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Grundlagen der Isotopengeochemie Anna Trubetskaya 22.10.2009.

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Präsentation zum Thema: "Grundlagen der Isotopengeochemie Anna Trubetskaya 22.10.2009."—  Präsentation transkript:

1 Grundlagen der Isotopengeochemie Anna Trubetskaya

2 Inhaltsverzeichnis 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

3 I. Einführung 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 3 Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie

4 I. Einführung Geochemie Elementgeochemie Isotopengeochemie Organische Geochemie Umweltgeochemie 4 Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie

5 I. Einführung Anwendungsgebiete der Isotopengeochemie Kosmochemie Ozeanographie Geologie, Mineralogie Bodenkunde Isotopengeochemie Paläontologie Physische Geographie Biowissenschaften/Medizin Lebensmittelchemie 5 Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie

6 I. Einführung Was sind Isotope? Atome, deren Kerne die gleiche Anzahl von Proton enthalten, aber unterschiedliche Anzahl von Neutronen Masse (M) = Protonen (Z) + Neutronen (N) Schreibweise : Schreibweise : M E, z.B. 13 C Isotopenhäufigkeit/ Stabilität der Atomkerne: Isotopenhäufigkeit/ Stabilität der Atomkerne: – Natururan (99,3% 238 U zu 0,7% 235 U); Cu-63 – 69% (Cu) und Cu-65 –31%(Cu) – Anziehende Kräfte/Coulomb-Kräfte Proton Neutron 6 Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie

7 I. Einführung Stabilitätskurve 7 Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie Z A

8 I. Einführung 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 8 Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie

9 I. Einführung Rutherford & Soddy: Gesetz des radiaktiven Zerfalls dN/dt = λ * N λ – Zerfallskonstante (Wahrscheinlichkeit, mit der 1 Atom in bestimmter Zeit zerfällt N – Anzahl radioaktiver Atome t-Zeit 9 Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie

10 I. Einführung Nuklidkarte M-Z 10 Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie Schwarz: stabiles Nuklid; rot: Beta-plus-Strahler blau: Beta-minus-Strahler ;gelb: Alphastrahler grün: spontanspaltendes Nuklid; violett: Neutronenstrahler ; braun: Photonenstrahler

11 I. Einführung 11 Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie Lanthanoids Actinoids Alkali metalsAlkali earth metalsTransition metalsOther metalsSemi-metals Noble Gases

12 II. Radiogene Isotopsysteme IRMSQuadrupol 12 Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie Kathode Geigerzähler Fenster γ-Strahlung

13 II. Radiogene Isotopsysteme Aufbau eines Massenspektrometers – IRMS Isotope Ratio Mass Spectrometer 13 Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie

14 II. Radiogene Isotopsysteme IonenquelleFilament 14 Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie

15 II. Radiogene Isotopsysteme Prismenwirkung 15 Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie

16 II. Radiogene Isotopsysteme Ansicht eines Thermionenmassenspektrometers 16 Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie

17 II. Radiogene Isotopsysteme Isotopenverdünnungsanalyse a pr., a i - die bekannte Häufigkeiten der Isotope a und b a a, a b – Proben N i - die bekannten Menge an Indikatoratomen N pr. – unbekannte Menge an Analytenatomen 17

18 Gasanalytik am Thermalwasser der Geothermie- Anlage Neustadt-Glewe anhand der Isotopie 18 Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie

19 IV. 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 19 Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie

20 V. On-line - Analytik Bypass von Fördersonde Thermalwasser Wasserzähler Entgaser Überlauf Abflußthermalwasser Slobgrube Drosselventil Gaspumpe Gasuhr Peltier-Kühler MassenspektrometerGaschromotographRadon-α-Spektrometer H 2, He, CH 4, N 2, Ar, CO 2 C 2 H 6, C 3 H 8, CH 4, C 4 H 10 20

21 VI. Ergebnisse: Geochemie der gelösten und freien Gasen 21

22 VI. Ergebnisse: Geochemie der gelösten und freien Gasen LokationProben- typ Proben- name Datum der Proben- nahme H 2 Vol.% He Vol.% N 2 Vol.% CH 4 Vol.% Ar Vol.% CO 2 Vol.% FS Wasserprobe NG998A FS Wasserprobe NG998C FS Wasserprobe NG998D FS Wasserprobe NG998I FS Wasserprobe NG Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie

23 VII. Zur Herkunft der Gase 23 Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie tief-zirkulierende Wasser luft-gesättigte Wasser magmatisches Fluid organische Materie Magmatik Luft Kristall Gasproben FS Wasserproben FS Wasserproben RS sedimentäre Solen He x 10 N 2 /100 Ar

24 VII. Zur Herkunft der Gasen marine terrestrial marine R 0 () δ 13 C(C 2 H 6 ) () δ 13 C(CH 4 ) () δ 13 C(C 3 H 8 ) () δ 13 (C terrestr. ) = -23 δ 13 (C marine ) =

25 VIII. Zusammenfassung Das Thermalwasser von Neustadt – Glewe enthält 7-10 Vol.% Gas CO 2 dominiert in der Gasphase N 2 und CH 4 tretten als Hauptbestandteile auf Ar, H 2, 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 N 2 - Ar – He – Verhältnisse der Gasphase weisen auf eine kristale Herkunft mit meteorischem Einfluss hin Die Ergebnisse der C-Isotopenuntersuchungen von CH 4, C 3 H 8 und C 2 H 6 lassen drauf schliessen, dass die im Tiefenwasser von Neustadt-Glewe gelösten Kohlenwaserstoffe aus marinem Muttergestein stammen 25 Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie

26 Literatur Dumke, I., E.Faber und J. Poggenburg, Determination of stable carbon un hydrogen isotopes of light hydrocarbons.-Anal. Chem., 61/19, , Naumann, Dirk, Gasanalytik am Thermalwasser der Geothermie – Anlage Neustadt – Glewe und Rekonstruktion der Genese anhand der Isotopie, GWZ Potsdam, 4, , 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, 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), 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, Stosch,Heinz-Günter, Einführung in die Isotopengeochemie, Skript, Stosch, Heinz-Günter, Einführung in die Gesteins- und Laferstättenkunde, Skript, Stosch, Heinz-Günter, Kristalloptik II-Mineralmikroskopie, Skript, Zimmer, M., Zur Geochemie von Gasen in Formationsfluiden, Bohrspülungen und Krustengesteinen – Ergebnisse aus der Kontinentalen Tiefbohrung, Dissertation, Justus-Liebig-Universität Gießen, Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie

27 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 27 Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie


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