Isótopos Cosmogénicos

1. Isótopos Cosmogénicos Núclidos cosmogénicos se forman por interacción de rayos cósmicos (producidos por el sol) con núcleos de átomos de la atmósfera o de la superficie de minerales terrestres expuestos al sol. Se producen núclidos estables y radiactivos. Los últimos tienen vidas medias relativamente cortas. Sin producción constante por interacción con rayos cósmicos, hoy no hubiera presencia de estos núclidos en la tierra. No todos los núclidos cosmogénicos llegan a la superficie de la tierra → desviación por el campo magnético y dependencia de la latitud (blindaje máximo en el ecuador). El uso principal de los isótopos cosmogénicos radiactivos es en la geocronología cuaternaria.

2. Componentes de la irradiación cósmica: Protones, partículas , neutrones, fragmentos de núcleos y myones (partículas elementales) Wagner (1995)

3. Núclidos importantes, sus vidas medias y aplicaciones

4. Radiocarbono (14C) Ref.: Taylor, R.E. (1987): Radiocarbon dating - an archaeological perspective. Acad. Press, London, 212 pp. El método 14C es el método más antiguo y más usado en la geocronología cuaternaria. Primeros fechamientos por Arnold & Libby 1949,1950 > material del flujo de lava del Xitle! Premio Nobel para Libby en 1960 Relación 12C/14C = 1012/1 Producción del 14C en la estratósfera (bombardeo por neutrones) 14N + n  14C + p; 14C  14N + - +  + Q T1/2 = 5730 a ;  = 1.209 x 10-4 a-1 (5570 a (Libby); 5568 a)

5. Producción de 14CO2 Producción anual: ca. 7.5 kg/a Hoy: ca. 75 t 14C en la tierra

6. Fechamientos con el método de radiocarbono requieren una relación 14C/12C atmosférica constante > No siempre real (producción de 14CO2 por combustibles fósiles y pruebas nucleares). Efectos “de Vries” y “Suess”

7. Comparación de fecha- mientos por 14C y U-serie en corales de Barbados. En el rango 10-30 ka, edades por 14C son hasta 3.5 ka más jóvenes!! Bard et al., Nature, 1990

8. Calibración de datos 14C por dendrocronología

9. Metodología: 14C es un método radiométrico!! -conteo de partículas  emitidas por CO2 en contadores  -conteo de decaimientos  en benzeno por centelleo -conteo de 14C con un espectrómetro de aceleración (AMS) t = 1/ ln (A 14Cox / A 14C muestra) Ox = Estándar ácido oxálico NBS

10. Correcciones necesarias: - efectos por fraccionamiento 14Ccorr = 14Cmed x [1-(2(13C + 25)/1000)] - efectos de depósito (reservoir effects) p. ej. aguas profundas (con edades hasta 1.7 ka). No hay intercambio y mezcla rápida con aguas superficiales - calibración por dendrocronología Presentación de edades por 14C: convencionales calibradas - a B.P. (B.P. = 1950!!) - a cal B.P. - a BC (AC) - a cal BC - a AD (DC) - a cal AD

11. Accelerator Mass Spectrometer (AMS)

12. Materiales fechables por 14C. Para AMS se requiere solamente 1mg de muestra (convertido en grafito).

13. Tritio (3H) Tritio se forma en la atmósfera de la interacción de neutrones cósmicos con N: 14N + n  3H + 12C Tritio decae con emisión de partículas - a 3He estable 3H  3He + - +  + 0.01861 MeV T 1/2 = 12.26 a,  = 5.6537 x 10-2 a-1; 3H = 3.01603 uma La concentración de tritio se mide en TU (Tritium units). 1 TU = 1 átomo tritio/1018 átomos de H. La concentración natural de 3H en la atmósfera es ca. 25 TU. Sin embargo, como consecuencia de las pruebas nucleares, la atmósfera ha tenido en los años 60’s concentraciones de hasta 2200-3000 TU.

14. Concentración promedio de tritio en precipitaciones del hemisferio norte en 1963, en TU.

15. Aplicación mas importante del método 3H en aguas subterraneas. Se supone que el agua está en equilibrio cuando está todavía en contacto con la atmósfera. En acuíferos la disminución de 3H es sólamente producto del decaimiento radiactivo.  Determinación de tasas de flujo en acuíferos y movimientos de contaminantes en el agua del subsuelo.

16. 10Be 10Be se produce en la atmósfera por reacciones de protones cósmicos con alta energía y N2 y O2 y sobre la superficie de la tierra en minerales expuestos a la atmósfera. 10Be decae con emisión de partículas - a 10B estable 10Be  10B + - +  + Q T1/2 = 1.51 x 106 a Be (Z = 4) tiene 8 isótopos (6Be, 7Be, 8Be, 9Be, 10Be, 11Be, 12Be, 14Be), pero sólamente 9Be es estable. Promedio de la tasa de deposición global 1.2-1.5 x 106 átomos 10Be/cm2/a.

17. 10Be sale rápidamente de la atmósfera vía deposición húmeda (lluvias) o seca. Una gran cantidad cae en los océanos. Be es un elemento altamente reactivo con partículas y se incorpora rápidamente en sedimentos. Aquí empieza el decaimiento  fechamientos de tasas de sedimentación.

18. Sedimentos son subducidos en márgenes continentales (o arcos de islas). Una parte del 10Be de estos sedimentos se puede incorporar a la cuña del manto (mantle wedge) y así a los magmas  evidencia para sedimentos reciclados. No hay 10Be en el manto!

19. Cuarzo  geoquímicamente sistema cerrado. No se mezcla 10Be interno con 10Be atmosférico Una pequeña cantidad de rayos cósmicos llega a la superficie de la tierra donde pueden reaccionar con 16O en minerales (cuarzo) expuestos a la atmósfera y formar 10Be. Si no hay erosión  equilibrio. Si hay erosión: N10Be = P10Be/ + E/L (1-e -(+E/L)t). La ecuación se puede resolver por t si se sabe la tasa de producción P de 10Be, la tasa de erosión E (g/cm2/a) y la profundidad de atenuación de los rayos cósmicos en el mineral (L).

20. Medición con AMS (relación 10Be/9Be) se requieren 1 g (sed. marinos) 10-20 g (cuarzo) 100 mg (loess)

21. 26Al y 36Cl Como 10Be producción en la atmósfera y en situ. Al (Z = 13) tiene 10 isótopos, pero solamente el 27Al es estable. 26Al producido únicamente de Ar atm. (depende de la latitud) 26Al  26Mg +(+, e.c) +  +  + Q (dec. ramificado) T1/2 = 0.705 x 106 a Al geoquímicamente parecido al Be En sedimentos mar. y continentales 0.5-50 x 109 átomos/g tasa de producción 26Al/10Be en la atm. constante = 4 x 10-3 Cl (Z = 17) tiene 16 isótopos, pero sólamente 35Cl (75.77%) y 37Cl (24.23%) son estables. 36Cl 36Ar + - 36Cl 36S (e.c) T1/2 = 301 x 103 a