Isotopes

Een van de vele manieren waarop paleoklimatologen het klimaat en de oceaanomstandigheden in het verleden kennen, is door gebruik te maken van de chemische samenstelling van gesteente en fossiele exemplaren. Onthoud dat chemische elementen zijn samengesteld uit een aantal protonen, neutronen en elektronen. Elementen hebben een geladen saldo (noch positief noch negatief) omdat ze een gelijk aantal elektronen en protonen hebben. Verschillende chemische reacties in de natuur zorgen er echter voor dat elementen elektronen winnen of verliezen, en de elementen worden positief of negatief geladen. Wanneer dit gebeurt, worden de elementen ionen. Positieve en negatieve ionen zullen elk aantrekken om vaste stoffen, sommige vloeistoffen en sommige gassen te vormen. Wanneer een vaste stof in water oplost, breken de positieve en negatieve ionen uit elkaar en dissociëren ze via het water. De meeste rotsen en fossiel-harde delen zijn gemaakt van ionische verbindingen.

Tafelzout, natriumchloride, lost bijvoorbeeld op in water en vormt het positief geladen natriumion en het negatief geladen chloride-ion. Dit vormt een waterige (op water gebaseerde) oplossing:

In de bovenstaande vergelijking duiden de (s) op een vast materiaal (keukenzout), terwijl de (aq) aangeeft dat deze ionen zijn opgelost in een waterige oplossing.

Chemische elementen komen voor in verschillende versies, isotopen genaamd. Isotopen zijn elementen die hetzelfde aantal protonen bevatten, maar verschillen in het aantal neutronen in hun kernen. Er zijn bijvoorbeeld drie isotopen van het element zuurstof (O): zuurstof 16, 17 en 18. Elke isotoop van zuurstof bevat 8 protonen, maar verschilt in het aantal neutronen. Een isotoopgetal is een verkorte weergave van zijn massa. Omdat protonen en neutronen ongeveer gelijk in massa zijn, is het aantal van een isotoop gelijk aan de som van zijn protonen en neutronen. Daarom heeft zuurstof 16 8 protonen en 8 neutronen, zuurstof 17 heeft 8 protonen en 9 neutronen, en zuurstof 18 heeft 8 protonen en 10 neutronen.

Er zijn twee hoofdtypen isotopen die geowetenschappers gebruiken om de oude aarde: stabiele en onstabiele isotopen. Een onstabiele isotoop ondergaat radioactief verval, waarbij het element na verloop van tijd energie verliest. Verschillende radioactieve isotopen komen van nature voor, en niet alle zijn slecht of veroorzaken schade aan mensen. Paleoklimatologen werken echter niet vaak met deze onstabiele isotopen. In plaats daarvan gebruiken we stabiele isotopen die geen radioactief verval ondergaan.

Twee van de meest voorkomende stabiele isotopen die door geowetenschappers worden gebruikt, zijn die van koolstof (C) en zuurstof (O). Hoewel er verschillende soorten stabiele isotopen zijn, zullen we het vooral hebben over koolstof en zuurstof verkregen uit planktische en benthische foraminiferen, aangezien deze heel gebruikelijk zijn in de paleoklimatologie (vooral om onze oceanen te bestuderen), maar we zullen ook kort ingaan op andere proxys die voor isotoop worden gebruikt. analyses.

Hoe worden koolstof- en zuurstofisotopen verkregen?

Paleoklimatologen verkrijgen koolstof- en zuurstofisotopen uit calciet, een veel voorkomende een verscheidenheid aan calciumcarbonaat, met de chemische formule CaCO3. In deze formule zijn er drie elementen: calcium (Ca), koolstof (C) en drie zuurstofatomen (O). Calciet en calciumcarbonaat komen veel voor op aarde en in de oceanen en kunnen verschillende vormen aannemen. Hier zullen we het kort hebben over de meest voorkomende soorten calciet die worden gebruikt voor isotopenanalyse.

Calciet is een component in veel sedimentair gesteente. Wanneer een sedimentair gesteente overwegend uit calciumcarbonaat bestaat, noemen geowetenschappers het een kalksteen. Kalksteenrotsen zijn gemakkelijk te eroderen in vergelijking met metamorfe en stollingsgesteenten. Calciumcarbonaat lost op bij blootstelling aan zuren. Omdat regenwater enigszins zuur is, zal langdurige blootstelling aan regen kalksteenrotsformaties chemisch weghollen (of zelfs een kalkstenen beeld).

Wanneer dit gebeurt, worden de opgeloste ionen uit kalksteen vervoerd door water in de grond, waar ze uiteindelijk hun weg naar grotten kunnen vinden. Hier hebben de kalksteenionen de ruimte om in de grot te druppelen en nieuwe kalksteenformaties te vormen in de vorm van stalactieten en stalagmieten (gewoonlijk speleothems genoemd). Om stabiele isotopen van koolstof en zuurstof uit speleothems te analyseren, worden ze uit een grot gesneden en naar een laboratorium gebracht, waar ze doormidden worden gezaagd en gepolijst.Een microdrill wordt vervolgens gebruikt om kleine monsters van gedefinieerde intervallen langs het speleothem te boren voor isotopenanalyse.

Calciet wordt ook gebruikt door mariene organismen om hun schelpen en harde delen te bouwen. Ongewervelde dieren (die geen ruggengraat hebben) gebruiken opgeloste calcietionen om hun schelpen te bouwen sinds het Cambrium (~ 550 miljoen jaar geleden). Veel voorkomende fossiele groepen die calciet gebruiken, zijn onder meer brachiopoden, trilobieten en oude stekelhuidigen, zoals blastoïden. Sommige bestaande (nog levende) dieren, zoals zee-egels en oesters, bouwen ook hun skeletten van calciet. Bovendien gebruiken sommige protisten, zoals planktische en benthische foraminiferen, calciet om hun tests op te bouwen. Calcietproducerende organismen registreren de waarden van koolstof en zuurstof in hun schalen en kunnen worden geanalyseerd op koolstof- en zuurstofisotopen.

In gesteenten van het Paleozoïcum verkrijgen wetenschappers gewoonlijk zuurstofisotopen van een ander type fossiel: conodonten . Deze kleine, tandachtige fossielen zijn het enige dat overblijft van oude palingachtige organismen die enkele van de vroegste chordaten vertegenwoordigen. Conodonts worden vaak aangetroffen in kalksteenrotsen, omdat deze wezens in de zeeën zwommen waarin de kalksteen werd afgezet. In tegenstelling tot de kalkhoudende brachiopoden en trilobieten waar ze tussen leefden, zijn conodont-tanden gemaakt van apatiet, of calciumfosfaat, met de chemische formule Ca3O8P2. Deze wetenschappers kunnen conodonten analyseren om zuurstofisotopen te verkrijgen.

Wetenschappers kunnen ook kalksteenmonsters gebruiken die rechtstreeks uit een ontsluiting zijn genomen om isotopen van koolstof en zuurstof te analyseren. Het verkrijgen van deze bulkcarbonaatmonsters van kalksteen omvat meestal het vinden van een geschikte ontsluiting van kalksteen, het met bepaalde tussenpozen weghalen van enkele brokken en het terugbrengen van de monsters naar het laboratorium om te analyseren.

Hoe worden koolstof- en zuurstofisotopen gemeten?

Zodra het juiste materiaal (kalksteenmonsters, speleothems of fossielen) is verzameld voor isotoop analyses wordt een klein monster in een massaspectrometer gedaan om de hoeveelheden koolstof- en zuurstofisotopen in elk monster te meten. Elk monster wordt in een flesje geladen en alle flesjes worden vervolgens in een carrousel geplaatst (zie afbeelding links, waarbij de rode pijl naar de monstercarrousel wijst). Er worden ongeveer drie druppels zuur in de flesjes gedaan om het monster op te lossen, waardoor een gas ontstaat dat de te meten ionen bevat. Ionen zijn erg reactief, dus de metingen binnen de massaspectrometer vinden plaats in een vacuüm. Er zijn verschillende soorten massaspectrometers, maar een van de gebruikelijke manieren om isotopen te meten, is door ze te manipuleren door magneten en elektrische velden en ze door een gebogen buis te schieten.

Omdat isotopen van elementen in gewicht verschillen door extra neutronen (zuurstof met 18 neutronen is bijvoorbeeld zwaarder dan een zuurstofmolecuul met 16 neutronen), zullen ze onder verschillende hoeken in de buis afbuigen. De mate waarin de ionen / atomen worden afgebogen door een magneet, is hoe zwaar ze zijn. Een zwaarder ion / atoom / molecuul is moeilijker voor de magneet om af te buigen, dus hij zal maar een klein beetje draaien, terwijl een lichtere i / a / m minder traagheid heeft en gemakkelijker te draaien is.

Lichtere moleculen worden dus meer afgebogen dan zwaardere. Deze informatie wordt naar een computer gestuurd, die de onderzoeker gegevens geeft over de hoeveelheid van elke isotoop in elk monster.

Voor een meer gedetailleerd verslag van hoe massaspectrometrie werkt, klik hier. Klik hier voor een videodemonstratie over hoe ionen worden afgebogen in een massaspectrometer.

Ga naar de Carbon & Zuurstofisotopen pagina!