الكيمياء الجيولوجية النظائرية

يحتوي الكربون على نظيرين مستقرين ، ¹² C و ¹³ C، ونظير مشع واحد ، ¹⁴ C.

تُقاس نسبة نظائر الكربون المستقرة، ^δ¹³C ، باستخدام معيار فيينا بي دي بيليمنايت (VPDB) . ^{[ 2 ]} وتُجزأ نظائر الكربون المستقرة بشكل أساسي بفعل عملية التمثيل الضوئي (Faure، 2004). تُعد نسبة ^¹³C / ^¹²C مؤشرًا على المناخ القديم: إذ يُشير تغير هذه النسبة في بقايا النباتات إلى تغير في كمية النشاط الضوئي، وبالتالي في مدى ملاءمة البيئة للنباتات. خلال عملية التمثيل الضوئي، تُظهر الكائنات الحية التي تستخدم مسار C3 إثراءً مختلفًا مقارنةً بتلك التي تستخدم مسار C4 ، _{مما يسمح} للعلماء ليس فقط بتمييز المادة العضوية عن الكربون غير الحيوي، بل أيضًا بتحديد نوع مسار التمثيل الضوئي الذي كانت تستخدمه المادة العضوية. ^{[ 1 ] كما كانت الارتفاعات العرضية في نسبة ¹³C} / ^¹²C العالمية مفيدة كعلامات طبقية في علم الطبقات الكيميائية ، لا سيما خلال حقبة الحياة القديمة . ^{[ 3 ]}

وقد تم استخدام نسبة ¹⁴ درجة مئوية لتتبع دوران المحيطات، من بين أمور أخرى.

للنيتروجين نظيران مستقران، هما ^14N و ¹⁵ N. تُقاس النسبة بينهما نسبةً إلى النيتروجين في الهواء المحيط . ^{[ 2 ] ترتبط نسب النيتروجين عادةً بالأنشطة الزراعية .} كما استُخدمت بيانات نظائر النيتروجين لقياس كمية تبادل الهواء بين ^{طبقتي الستراتوسفير} والتروبوسفير باستخدام بيانات غاز الدفيئة N2O . [ ₄ ]

يحتوي الأكسجين على ثلاثة نظائر مستقرة، هي ^16O و ¹⁷ O و ¹⁸ O. تُقاس نسب الأكسجين نسبةً إلى مياه المحيط القياسية المتوسطة فيينا (VSMOW) أو بلمنايت بي دي فيينا (VPDB). ^{[ 2 ]} تُستخدم التغيرات في نسب نظائر الأكسجين لتتبع حركة المياه، والمناخ القديم، ^{[ 1 ]} والغازات الجوية مثل الأوزون وثاني أكسيد الكربون . ^{[ 5 ]} عادةً ما يُستخدم مرجع الأكسجين VPDB للمناخ القديم، بينما يُستخدم VSMOW لمعظم التطبيقات الأخرى. ^{[ 1 ]} تظهر نظائر الأكسجين بنسب شاذة في الأوزون الجوي، نتيجةً للتجزئة غير المعتمدة على الكتلة . ^{[ 6 ]} استُخدمت نسب النظائر في المنخربات المتحجرة لاستنتاج درجة حرارة البحار القديمة. ^{[ 7 ]}

يحتوي الكبريت على أربعة نظائر مستقرة، بنسب وفرة كالتالي: ^32S (0.9502)، ^33S (0.0075)، ^34S (0.0421)، و ³⁶ S (0.0002). وقد قورنت هذه النسب بتلك الموجودة في معدن الترويليت في كانيون ديابلو . ^{[ 5 ]} تُستخدم الاختلافات في نسب نظائر الكبريت لدراسة أصل الكبريت في جسم الخام ، ودرجة حرارة تكوين المعادن الحاملة للكبريت ، بالإضافة إلى كونها مؤشرًا حيويًا يُمكن أن يكشف عن وجود ميكروبات مختزلة للكبريتات. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

يحتوي الرصاص على أربعة نظائر مستقرة : ²⁰⁴ Pb، ²⁰⁶ Pb، ²⁰⁷ Pb، و ²⁰⁸ Pb.

يتكون الرصاص في الأرض عن طريق تحلل عناصر الأكتينيدات ، وخاصة اليورانيوم والثوريوم .

يُعدّ علم جيوكيمياء نظائر الرصاص مفيدًا في تحديد التواريخ النظائرية لمجموعة متنوعة من المواد. ولأن نظائر الرصاص تتكون من تحلل عناصر ما بعد اليورانيوم المختلفة، فإن نسب نظائر الرصاص الأربعة إلى بعضها البعض تُعدّ بالغة الأهمية في تتبع مصدر الصهارة في الصخور النارية ، ومصدر الرواسب ، وحتى أصل الإنسان من خلال البصمة النظائرية لأسنانه وجلده وعظامه.

وقد تم استخدامه لتحديد عمر العينات الجليدية من الجرف القاري القطبي الشمالي، ويوفر معلومات عن مصدر تلوث الرصاص في الغلاف الجوي .

لقد تم استخدام نظائر الرصاص بنجاح في علم الطب الشرعي لتحديد بصمات الرصاص، لأن كل دفعة من الذخيرة لها نسبة خاصة بها ^{من 204} Pb/ ²⁰⁶ Pb مقابل ²⁰⁷ Pb/ ²⁰⁸ Pb.

الساماريوم - النيوديميوم هو نظام نظائري يمكن استخدامه لتوفير تاريخ بالإضافة إلى البصمات النظائرية للمواد الجيولوجية، ومواد أخرى متنوعة بما في ذلك الاكتشافات الأثرية (الأواني الفخارية، والسيراميك).

^{يتحلل 147} Sm لإنتاج ¹⁴³ Nd بنصف عمر يبلغ 1.06 × 10 ¹¹ سنة.

يتم تحديد العمر عادةً من خلال محاولة إنتاج خط تساوي الزمن لعدة معادن داخل عينة صخرية. ويتم تحديد النسبة الأولية لنظائر النيوديميوم ^{143/144 .}

تم تصميم هذه النسبة الأولية نسبةً إلى CHUR (الخزان الكوندريتي الموحد)، وهو تقريب للمادة الكوندريتية التي شكلت النظام الشمسي . وقد تم تحديد CHUR من خلال تحليل النيازك الكوندريتية والأكوندريتية .

يمكن أن يوفر الفرق في نسبة العينة بالنسبة إلى CHUR معلومات حول عمر نموذج الاستخراج من الوشاح (الذي تم حساب تطوره المفترض بالنسبة إلى CHUR) وما إذا كان قد تم استخراجه من مصدر جرانيتي (مستنفد من النيوديميوم المشع)، أو الوشاح، أو مصدر غني.

الرينيوم والأوزميوم عنصران محبان للحديد، ويوجدان بنسب ضئيلة جدًا في القشرة الأرضية. يخضع الرينيوم لتحلل إشعاعي ينتج عنه الأوزميوم. وتختلف نسبة الأوزميوم غير المشع إلى الأوزميوم المشع عبر الزمن.

يفضل الرينيوم دخول الكبريتيدات بسهولة أكبر من الأوزميوم. لذا، أثناء انصهار الوشاح، يُزال الرينيوم، مما يمنع تغير نسبة الأوزميوم-أوزميوم بشكل ملحوظ. وهذا يُثبّت نسبة الأوزميوم الأولية للعينة وقت الانصهار. تُستخدم نسب الأوزميوم-أوزميوم الأولية لتحديد خصائص المصدر وعمر أحداث انصهار الوشاح.

كان الهيليوم-3 محتجزًا في الكوكب عند تكوينه. ويُضاف بعض الهيليوم ^-3 عن طريق الغبار النيزكي، الذي يتجمع بشكل أساسي في قاع المحيطات (مع أن جميع الصفائح التكتونية المحيطية أحدث من الصفائح القارية بسبب عملية الاندساس ). ومع ذلك، سينطلق ^{الهيليوم-3 من الرواسب المحيطية أثناء} الاندساس ، لذا فإن الهيليوم ^-3 الكوني لا يؤثر على تركيز أو نسب الغازات النبيلة في الوشاح .

يتكون الهيليوم-3 نتيجة قصف الأشعة الكونية ، وتفاعلات التفتت الليثيومي التي تحدث عادةً في القشرة الأرضية. تفتت الليثيوم هو العملية التي يقصف فيها نيوترون عالي الطاقة ذرة ليثيوم ، مُنتجًا أيون الهيليوم ^-3 وأيون الهيليوم ^-4 . يتطلب هذا وجود كمية كبيرة من الليثيوم للتأثير سلبًا على نسبة الهيليوم ^-3 إلى الهيليوم ^-4 .

يتسرب الهيليوم المنزوع الغازات إلى الفضاء في نهاية المطاف، لأنه أقل كثافة من الغلاف الجوي، وبالتالي يرتفع تدريجيًا حتى يخضع لتبادل الشحنات . لذا، يُفترض أن محتوى الهيليوم ونسبه في الغلاف الجوي للأرض قد ظلت مستقرة بشكل أساسي.

لوحظ وجود الهيليوم ^-3 في انبعاثات البراكين وعينات من قاع المحيط . ولا يزال البحث جارياً حول كيفية تخزين الهيليوم ^{-3 في باطن الأرض، إلا أنه يرتبط} بالوشاح ويُستخدم كمؤشر على المواد ذات الأصل العميق.

نظراً لتشابه الهيليوم والكربون في التركيب الكيميائي للصهارة ، فإن إطلاق الهيليوم يتطلب فقدان المكونات المتطايرة ( الماء ، ثاني أكسيد الكربون ) من الوشاح، وهو ما يحدث على أعماق تقل عن 60 كيلومتراً. ومع ذلك، فإن الهيليوم ^-3 يُنقل إلى السطح محتجزاً بشكل أساسي في الشبكة البلورية للمعادن داخل شوائب السوائل . 

يتكون الهيليوم-4 من خلال الإنتاج الإشعاعي (عن طريق تحلل عناصر سلسلة اليورانيوم / الثوريوم ). وقد أصبحت القشرة القارية غنية بهذه العناصر مقارنة بالوشاح، وبالتالي يتم إنتاج كمية أكبر من الهيليوم ^-4 في القشرة مقارنة بالوشاح.

تُستخدم نسبة ( R ) الهيليوم ^-3 إلى ^{الهيليوم-4} غالبًا لتمثيل محتوى الهيليوم ^{-3 . وعادةً ما تُعطى} R كمضاعف للنسبة الجوية الحالية ( Ra ).

القيم الشائعة لنسبة R/Ra :

• القشرة القارية القديمة: أقل من 1
• بازلت سلسلة جبال منتصف المحيط (MORB): من 7 إلى 9
• صخور سلسلة التلال المتفرقة: 9.1 زائد أو ناقص 3.6
• صخور هوت سبوت : من 5 إلى 42
• مياه المحيطات والمياه الأرضية: 1
• مياه التكوين الرسوبي: أقل من 1
• مياه الينابيع الحرارية: من 3 إلى 11

يتم استخدام كيمياء نظائر الهيليوم ^-3 /الهيليوم ^{-4 لتحديد عمر} المياه الجوفية ، وتقدير معدلات تدفق المياه الجوفية، وتتبع تلوث المياه، وتقديم رؤى حول العمليات الحرارية المائية ، والجيولوجيا النارية ، وتكوين الخامات .

• تأريخ الأباتيت باستخدام (U-Th)/He كأداة للتاريخ الحراري
• هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية: انبعاث غاز الهيليوم من فوهة جبل ماموث (MMF)

يختلط اليورانيوم جيدًا في المحيط، وينتج عن تحلله نظيرا ²³¹ باسكال و ²³⁰ ثوريوم بنسبة نشاط ثابتة (0.093). تُزال نواتج التحلل بسرعة عن طريق الامتزاز على الجزيئات المترسبة، ولكن ليس بنفس المعدلات. يبلغ زمن بقاء ²³¹ باسكال ما يعادل زمن بقاء المياه العميقة في حوض المحيط الأطلسي (حوالي 1000 عام)، بينما يُزال ^{230 ثوريوم بسرعة أكبر (قرون). تعمل} الدورة الحرارية الملحية على تصدير ²³¹ باسكال من المحيط الأطلسي إلى المحيط الجنوبي ، بينما يبقى معظم ²³⁰ ثوريوم في رواسب المحيط الأطلسي. ونتيجة لذلك، توجد علاقة بين نسبة ²³¹ باسكال إلى ²³⁰ ثوريوم في رواسب المحيط الأطلسي ومعدل التقليب: يؤدي التقليب الأسرع إلى انخفاض نسبة ²³¹ باسكال إلى ²³⁰ ثوريوم في الرواسب، بينما يؤدي التقليب الأبطأ إلى زيادة هذه النسبة. وبالتالي فإن الجمع بين δ ¹³ C و ²³¹ Pa/ ²³⁰ Th يمكن أن يوفر نظرة أكثر اكتمالاً على تغيرات الدوران السابقة.

انطلق التريتيوم إلى الغلاف الجوي أثناء التجارب الجوية للقنابل النووية. وينتج عن التحلل الإشعاعي للتريتيوم غاز الهيليوم-3 النبيل . وتتيح مقارنة نسبة التريتيوم إلى الهيليوم-3 ( ^³H / ^³He ) تقدير عمر المياه الجوفية الحديثة . كما تُنتج كمية ضئيلة من التريتيوم طبيعيًا عن طريق التفتت الناتج عن الأشعة الكونية والانشطار الثلاثي التلقائي في اليورانيوم والثوريوم الطبيعيين، ولكن نظرًا لقصر عمر النصف للتريتيوم نسبيًا وقلة كمياته (مقارنةً بتلك الناتجة عن المصادر البشرية)، فإن هذه المصادر عادةً ما تلعب دورًا ثانويًا فقط في تحليل المياه الجوفية.

• تحديد العمر باستخدام التريتيوم/الهيليوم-3 من قبل هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية
• متتبعات النظائر الهيدرولوجية - الهيليوم

• Allègre CJ ، 2008. علم الجيولوجيا النظائرية (مطبعة جامعة كامبريدج).
• ديكين إيه بي، 2005. جيولوجيا النظائر المشعة (مطبعة جامعة كامبريدج).
• Faure G. , Mensing TM (2004), Isotopes: Principles and Applications (John Wiley & Sons).
• Hoefs J., 2004. Stable Isotope Geochemistry (Springer Verlag).
• شارب ز.، 2006. مبادئ الكيمياء الجيولوجية للنظائر المستقرة (برنتيس هول).

• النظائر البيئية مؤرشفة بتاريخ 2007-02-08 في موقع Wayback Machine (جامعة أوتاوا) 
• أساسيات الجيوكيمياء النظائرية  (سي. كيندال وإي. إيه. كالدويل، الفصل 2 في متتبعات النظائر في هيدرولوجيا مستجمعات المياه [حرره سي. كيندال وجيه. جيه. ماكدونيل]، 1998)
• دراسات النظائر المستقرة والموارد المعدنية في الولايات المتحدة  ( USGS )

• برنارد، بي جي؛ فارلي، كيه إيه؛ تيرنر، جي. (1998). "نبضات سائلة متعددة في هرزبورجيت ساموا" . الجيولوجيا الكيميائية . 147 ( 1-2 ): 99-114 . Bibcode : 1998ChGeo.147...99B . doi : 10.1016/s0009-2541(97)00175-7 .
• كيرستين، ل.، وتيمرمان، م. (2000). "دليل على وجود إشعاع بروتو-أيسلندا في شمال غرب أيرلندا قبل 42 مليون سنة من خلال نظائر الهيليوم". مجلة الجمعية الجيولوجية، لندن . 157 (5): 923-927 . Bibcode : 2000JGSoc.157..923K . doi : 10.1144/jgs.157.5.923 . S2CID 128600558 . 
• بورسيلي د.؛ هاليداي، أ.ن. (2001). "اللب كمصدر محتمل للهيليوم في الوشاح". رسائل علوم الأرض والكواكب . 192 (1): 45-56 . Bibcode : 2001E & PSL.192...45P . doi : 10.1016/s0012-821x(01)00418-6 .

• آرني د.؛ بيرلين ف.ب.؛ مورغان ج.و.؛ شتاين هـ.ج. (2001). "تأريخ الكبريتيدات المرتبطة بتمعدن الذهب في وسط فيكتوريا، أستراليا باستخدام الرينيوم-أوزميوم". الجيولوجيا الاقتصادية . 96 (6): 1455-1459 . doi : 10.2113/96.6.1455 .
• مارتن سي (1991). "الخصائص النظائرية للأوزميوم في الصخور المشتقة من الوشاح" . مجلة جيوكيميكا إت كوزموكيميكا أكتا . 55 (5): 1421-1434 . رمز Bibcode : 1991GeCoA..55.1421M . doi : 10.1016/0016-7037(91)90318-y .