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Grundlagen der Isotopengeochemie Anna Trubetskaya 22.10.2009.
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Grundlagen der IsotopengeochemieGrundlagen der Isotopengeochemie
Anna TrubetskayaAnna Trubetskaya22.10.200922.10.2009
InhaltsverzeichnisInhaltsverzeichnis
I. Einführung in die Isotopengeochemie
II. Radiogene Isotopensysteme
III. Datierungsmethoden
IV. Einführung in die Gasanalytik am Beispiel der Thermalwasser
der Geothermie-Anlage Neustadt-Glewe anhand der Isotopie
V. „On-line Analytik“
VI. Geochemie der gelösten und freien Gasen
VII. Zur Herkunft der Gasen
VIII. Zusammenfassung
I. EinfI. Einführungührung
Was versteht man unter Geochemie?
• Geochemie verbindet Geowissenschaft mit der Umweltwissenschaft
• Aufbau und chemische Zusammensetzung der Erde
• Röntgenspektrometer, Absorptionspektrometer, Phasenanalyser
• Radiologene Isotope Sr, Nd, Pb werden für die Datierung von Mineralien und Gesteine verwendet
• Der Boden, Wasser und Luft werden mit geochemischen Methoden in der Umweltwissenschaft untersucht
3Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie
I. EinfI. Einführungührung
Geochemie
Elementgeochemie Isotopengeochemie
Organische Geochemie Umweltgeochemie
4Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie
I. EinfI. Einführungührung
Anwendungsgebiete der Isotopengeochemie
Kosmochemie
Ozeanographie Geologie, Mineralogie
Bodenkunde Isotopengeochemie Paläontologie
Physische Geographie Biowissenschaften/Medizin
Lebensmittelchemie
5Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie
I. EinfI. Einführungührung
Was sind Isotope?Was sind Isotope?• Atome, deren Kerne die gleiche Anzahl
von Proton enthalten, aber unterschiedliche
Anzahl von Neutronen
Masse (M) = Protonen (Z) + Neutronen (N)
• SchreibweiseSchreibweise : : ME, z.B. 13C
• IsotopenhIsotopenhääufigkeit/ Stabilität der Atomkerne:ufigkeit/ Stabilität der Atomkerne:– Natururan (99,3% 238U zu 0,7% 235U); Cu-63 – 69% (Cu) und Cu-65 –31%(Cu)
– Anziehende Kräfte/Coulomb-Kräfte
Proton
Neutron
6Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie22.10.2009
I. EinfI. Einführungührung
StabilitätskurveStabilitätskurve
7Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie
Z
A
604020 80 100
40
80
120
160
180
22.10.2009
I. EinfI. Einführungührung
In der Geochemie mißt man die natürliche Variationen
in der Isotopenzusammensetzung einiger Elemente.
Isotopenvariationen:
• Durch Fraktionierung bei physikalisch-chemischen oder biochemischen Prozessen
• Bei einigen der Elemente, die aus mehr als einem natürlich vorkommenden Isotop bestehen, unterliegt eines der Isotope dem radioaktiven Zerfall direkt oder über eine Kette von instabilen Produkten
8Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie22.10.2009
I. EinfI. Einführungührung
Rutherford Rutherford & Soddy: Gesetz des radiaktiven Zerfalls& Soddy: Gesetz des radiaktiven Zerfalls
dN/dt = dN/dt = λλ * N * N
λ – Zerfallskonstante (Wahrscheinlichkeit, mit der 1 Atom in bestimmter
Zeit zerfällt
N – Anzahl radioaktiver Atome t-Zeit
9Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie
I. EinfI. Einführungührung
Nuklidkarte M-ZNuklidkarte M-Z
10Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie
Schwarz: stabiles Nuklid; rot: Beta-plus-Strahler blau: Beta-minus-Strahler ;gelb: Alphastrahlergrün: spontanspaltendes Nuklid;violett: Neutronenstrahler ; braun: Photonenstrahler
I. EinfI. Einführungührung
11Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie
Lanthanoids
Actinoids
Alkali metals Alkali earth metals Transition metals Other metals Semi-metals Semi-metals Noble Gases
II. Radiogene IsotopsystemeII. Radiogene Isotopsysteme
IRMSIRMS QuadrupolQuadrupol
12Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie
Kathode
Geigerzähler
Fenster
γ-Strahlung
II. Radiogene IsotopsystemeII. Radiogene Isotopsysteme
Aufbau eines Massenspektrometers – IRMS „Isotope Ratio Mass Spectrometer“
13Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie
II. Radiogene IsotopsystemeII. Radiogene Isotopsysteme
IonenquelleIonenquelle FilamentFilament
14Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie
II. Radiogene IsotopsystemeII. Radiogene Isotopsysteme
Prismenwirkung
15Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie
II. Radiogene IsotopsystemeII. Radiogene Isotopsysteme
Ansicht eines Thermionenmassenspektrometers
16Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie
II. Radiogene IsotopsystemeII. Radiogene Isotopsysteme
Isotopenverdünnungsanalyse
apr., ai - die bekannte Häufigkeiten der
Isotope a und b
aa , ab – Proben
Ni - die bekannten Menge an Indikatoratomen
Npr. – unbekannte Menge an Analytenatomen
17
Gasanalytik am Thermalwasser der Geothermie-Gasanalytik am Thermalwasser der Geothermie-Anlage Neustadt-Glewe anhand der IsotopieAnlage Neustadt-Glewe anhand der Isotopie
18Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie
IV. EinleitungIV. Einleitung
Wie kann man die Grundlagen der Isotopengeochemie in der Geothermie anwenden?
• Optimale Auslegung der Anlage
• Vermeidung der Auftrettung der brennbaren Gasen
• Die Abschätzung des Entgasungsrisikos
19Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie
V. „On-line“ - AnalytikV. „On-line“ - Analytik
„Bypass von Fördersonde“
Thermalwasser Wasserzähler
Entgaser
Überlauf
Abflußthermalwasser„Slobgrube“
Drosselventil
Gaspumpe Gasuhr
Peltier-Kühler
MassenspektrometerGaschromotographRadon-α-Spektrometer
H2, He, CH4, N2, Ar, CO2H2, He, CH4, N2, Ar, CO2C2H6, C3H8, CH4, C4H10
C2H6, C3H8, CH4, C4H10
20
VI. Ergebnisse: Geochemie der gelösten und freien GasenVI. Ergebnisse: Geochemie der gelösten und freien Gasen
21
VI. Ergebnisse: Geochemie der gelösten und freien GasenVI. Ergebnisse: Geochemie der gelösten und freien Gasen
Lokation Proben-typ
Proben-name
Datumder
Proben- nahme
H2
Vol.%
He
Vol.%
N2
Vol.%
CH4
Vol.%
Ar
Vol.%
CO2
Vol.%
FS Wasserprobe NG998A 23.09.98 0.27 219 1.96 2.32 755 95
FS Wasserprobe NG998C 23.09.98 0.35 252 2.75 2.39 1019 94
FS Wasserprobe NG998D 23.09.98 0.5 461 2.78 3.17 283 93
FS Wasserprobe NG998I 23.09.98 0.31 246 2.46 2.75 473 94
FS Wasserprobe NG100596 10.05.96 0.31 804 6.91 7.77 679 85
22Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie
VII. Zur Herkunft der GaseVII. Zur Herkunft der Gase
23Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie
tief-zirkulierende Wasser
luft-gesättigte Wasser
mag
mat
isch
es F
luid
organische Materie
Magmatik
Luft
Kristal
l
Gasproben FS Wasserproben FSWasserproben RS
sedi
men
täre S
olen
He x 10
N2 /100
Ar
VII. Zur Herkunft der GasenVII. Zur Herkunft der Gasen
marine
terrestrial
terrestrial
marine
R0 (‰)
R0 (‰)
δ13 C(C2H6) (‰)
δ13 C(C2H6) (‰)
δ13 (Cterrestr.) = -23‰
δ13 (Cmarine) = - 29‰
24
VIII. ZusammenfassungVIII. Zusammenfassung
• Das Thermalwasser von Neustadt – Glewe enthält 7-10 Vol.% Gas
• CO2 dominiert in der Gasphase
• N2 und CH4 tretten als Hauptbestandteile auf
• Ar, H2, He und höhere Kohlenstoffe sind als Spurgase vorhanden
• Diese Ergebnisse sind unerläßlich für die Auslegung und den Betrieb einer Anlage sowie zum Abschätzen des Entgasungsrisiko und des Auftretens brennbarer Gase
• Die Zusammensetzung der Gasphase unterliegt keinen signifikant Veränderungen
• Kleine periodische Schwankungen lassen sich feststellen
• N2 - Ar – He – Verhältnisse der Gasphase weisen auf eine kristale Herkunft mit meteorischem Einfluss hin
• Die Ergebnisse der C-Isotopenuntersuchungen von CH4, C3H8 und C2H6
lassen drauf schliessen, dass die im Tiefenwasser von Neustadt-Glewe gelösten Kohlenwaserstoffe aus marinem Muttergestein stammen
25Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie
LiteraturLiteratur
• Dumke, I., E.Faber und J. Poggenburg, Determination of stable carbon un hydrogen isotopes of light hydrocarbons.-Anal. Chem., 61/19, 2149-2154, 1989.
• Naumann, Dirk, Gasanalytik am Thermalwasser der Geothermie – Anlage Neustadt – Glewe und Rekonstruktion der Genese anhand der Isotopie, GWZ Potsdam, 4, 88-102, 2004.
• Naumann, D., J.Erzinger und E. Faber, Gas- und isotopengeochemische Untersuchungen zur Rekonstruktion der Genese norddeutscher Thermalwässer, Geothermie: Forschung-Entwicklung-Markt, Tagungsband der 5. Geothermischen Fachtagung Straubing 1998 im Druck, 1998.
• Seibt, A., Naumann und P. Hoth, Lösung und Entlösung von Gasen in Thermalwässern- Konsequenzen für den Anlagenbetrieb, in Geothermie Report 99-1, K. Schallenberg, K.: Geothermisches Heizwerk Neustadt-Glewe: Zustands- und Stoffparameter, Prozessmodellierung, Betriebserfahrungen und Emissionsbilanzen, Scientific Technical Report, STR99/xx, (dieses Heft), 1998.
• Schön, M. Und W. Rockel, Nutzung niedrigthermaler Tiefenwässer – Geologische Grundlagen., in: Bussmann, W. (eds.), Geothermie – Wärme aus der Erde, Verlag C.F. Müller, Karlsruhe, 20-50, 1991.
• Stosch ,Heinz-Günter, Einführung in die Isotopengeochemie, Skript, 2004.
• Stosch, Heinz-Günter, Einführung in die Gesteins- und Laferstättenkunde, Skript, 2008.
• Stosch, Heinz-Günter, Kristalloptik II-Mineralmikroskopie, Skript, 2009.
• Zimmer, M., Zur Geochemie von Gasen in Formationsfluiden, Bohrspülungen und Krustengesteinen –Ergebnisse aus der Kontinentalen Tiefbohrung, Dissertation, Justus-Liebig-Universität Gießen, 1993.
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Vielen Dank fVielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!ür Ihre Aufmerksamkeit!
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