Grundlagen der Isotopengeochemie Anna Trubetskaya 22.10.2009

Inhaltsverzeichnis I. Einführung in die Isotopengeochemie II. Radiogene Isotopensysteme III. Datierungsmethoden 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

Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie 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 Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie

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

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

Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie I. Einführung Proton Was sind Isotope? Atome, deren Kerne die gleiche Anzahl von Proton enthalten, aber unterschiedliche Anzahl von Neutronen Masse (M) = Protonen (Z) + Neutronen (N) Schreibweise : ME, z.B. 13C Isotopenhäufigkeit/ Stabilität der Atomkerne: Natururan (99,3% 238U zu 0,7% 235U); Cu-63 – 69% (Cu) und Cu-65 –31%(Cu) Anziehende Kräfte/Coulomb-Kräfte Neutron Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie 22.10.2009

Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie I. Einführung Stabilitätskurve 180 160 120 A 80 40 20 40 60 80 100 Z Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie 22.10.2009

Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie 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 Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie 22.10.2009

Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie 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 Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie

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

Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie I. Einführung Alkali metals Alkali earth metals Transition metals Other metals Semi-metals Semi-metals Noble Gases Lanthanoids Actinoids Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie

II. Radiogene Isotopsysteme IRMS Quadrupol Geigerzähler Fenster γ-Strahlung Kathode Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie

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

II. Radiogene Isotopsysteme Ionenquelle Filament Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie

II. Radiogene Isotopsysteme Prismenwirkung Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie

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

II. 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

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

Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie 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 Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie

V. „On-line“ - Analytik Radon-α-Spektrometer Gaschromotograph Massenspektrometer C2H6, C3H8, CH4, C4H10 H2, He, CH4, N2, Ar, CO2 Drosselventil Überlauf Gasuhr Gaspumpe Entgaser Peltier-Kühler „Bypass von Fördersonde“ Abflußthermalwasser „Slobgrube“ Thermalwasser Wasserzähler

VI. Ergebnisse: Geochemie der gelösten und freien Gasen

VI. Ergebnisse: Geochemie der gelösten und freien Gasen Lokation Proben- typ Proben-name Datum der nahme H2 Vol.% He N2 CH4 Ar CO2 FS Wasserprobe NG998A 23.09.98 0.27 219 1.96 2.32 755 95 NG998C 0.35 252 2.75 2.39 1019 94 NG998D 0.5 461 2.78 3.17 283 93 NG998I 0.31 246 2.46 473 NG100596 10.05.96 804 6.91 7.77 679 85 Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie

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

VII. Zur Herkunft der Gasen terrestrial δ13 C(CH4) (‰) δ13 (Cterrestr.) = -23‰ δ13 (Cmarine) = - 29‰ R0 (‰) marine δ13 C(C2H6) (‰) δ13 C(C3H8) (‰) terrestrial R0 (‰) marine δ13 C(C2H6) (‰)

Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie VIII. 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 Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie

Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie Literatur 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. Anna Trubetskaya Grundlagen der Isotopengeochemie

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