیک…………………………………………………………………………………………….. 29
2-5 گوگرد………………………………………………………………………………………………………………….. 36
2-5-1 سازوکارهاي تفکیک………………………………………………………………………………………………. 37

فصل سوم : تغییرات نسبت ایزوتوپهاي پایدار در طبیعت. 44

3-1 مواد فرا زمینی………………………………………………………………………………………………………… 45
3-2 کانسارها و سامانه هاي گرمایی…………………………………………………………………………………… 47
3-2-1 خاستگاه سیالهاي کانه دار……………………………………………………………………………………….. 50
3-2-2 دگرسانی سنگ دیواره……………………………………………………………………………………………… 55
3-2-3 سامانه هاي گرمابی فسیلی……………………………………………………………………………………… 56
3-2-4 کربناتهاي گرمابی……………………………………………………………………………………………………. 58
3-2-5 ترکیب ایزوتوپی گوگرد کانسارها……………………………………………………………………………………. 60

3-3 ترکیب ایزوتوپی گوشته بالایی………………………………………………………………………………………… 69
3-4 مواد فرار در سامانه هاي ماگمایی…………………………………………………………………………………….. 71
3-5 سنگهاي ماگمایی………………………………………………………………………………………………………… 72
3-6 آب کره………………………………………………………………………………………………………………………. 73
3-7 هوا کره……………………………………………………………………………………………………………………… 74
3-8 زیست کره……………………………………………………………………………………………………………………. 75
3-8-1 ماده آلی زنده……………………………………………………………………………………………………………… 76
3-8-2 ایزوتوپهاي پایدار به عنوان نشانگرهاي رژیم غذایی و سوخت وساز ………………………………………………..81
3-8-3 ردیاب منابع آلوده کننده آلی انسان زاد …………………………………………………………………………………83

3-8-4 ماده آلی فسیلی…………………………………………………………………………………………………………. 84
3-8-5 نفت…………………………………………………………………………………………………………………………. 88
3-8-6 زغال سنگ………………………………………………………………………………………………………………….. 91
3-8-7 گاز طبیعی…………………………………………………………………………………………………………………… 92
3-9 سنگهاي رسوبی……………………………………………………………………………………………………………… 98
3-9-1 کانیهاي رسی………………………………………………………………………………………………………………. 98
3-9-2سنگهاي رسوبی آواري……………………………………………………………………………………………………. 100
3-9-3 سیلیس و چرت زیست زاد………………………………………………………………………………………………. 103
3-10 سنگهاي دگرگونی………………………………………………………………………………………………………….. 104

3-10-1 دگرگونی همبري………………………………………………………………………………………………………….. 108
3-10-2 دگرکونی ناحیه اي………………………………………………………………………………………………………… 110
3-11 دیرینه اقلیم شناسی……………………………………………………………………………………………………….. 112
3-11-1 پیشینه هاي قاره اي……………………………………………………………………………………………………… 113
3-11-2 پیشینه دریایی……………………………………………………………………………………………………………… 115
4- نتیجه گیري………………………………………………………………………………………………………………………… 118

فهرست منابع فارسی……………………………………………………………………………………………………………… 122

 

فصل اول- اصول نظري و تجربی
1-1-ویژگیهاي عمومی ایزوتوپها
ایزوتوپها اتمهایی هستند که هسته آنها تعداد پروتون مساوي اما تعداد نوترون متفاوتی دارد. واژه »ایزوتوپ« ریشه یونانی (به مفهوم جاهاي همانند) دارد و نشان میدهد که ایزوتوپها یک عنصر در جدول تناوبی موقعیت یکسانی را اشغال می کنند.
ایزوتوپها را می توان به صورت Cu mn E65 نشان داد که در آن m نمایانگر عدد جرمی (یعنی مجموع تعداد پروتونها و نوترون ها در هسته) و n نمایانگر عدد اتمی عنصر E است.براي مثال C 126 ایزوتوپ کربن است که داراي شش پروتون و شش نوترون در هسته می باشد. وزن اتمی عناصر طبیعی همان میانگین وزن ایزوتوپهاي گوناگون آنهاست.
ایزوتوپها را میتوان به دو نوع اساسی پایدار و ناپایدار (پرتوزا) تقسیم کرد. حدود 300 ایزوتوپ پایدار وجود دارد در حالی که تا کنون، بیش از 1200 ایزوتوپ ناپایدار کشف شده است. صفت » پایدار« نسبی است و به حدود آشکارسازي زمان واپاشی پرتوزا بستگی دارد. در گستره عدد اتمی 1 (H) تا 83 (Bi) هسته هاي پایدار تمام جرمها به جز 5 و 8، شناخته شده است. تنها 21 عنصر را میتوان عنصر خالص دانست، به این معنی که فقط یک ایزوتوپ پایدار دارند. همه عنصرهاي دیگر مخلوطی از دست کم دو ایزوتوپ هستند. فراوانی نسبی ایزوتوپهاي مختلف ممکن است به مقدار چشمگیري تغییر کند. براي مثال در مس، ایزوتوپ Cu63 ، 69 درصد و ایزوتوپ Cu65، 31 درصد کل هسته مس را تشکیل می دهند. در هر حال، در بیشتر موارد یک ایزوتوپ چیرگی آشکاري دارد و بقیه ایزوتوپها فقط به مقدار جزئی یافت می شوند.
جدول 1. انواع هسته هاي اتمی و بسامد رخداد آنها
Z-N ترکیب ( عدد اتمی_تعداد نترونها) شمار هسته هاي پایدار
زوج – زوج 160 زوج – فرد 56 فرد- زوج 50 فرد- فرد 5
ایداري هسته ها، با چند قاعده مهم مشخص می شود که دو مورد آن در اینجا به طور خلاصه بحث خواهد شد. قاعده نخست، قاعده معروف تقارن است که بیان می کند که در یک هسته پایدار با عدد اتمی پایین، تعداد پروتونها تقریبا برابر با تعداد نوترونهاست، یا نسبت نوترون به پروتون ( عدد اتمی) (N/Z) تقریبا برابر با واحد است. در هسته هاي پایدار با بیش از 20 پروتون یا نوترون، نسبت N/Z همیشه بزرگتر از واحد است و بیشترین مقدار (حدود 5/1) مربوط به سنگین ترین هسته هاي پایدار است.
نیروي دفع الکتروستاتیکی کولمب پروتونهاي با بار مثبت، با افزایش مقدار Z به سرعت افزایش می یابـد .
براي حفظ پایداري هسته، تعداد بیشتري نوترون (که از نظر الکتریکی خنثی هستند) نسبت بـه پروتـوندر هسته قرار می گیرد (شکل 1)
قاعده دوم، قاعده معروف به ادو-هارکینز است که بر اساس آن، هسته هاي با عدد اتمـی زوج، فراوانتـر ازهسته هاي با عدد اتمی فرد هستند. همانگونه که در جدول1 دیده می شود، رایجترین ترکیـب از میـانچهار ترکیب احتمالی، زوج-زوج و کمترین آنها فرد-فرد است.
رابطه مشابهی دیده می شود که نشان میدهد تعـداد ایزوتوپهـاي پایـدار بـا عـدد اتمـی زوج، بیـشتر ازایزوتوپهاي داراي عدد اتمی فرد است.
ایزوتوپهاي پرتوزا را می توان به دو گروه طبیعی و مصنوعی تقسیم کرد که فقط گـروه اول مـورد علاقـهزمین شناسان هستند، زیرا اساس روشهاي سن یـابی پرتوسـنجی هـستند. فراینـدهاي واپاشـی پرتـوزا،واکنشهاي هسته اي خود به خودي هستند و ممکن است بـا نـوع پرتوهـاي گـسیل شـده( بـراي مثـالy,B,a) مشخص شوند. فرایندهاي واپاشی، همچنین ممکن است شامل گیراندازي الکترون باشند.
واپاشی پرتوزایی، فرایندي است که تغییراتی را در فراوانی ایزوتوپها ایجاد می کند. دلیل دیگر تفـاوت درفراوانی ایزوتوپها، فرایندي است که تغییراتی را در فراوانی ایزوتوپها ایجاد می کند. دلیل دیگر تفـاوت درفراوانی ایزوتوپها، فراینـد تفکیـک ایزوتـوپی اسـت کـه توسـط تفاوتهـاي کوچـک شـیمیایی و فیزیکـیایزوتوپهاي یک عنصر ایجاد می شود. این فرایند مهم به طور خاص در فصلهاي بعد بحث خواهد شد.

شکل 1- نمودار تعداد پروتونها (z) در برابر نوترونها (N) در هسته هاي پایدار (•)و ناپایدار ()
روشهاي طیف سنجی جرمی اکنون کارآمدترین راههاي اندازه گییري نسبتهاي فراوانی ایزوتوپی هستند.
یک طیف سنج جرمی، اتمها و مولکولهاي باردار را بـر اسـاس جـرم انهـا و همـین طـور حرکـت انهـا درمیدانهاي مغناطیسی و یا الکتریکی از یکدیگر جدا می کند. و طیف سنجهاي جرمی دقیق جدیـد، دقـتبهتر از 0.02% را براي عناصر سبک، بجز هیدروژن، ممکن می سازند.

فصل دوم
تفکیک ایزوتوپهاي پایدار
فصل دوم: تفکیک ایزوتوپهاي پایدار
تفکیک ایزوتوپی ناشی از آن است که برخی از ویژگیهاي ترمودینامیکی ملکول به جرمهاي اتمی تشکیل دهنده آن بستگی دارد. انرژي یک ملکول در یک گاز را می توان بر اساس واکنشهاي متقابل میان الکترونها به اضافهء موءلفه هاي جابجایی و چرخشی و ارتعاشی اتمهاي آن ملکول توصیف نمود.به دلیل تفاوتهاي موءلفه هاي ارتعاشی که به جرم وابسته اند ملکولهاي حاوي ایزوتوپهاي مختلف یک عنصر. در وضعیتهاي برابر.داراي انرژیهاي مختلف می باشند. در مورد هیدروژن و دوتریوم تفاوت در موئلفه هاي چرخشی نیز مهم است. انرژي ملکول با کاهش دما کاهش میابد و در صفر مطلق داراي مقدار خاصی است که انرژي نقطه صفر نامیده می شود و از حداقل مقدار انرژي به اندازه h بزرگتر می باشد. در این عبارت h ثابت پلانک و v400C فرکانس ارتعاشی است.فرکانس ارتعاشی یک ملکول با ریشه دوم جرم آن تناسب معکوس دارد. بنابر این ملکولی که حاوي ایزوتوپ سبک تر باشد. در مقایسه با ملکول مشابه حاوي ایزوتوپ سنگین تر. داراي فرکانس ارتعاشی بالاتر و در نتیجه انرژي نقطه صفر بالاتر است. یک نتیجه این پدیده آن است که پیوندهایی که با ایزوتوپ سبکتر بر قرار شده اند. ضعیف ترند و بنابر این با سهولت بیشتري شکسته می شوند و باعث می گردند که ملکول با ایزوتوپ سبکتر در مقایسه با ملکول مشابه حاوي ایزوتوپ سنگینتر واکنش پذیرتر باشد. ویژگیهاي ترمودینامیکی ملکولهاي ایزوتوپی و تفکیک ایزوتوپی حاصل از آنها توسط اوري(1947). بیگلیزین(1952). بیگلیزین و مییر(1947). بروئکر و اوورسبی(1971) و دیگران مورد بحث قرار گرفته اند.
بطور کلی تفکیک ایزوتوپی در خلال چند نوع واکنشهاي شیمیایی و فرایندهاي فیزیکی صورت می گیرد که عبارتند از :
1. واکنشهاي تبادل ایزووتوپی که مستلزم توزیع مجدد ایزوتوپهاي یک عنصر در میان ملکولهاي مختلف حاوي آن عنصر هستند.
2. واکنشهاي یک طرفه اي که در آنها آهنگ واکنشها به ترکیبات ایزوتوپی واکنشگرها و محصولات بستگی دارد.
3. فرایندهاي فیزیکی نظیرتبخیر و تغلیظ. ذوب و تبلور. جذب و دفع و انتشار یونها یا ملکولها که در آن تفاوتهاي جرمی نقش ایفا می کنند عوامل بوجود آورنده گرادیانهاي تمرکز یا گرادیانهاي دمایی می باشند.
تفکیک ایزوتوپی که در خلال چنین فرایندهایی صورت میگیرد. بوسیله فاکتور تفکیک  نشان داده می شود که به صورت زیر تعریف می گردد:  RRA
که در آن RA نسبت ایزوتوپ سنگین به ایزوتوپ سبک در فاز A و RB همان نسبت در فار B می باشد. در بعضی موارد فاکتورهاي تفکیک را می توان به کمک توابع توزیع مشتق از مکانیک آماري و با استفاده از فرکانسهاي ارتعاشی که به طریق تجربی تعیین گردیده اند محاسبه کرد.
چنین محاسباتی صرفا براي سیستمهاي متشکل از گازها و مایعات امکانپذیر هستند و در مورد سیستمهاي حاوي جامدات مستفیما قابل استفاده نیستند. زیرا در مورد جامدات باید انرژي اضافی ناشی از ارتعاشات شبکه را نیز مورد توجه قرار داد. در هر مورد فاکتورتفکیک براي هر سیستم معین به دما وابسته است و معمولا با افزایش دما به یک نزدیک می شود. یعنی تفکیک ایزوتوپی در طبیعت بر حسب دماهاي محیطی قابل تفسیر است. خلاصه مفیدي در مورد نظریه واکنشهاي تبادل ایزوتوپی توسط هوئفس(1980)ارائه شده است.

2-1 عوامل دیگري که بر تفکیک ایزوتوپی تاثیر می گذارند.
2-1-1 فشار
عموماً فرض بر این است که دما عامل تعیین کننده اصلی در تفکیک ایزوتوپی است و اثر فشار بسیار ناچیز و قابل چشمپوشی است، چرا که حجمهاي مولی با جانشینی ایزوتوپی تغییر نمی کنند.
این فرض، بجز در مورد هیدروژن به طور کلی درست است، با وجود این، دریسنر (1997) و هوریتا و دیگران (1999، 2002) نشان داده اند که براي واکنشهاي تبادل ایزوتوپ با درگیري آب، تغییر فشار می تواند سبب تفکیک ایزوتوپی شود. دریسنر (1997) تفکیک ایزوتوپی هیدروژن را بین اپیدوت و آب محاسبه کرد و دریافت که در دماي C400 مقدار آن از 90%- در فشار 1 بار تا 30%- در فشار 4000 بار تغییر می کند. هوریتا و دیگران (1999، 2002) شواهد تجربی تاثیر فشار در سیستم بروسیت –2Mg(OH)- آب را ارائه کردند. محاسبه هاي نظري نشان میدهند که تاثیر فشار بیشتر بر روي آب است تا بر روي بروسیت. بنابراین، ممکن است فشار اثر مشابهی بر تفکیکD/H کانیهاي آبدار داشته باشد (هوریتا و دیگران ،2002) هنگام محاسبه ترکیب ایزوتوپی هیدروژن سیال از روي ترکیب کانی، اثر فشار باید در نظر گرفته می شود.

2-1-2 ترکیب شیمیایی
به طور کیفی، ترکیب ایزوتوپی یک کانی تا حد بسیار زیادي به ماهیت پیوندهاي شیمیایی درون کانی، و تا حد کمی به جرم اتمی عنصرهاي تشکیل دهنده آن بستگی دارد. به طور کلی، پیوند به یونهایی با پتانسیل یونی بالا و اندازه کوچک، با بسامد ارتعاشی بالایی همراه است، و این پیوندها میل دارند که ترجیحاً ایزوتوپ سنگین را از آن خود کنند. این ارتباط را می توان با بررسی پیوند اکسیژن با یون کوچک اما با بار زیاد 4+Si در مقایسه با یون نسبتا بزرگ 2+Fe در کانیهاي سنگ ساز به تصویر کشید. در مجموعه هاي کانیایی طبیعی، با شرط تعادل در سیستم، کوارتز همیشه حاوي بیشترین مقدار o18 و مگنتیت همواره داراي کمترین مقدار o18 است افزون بر این، کربناتها در مقایسه با بیشتر گروههاي کانیایی دیگر همیشه غنی از o18 هستند زیرا اکسیژن به یونهاي 4+C با بار زیاد متصل می شود. جرم کاتیون دو ظرفیتی نسبت به پیوند C-O اهمیت کمتري دارد. با وجود این اثر جرم در توزیع s 34 در میان کانیهاي سولفیدي آشکار است که براي مثال، در آنها ZnS همواره نسبت به pbS همزیست،S34 بیشتري را متمرکز می کند.
اثرات ترکیب در سیلیکاتها پیچیده و درك آن دشوار است که این به دلیل سازوکارهاي جانشینی بسیار گوناگون در کانیهاي سیلیکاتی است (کوهن و ولی ،c1998) بیشترین اثر تفکیک، مربوط به جانشینی NaSi=CaA در پلاژیکلازهاست که ناشی از نسبت بالاتر از Si به Alآلبیت و نیروي پیوندي قوي تر در پیوند Si-o در مقایسه با پیوند Al-O می باشد. جانشینی ژادئیت (6o2(NaAlSi-دیوپسید (6(CaMgSi2Oدر پیروکسنها نیز با مشارکت Al صورت می گیرد اما در این مورد Al در موقعیت هشت وجهی جانشینی می شود و نه در موقعیت چار وجهی.
بررسی هاي چاکو و دیگران (2001) نشان میدهد که در دماهاي بالا، جانشینی Al پیروکسنها در حدود 4% به ازاي هر مول جانشینی Al در موقعیت چهار وجهی است. جانشینهاي بسیار متداول دیگر، مانند Ca-Mg-Fe-mg هیچ تفاوت مهمی در تفکیک ایزوتوپی پدید نمی آ ورند.
2-1-3 ساختار بلوري
اثرهاي ساختاري نسبت به اثرهاي ناشی از پیوندهاي شیمیایی، اهمیت کمتري دارد. به طور کلی ،ایزوتوپ سنگین تر در ساختارهاي مظمتر و داراي آرایش متراکم تر تمرکز می یابد. تفکیک O18 و D بین یخ و آب مایع، به طور عمده ناشی از تفاوت، در درجه پیوند (یا نظم) هیدرو ژن است.
یک اثر ایزوتوپی نسبتًاً بزرگ در رابطه با ساختار، بین گرافیت و الماس دیده می شود. (بوتینگا ،b 1969) ژنگ (a 1993) با یک روش افزایشی اصلاح شده، این اثر ساختاري را براي 2 SiO و چند ریختهاي 5Al2SiO محاسبه کرده و نشان داده است که O18 در شکلهاي فشار بالا، غنی می شود. اما در این رابطه، باید یادآور شد که شارپ (1995) با تجزیه کانیهاي 5Al2SiO طبیعی، هیچ تفاوتی بین کیانیت و سیلیمانیت مشاهده نکرده است.
2-1-4 آثار ایزوتوپی مستقل از جرم
همواره اعتقاد بر این بوده است که براي بیشتر واکنشهاي طبیعی، اثرهاي ایزوتوپی صرفاً ناشی از تفاوت جرم ایزوتوپی هستند، بدین معنی که براي عنصرهایی با بیش از دو ایزوتوپ مانند اکسیژن و گوگرد، می توانیم انتظار داشته باشیم که غنی شدگی O18 نسبت به O16، یا S34 نسبت به S32 ، تقریبا دو برابر غنی شدگی O نسبت به O16 یا S33 نسبت به S32 باشد. در مورد اکسیژن مولکولی، مقادیر O17 و O18 به شکل زیر در ارتباط با یکدیگر هستند:
به طور معمول فرایندهاي تفکیک ایزوتوژي وابسته به جرم را توسط یک منحنی خطی منفرد بر روي یک نمودار همبستگی سه ایزوتوژي توصیف می کنند (ماتسوهیسا و دیگران 1978) خطهاي مستقیم حاصل را خطهاي تفکیک جرم زمینی می نامند، و انحراف از آنها باي شناسایی اثرهاي ایزوتوژي ناوابسته به جرم مورد استفاده قرار می گیرد این روش، هنگامی مناسب است که دقت تجزیه در حد 0%1ر0+ باشد( یانگ و دیگران 2002). در هر حال نمودار سه ایزوتوژي بر اساس تبدیل تقریبی یک تابع قانون توان به یک الگوي خطی است. بهبود فنهاي تجزیه به سطح بالاتري از دقت منجر می شود که تمایز فرایندهاي تفکیک سینتیکی و تعادلی را از یکدیگر امکان ژذیر خواهد ساخت (یانگ و دیگران ،2002، میلر ،2002)
آنگونه که براي اولین بار تیمنز و هایدنریش (1983) نشان دادند هنگامی که اوزون از راه تخلیه الکتریکی در 2O خالص تولید می شود، یک تفکیک ایزوتوژي غیر عادي رخ میدهد. این پژوهشگران غنی شدگی مشابهی از O17 و O18 در اوزون تولید شده مشاهده کردند، برخلاف رابطه O18 5ر0 O17 که از فرایند تفکیک وابسته به دما انتظار می رود. انها ابتدا پیشنهاد کردند که خود حفاظتی و یا تقارن مولکولی 2O ممکن است مسئول این ترکیب ایزوتوپی اوزون باشد.


مقطع : کارشناسی ارشد

قیمت 25 هزار تومان

خرید فایل pdf به همراه فایلword

قیمت:35هزار تومان