princípios da física nuclear_elton

Laboratório de Geocronologia

Universidade de Brasília

GEOLOGIA DE ISÓTOPOS RADIOGÊNICOS

Módulos BásicosMódulos Básicos

Módulos AplicadosMódulos Aplicados

• Rochas sedimentaresRochas sedimentares

• Rochas ÏgneasRochas Ïgneas

• Rochas MetamóficasRochas Metamóficas

• MetalogêneseMetalogênese

• Introdução a Radioatividade

• Espectrometria de massa

• Diluição isotópica aplicada a geocronologia

• Métodos Termocronológicos (K-Ar e Ar-Ar)

• Método Rb-Sr

• Método Sm-Nd

• Método Re-Os

• Sistemática Isotópica U-Th-Pb Método Pb-Pb Método Pb-Pb

Método U-Pb Método U-Pb

Laboratório de Geocronologia

Universidade de Brasília

PRINCÍPIOS DA FÍSICA NUCLEAR

Aplicados a Geocronologia

PRINCÍPIOS FÍSICOS DA GEOLOGIA ISOTÓPICAPRINCÍPIOS FÍSICOS DA GEOLOGIA ISOTÓPICA

O ÁTOMO

Caracterizado pelo seu núcleo e eletrosfera

Núcleo (diâmetro de 10-12cm, 10.000 vezes < que a átomo):

Prótons (p+)- carga +1 – massa1Nêutrons (n0)- carga neutra – massa 1

Eletrosfera:Elétrons (e-)- carga -1 – massa 1/1840g

Átomo neutro – número de prótons igual ao número de elétrons Z = número atômico – número de prótons A = massa – prótons + nêutrons + elétrons

Isótopos – mesmo Z e A Isóbaros – Z e = A Isótonos – Z, A e = número de nêutrons

ISOTISOTÓPOÓPOSS

Mesmo número Mesmo número AtAtôômicmicoo – Diferent – Diferente e MassaMassa At Atôômicmica.a.

Numero Numero AtAtôômicmicoo = No. = No. dede ProtonsProtons

Massa Massa AtAtôômicmicaa = No. = No. dede Protons Protons + No. + No. dede Neutrons Neutrons

No. No. dede Protons = Z Protons = Z

No. No. dede Neutrons = N Neutrons = N

Numero Numero AtAtôômicmicoo = Z = Z

Massa Massa AtAtôômicmicaa = A = Z + N = A = Z + N

2 Grupos de Isotópos

ISOTÓPOS RADIOATIVOS

ISOTÓPOS ESTAVEIS

ISOTÓPOS RADIOGÊNICOS

Produzidos pelo decaimento de isotópos radioativos

Pode ser radioativos ou estáveis

Isotópo Radioativo = Isotopo Pai

Isotopo Radiogenico = Isotope Filho

ISOTOPOS RADIOATIVOS

• Transformados através de decaimento radioativo em outros elementos

• Variações em sua abundância natural são governadas pelo decaimento radioativo

• Geralmente se usa o par de isotópos radioativo-radiogênico :

Rb – SrSm – Nd U, Th – Pb

AplicaAplicações principaisções principais

GeocronologGeocronologia = determinação ia = determinação de idadesde idades))

GeoGeoquímicaquímica

TraTraçadores:çadores:

• Evolução da TerraEvolução da TerraPetrogPetrogêneseênese

GênGênesese de Metais e de Metais

Interação Interação FluidFluidoo-Roc-Rocha ha

TemperaturTemperatura de a de formaformação ção ((dede minerals, minerals, rocrochas, etc has, etc ))

Representação do Tempo GeológicoRepresentação do Tempo Geológico

Fonte: Plummer & McGeary

ARQUEANOARQUEANO

PR

OT

ER

OZ

ÓIC

OP

RO

TE

RO

ZÓ

ICO

PaleoproterozóicoPaleoproterozóico

MesoproterozóicoMesoproterozóico

NeoproterozóicoNeoproterozóico

38003800

25002500

16001600

900900

544544

PA

LE

OZ

ÓIC

OP

AL

EO

ZÓ

ICO

CambrianoCambriano

OrdovicianoOrdoviciano

SilurianoSiluriano

DevonianoDevoniano

PermianoPermiano

PensilvanianoPensilvaniano

MississipianoMississipianoC

arb

on

ífer

oC

arb

on

ífer

o

245245

286286

325325

360360

410410

440440

505505

544544M

ES

OZ

ÓIC

OM

ES

OZ

ÓIC

O

TriássicoTriássico

JurássicoJurássico

CretáceoCretáceo

245245

208208

146146

6565

CE

NO

ZÓ

ICO

CE

NO

ZÓ

ICO

TE

RC

IÁR

IOT

ER

CIÁ

RIO

Pal

eog

ênic

oP

aleo

gên

ico

Neo

gên

ico

Neo

gên

ico

PaleocenoPaleoceno

Quat.Quat.

EocenoEoceno

PleistocenoPleistoceno

PliocenoPlioceno

MiocenoMioceno

OligocenoOligoceno

1,81,8

55

2323

3838

5454

6565

HADEANOHADEANO4500 Ma.4500 Ma.

A Escala do Tempo GeológicoA Escala do Tempo Geológico

Durante o século XIX várias tentativas de quantificar o tempo geológico

Taxa de sedimentação Salinidade dos oceanos Resfriamento da Terra

Para resolver o problema da quantificação do tempo geológicoPara resolver o problema da quantificação do tempo geológicoUtilizar um processo que:Utilizar um processo que: fosse contínuo ao longo do tempo geológicofosse contínuo ao longo do tempo geológico não fosse reversívelnão fosse reversível não influenciado por outros processos ou ciclosnão influenciado por outros processos ou ciclos que deixasse um registro completo, sem interrupçõesque deixasse um registro completo, sem interrupções

• Um breve histórico sobre radioatividade

Descoberta da radioatividade em 1896 (Becquerel)

Em 1904 B. Boltwood demonstrou que a radioatividade poderia ser usada para determinar tempo de formação de minerais de urânio

Foram assim abertas as portas para as “datações radiométricas”, a nova e eficiente técnica de medir o tempo geológico.

Conceito de radioatividade: variação nuclear espontânea, caracterizada pela emissão de radiações eletromagnéticas ou partículas, ocasionando a transformação de um nuclídeo em outro

1930 - Início do desenvolvimento de aparelho para medir razões isotópicas (espectrômetro de massa)

Anos 50 - Físicos versus GeólogosSurge o MitMétodo U-Pb

Anos 60 -Método K-Ar e Rb-SrPrimeiro laboratório de geocronologia daAmérica do Sul (CPGeo-USP)

Anos 70 - Novos métodosPb-Pb e Sm-Nd

Anos 80 - Novos métodos e técnicas interpretativas

Anos 90 - Datações pontuais dentro de um único cristal

Nucleossíntese

Supõe-se que a 30 min. do Big-bang1H 78 %4He 22%

Nuclídeos de M = 254 foram criados em diferentes estrelas com diferentes idades

Por não ter uma distribuição homogênea estes nuclídeos pesados nõ foram gerados no Big-bang

Nucleossíntese

Acresçõesgravitacionais

Queima de Hidrogênio

H consumidocontração

gravitacionalGigante

Vermelha

Anã Branca(resfriamento)

107 K

Queima de HélioGeração de nuclídeos de número de

massa até 40

108 K

H consumidocontração

gravitacional

3 x 109 KSuper Nova

109 K Fusão do Carbono

(Geração de nuclídeos pesados)

Incorporação em outras estrelas

Distribuição no espaço

He

H

Longo tempo

1H + 1H 2D + e+ + (t/2 = 1,4 x 1010 anos)3He + 3He 4He + 21H + (t/2 = 106 anos)

Curto tempo

12C + 1H 13N + 13N 13C + e+ + 13C + 1H 14N + 14N + 1H 15O + 16O + 4He 20Ne + 20Ne + 4He 24Mg +

Exemplos Equações de Nucleossíntese

Abundância Cósmica

Tempo x temperatura

Estabilidade dos nuclídeos

Tipos de Decaimento Radioativo

D

P

Z

N

Z Z+1

N N-1

A A

n p + e-

I) Beta

Decaimento Radioativo: Mecanismos

-decay-decay

-decay-decay

Positron decayPositron decay

Electron captureElectron capture

nuclear fissionnuclear fission

Branched decayBranched decay (ramificação) (ramificação)

Para os sistemas isotópicos deste Para os sistemas isotópicos deste curso curso ::

- and - and -decay-decay

Exemplo de decaimento beta

Tipos de Decaimento Radioativo

II) Positron

P

D

Z

N

Z Z-1

N N+1

A A

p n + e+

Exemplo de decaimento

positron

Tipos de Decaimento Radioativo

III) Captura de elétron

P

D

Z

N

Z Z-1

N N+1

A A

e- + p n

Tipos de Decaimento Radioativo

IV) Alfa

P

D

Z

N

Z Z-2

N N-2

A A-4

-decay:

Transformation of a neutron into a proton and an electron--------------------------------------------------------------------------------------------

ISOTOPE ATOMIC NO. Neutron no. ATOMIC Mass (Proton no.) (Proton no.+neutron no.)------------- ------------------- ---------------- ----------------------------------

Radioactive Z N ARadiogenic Z+1 N-1 A--------------------------------------------------------------------------------------------

e.g. Rb-Sr System

Radioactive (parent) Radiogenic (daughter)

8737Rb 87

38Sr + -

Exemplo de decaimento alfa

-decay:

• Emission of -particles from the atomic nucleus

–   - particle = 2 protons+ 2 neutrons = 42He

-------------------------------------------------------------------ISOTOPE ATOMIC NO. Neutron no. ATOMIC MASS (Proton no.) (Proton no.+neutron no.)------------- ------------------- ---------------- ------------------------------Radioactive Z N ARadiogenic Z-2 N-2 A-4

---------------------------------------------------------------------e.g. Sm-Nd System

Radioactive (parent) Radiogenic (daughter)147

62Sm 14360Nd + 4

2He ()

Decaimento

0

10

20

30

40

50

60

70

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Tempo (meias-vidas)

Nú

me

ro d

e át

om

os

Pai Filho

ParaPara Isotópos Isotópos RadioativRadioativosos (Pa (Paii) :) : N = NN = N00 e e --tt

N = N = quantidade de isotópo quantidade de isotópo radioativradioativoo (parent) (parent) num determinado tempo num determinado tempo t t

NN00 = = Quantidade Quantidade iniiniccial ial do isotópo do isotópo radioativ radioativoo (parent) (parent) antes de iniciar o decaimentoantes de iniciar o decaimento

= = Constante de decaimento radioativo (Constante de decaimento radioativo (radioactive decay constantradioactive decay constant))

t = t = ttempo gasto desde que iniciou o decaimento radioativo empo gasto desde que iniciou o decaimento radioativo

  Para isotópos Para isotópos RadiogRadiogêênicnicos os (Daughter) (Daughter) :: D = DD = D0 0 + D+ D**

DD == quantidade de isotópo filho quantidade de isotópo filho (daughter)(daughter)num determinado tempo tnum determinado tempo t

DD0 0 == Quantidade inicial de isotópo radiogênico no sistemaQuantidade inicial de isotópo radiogênico no sistema

DD** = = Quantidade de isotópo Quantidade de isotópo radiogradiogêênicnico produzido pelo decaimento o produzido pelo decaimento radioativ radioativoo

Equação do decaimento Radioativo :

Tempo para Np Np/22/10

0

2t

pp eN

N

2/12

1ln t

2/12ln t

693.2ln

2/1 t

Meia Vida

Equação de Decaimento

pp Nt

N

t

N

N

p

p

CtN p ln

tN

N

p

p

0

ln

Com t = 0 Np=Np0 então C = ln Np

0

tpp eNN 0

DD** = N = N00 – N – N N = NN = N00 e e--t t NN00 = N e = N et t

DD** = N e = N et t - N - N DD** = N (e = N (et t - 1)- 1)

D =D = DD00 + D + D** D = DD = D00 + N (e + N (et t - 1)- 1)

Isotopos Isotopos RadioativRadioativosos (parent) (parent) Isotópos Isotópos RadiogRadiogêênicnicosos (daughter) (daughter)    8787Rb Rb 8787SrSr 147147Sm Sm 143143NdNd 238238U U 206206PbPb 235235U U 207207PbPb 232232Th Th 208208PbPb

((8787Sr) = (Sr) = (8787Sr)Sr)00 + ( + (8787Rb) (eRb) (e(87Rb)t(87Rb)t-1)-1)

((143143Nd) = (Nd) = (143143Nd)Nd)00 + ( + (147147Sm) (eSm) (e(147Sm)t(147Sm)t-1)-1)

((206206Pb) = (Pb) = (206206Pb)Pb)00 + ( + (238238U) (eU) (e(238U)t(238U)t-1)-1)

((207207Pb) = (Pb) = (207207Pb)Pb)00 + ( + (235235U) (eU) (e(235U)t(235U)t-1)-1)

((208208Pb) = (Pb) = (208208Pb)Pb)00 + ( + (232232Th) (eTh) (e(232Th)t(232Th)t-1)-1)

Parâmetros de Parâmetros de DecDecaimento relativos aimento relativos aos sistemasaos sistemas

Rb-Sr, Sm-Nd, U-Pb ve Th-PbRb-Sr, Sm-Nd, U-Pb ve Th-PbDecay EquationsDecay Equations DecayDecay

Constants Constants (y(y-1-1))

Half-lifeHalf-life (y)(y)

ReferencReference e

IsotopeIsotope

8787Rb Rb 8787Sr + Sr + -- 1.42 x 101.42 x 10-11-11 48.8 x 1048.8 x 1099 8686SrSr

147147Sm Sm 143143Nd + Nd + 6.54 x 106.54 x 10-12-12 106 x 10106 x 1099 144144NdNd

238 238 U U 206 206 Pb + 8 Pb + 8 1.5511 x 101.5511 x 10-10-10 4.268 x 104.268 x 1099 204204PbPb

235 235 U U 207 207 Pb + 7 Pb + 7 9.8485 x 109.8485 x 10-10-10 0.7038 x 100.7038 x 1099 204204PbPb

232 232 Th Th 208 208 Pb + 6 Pb + 6 4.9475 x 104.9475 x 10-11-11 14.010 x 1014.010 x 1099 204204PbPb

((8787Sr) = (Sr) = (8787Sr)Sr)00 + ( + (8787Rb) (eRb) (e(87Rb)t(87Rb)t-1)-1)(143(143Nd) = (Nd) = (143143Nd)Nd)00 + ( + (147147Sm) (eSm) (e(147Sm)t(147Sm)t-1)-1)

(206(206Pb) = (Pb) = (206206Pb)Pb)00 + ( + (238238U) (eU) (e(238U)t(238U)t-1)-1) D = DD = D00 + +

DD**

(207(207Pb) = (Pb) = (207207Pb)Pb)00 + ( + (235235U) (eU) (e(235U)t(235U)t-1)-1)(208(208Pb) = (Pb) = (208208Pb)Pb)00 + ( + (232232Th) (eTh) (e(232Th)t(232Th)t-1)-1)

((8787Sr/Sr/8686Sr) = (Sr) = (8787Sr/Sr/8686Sr)Sr)00 + + ((8787Rb/Rb/8686Sr) (eSr) (e(87Rb)t(87Rb)t-1)-1)

((143143Nd/Nd/144144Nd) = (Nd) = (143143Nd/Nd/144144Nd)Nd)00 + ( + (147147Sm/Sm/144144Nd) (eNd) (e(147Sm)t(147Sm)t-1)-1)

((206206Pb/Pb/204204Pb) = (Pb) = (206206Pb/Pb/204204Pb)Pb)00 + ( + (238238U/U/204204Pb) (ePb) (e(238U)t(238U)t-1)-1)

((207207Pb/Pb/204204Pb) = (Pb) = (207207Pb/Pb/204204Pb)Pb)00 + ( + (235235U/U/204204Pb) (ePb) (e(235U)t(235U)t-1)-1)

((208208Pb/Pb/204204Pb) = (Pb) = (208208Pb/Pb/204204Pb)Pb)00 + ( + (232232Th/Th/204204Pb) (ePb) (e(232Th)t(232Th)t-1)-1)

y = a + x . by = a + x . b

Equação da isocrónaEquação da isocróna

Em geologia, uma prática comum é normalizar a abundância dos isotópos radioativos (pai) e radiogênicos (filhos) por um isotópo estavél do elemento radiogênico, que é chamado de

“isotópo de referência”

Radioativos/RadiogênicosRadioativos/Radiogênicos

147147SmSm 143143NdNd

8787RbRb 8787SrSr

187187ReRe 187187OsOs

176176LuLu 176176HfHf

235235UU 207207PbPb

238238UU 206206PbPb

232232ThTh 208208PbPb

4040KK 4040ArAr

138138LaLa 138138BaBa

Nuclídeo Radioativo

Abundância Natural (%)

Nuclídeo Radiogênico

Tipo de Decaimento

Constante de Desintegração

Meia Vida (anos) – T½

Potássio 40 0,01167 Argônio 40

Cálcio 40

Captura K

0,581 10-10 anos-1

4,962 10-10 anos-1

1,25 109

Rubídio 87 27,85 Estrôncio 87 1,42 10-11 anos-1 48,8 109

Samário 147 14,97 Neodímio 143 0,654 10-11 anos-1 106,0 109

Lutécio 176 2,59 Háfnio 176 1,98 10-11 anos-1 35,0 109

Rênio 187 62,93 Ósmio 187 1,61 10-11 anos-1 43,0 109

Tório 232 100,0 Chumbo 208 6 + 4 4,947 10-11 anos-1 14,0 109

Urânio 235 0,72 Chumbo 207 7 + 4 9,848 10-10 anos-1 0,704 109

Urânio 238 99,27 Chumbo 206 8 + 6 1,551 10-10 anos-1 4,47 109

Nuclídeo Radioativo

Abundância Natural (%)

Nuclídeo Radiogênico

Tipo de Decaimento

Constante de Desintegração

Meia Vida (anos) – T½

Potássio 40 0,01167 Argônio 40

Cálcio 40

Captura K

0,581 10-10 anos-1

4,962 10-10 anos-1

1,25 109

Rubídio 87 27,85 Estrôncio 87 1,42 10-11 anos-1 48,8 109

Samário 147 14,97 Neodímio 143 0,654 10-11 anos-1 106,0 109

Lutécio 176 2,59 Háfnio 176 1,98 10-11 anos-1 35,0 109

Rênio 187 62,93 Ósmio 187 1,61 10-11 anos-1 43,0 109

Tório 232 100,0 Chumbo 208 6 + 4 4,947 10-11 anos-1 14,0 109

Urânio 235 0,72 Chumbo 207 7 + 4 9,848 10-10 anos-1 0,704 109

Urânio 238 99,27 Chumbo 206 8 + 6 1,551 10-10 anos-1 4,47 109

Crescimento do Isotópo Radiogênico

ppd NNN 0*

tpp eNN 0

1* tpp

tpd eNNeNN

10 tpdd eNNN

*0ddd NNN se há isótopo radiogênico no início

10

t

sd

p

sd

d

sd

d eN

N

N

N

N

N

Aplicação no Método Rb-Sr

87Rb 85Rb

+1 ion

84Sr 86Sr 87Sr 88Sr

+2 ion

87Rb 86Sr + e- decaimento beta

186

87

86

87

86

87

0

te

Sr

Rb

Sr

Sr

Sr

Sr

= 1.42 E-11 yr-1 t = 48.8 E9 yr

Construção da Isócrona Rb-Sr

186

87

86

87

86

87

0

te

Sr

Rb

Sr

Sr

Sr

Sr

XmYY 0

1 tem

1ln

mt

0.600

0.650

0.700

0.750

0.800

0.850

0.900

0.950

1.000

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50

Rb-87/Sr-86

Sr-

87

/Sr-

86

A B C 0 Ma 500 Ma 1000 Ma 4000 Ma

Initial Formation

Measured today

Metamorfismo

Tempo GeológicoHoje

tign xyst

Sr

Sr86

87

xystignSr

Sr86

87

tmet

metSr

Sr86

87

BABI0.69897

0.7014

0.70340.7045

0.714

0.7211

0.6950

0.7000

0.7050

0.7100

0.7150

0.7200

0.7250

00.511.522.533.544.55

T (Ga)

87S

r/8

6S

r

Manto [Rb/Sr = 0.03]

Crosta Continental [ Rb/Sr = 0.17]

39K 40K 41K

+1 ion

36Ar 38Ar 39Ar 40Ar

89% decaimento beta 40K 40Ca + e-

= 4.962E-11 yr-1

11% captura de electron 40K + e- 40Ar

e = 0.581E-10 yr-1

Total T = 5.543-10 yr-1

Método Potássio-Argônio

Equação da idade K-Ar

11

40

40

e

T

T K

Art

1400

4040 t

T

e TeKArAr

Temperatura de Retenção

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 10 100 1000 10000

Distância do contato

Idad

e K

-Ar

(Ma

)

Hnbd Biotita Kspar

Taxas de Resfriamento

250°C

500°C Hornblende98 Ma

Biotite88 Ma

Biotitelosing Ar

250°C10 Ma

40Ar-39Ar

Fração de 39Ar

Idad

e (M

a)

Idade Plateau

Análises donúcleo

Análises dasbordas

147Sm

+3 ion

143Nd 144Nd

+3 ion

147Sm 143Nd + 4He decaimento alpha

1144

147

144

143

144

143

0

te

Nd

Sm

Nd

Nd

Nd

Nd

= 0.654 E-11 yr-1 t = 106 E9 yr

Método Samário-Neodímio

Idade Modelo TCHUR

1144

147

144

143

144

143

t

CHURCHURCHUR

eNd

Sm

Nd

Nd

Nd

Nd

todaytodayt

CHondritic Uniform Reservoir

4

144

143

144

143

101

CHUR

sampleNd

NdNd

NdNd

Reservatórios de Nd

0.506

0.507

0.508

0.509

0.510

0.511

0.512

0.513

0.514

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

Time (Ga)

Nd

-14

3/N

d-1

44

CHUR mafic DM

Diagrama de Evolução Isotópica de Nd

238U 235U

+2 ion, +4 ion

206Pb 207Pb 208Pb 204Pb

+2 ion

238U 8 = 1.55125 E-10 yr-1 t½ = 4.468 E9 yr

Sistema U-Th-Pb

232Th

+4 ion

235U 5 = 9.8485 E-10 yr-1 t½ = 0.7038 E9 yr

232Th 2 = 14.010 E-10 yr-1 t½ = 4.9475 E9 yr

92

234U

238U

91 234Pa

90230Th

234Th

89

.

.

88226Ra

87

.

.

86

218Rn

222Rn apha decay

85 218At beta decay

84

210Po

214Po

218Po years

83 210Bi

214Bi days

82

206Pb

210Pb

214Pb minute or less

81

206Tl

210Tl

80206Hg

124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146

Decaimento 238U

N

Z

Equações Isocrônicas

18

204

238

0204

206

204

206

t

measured

ePb

U

Pb

Pb

Pb

Pb

15

204

235

0204

207

204

207

t

measured

ePb

U

Pb

Pb

Pb

Pb

12

204

232

0204

208

204

208

t

measured

ePb

Th

Pb

Pb

Pb

Pb

0

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

2.4

2.8

3.2

3.6

4.0

4.4

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Pb207/U235

Pb

206/

U23

8

Concordia Discordia

Diagrama da Concórdia

tformation

tloss ?

Pb lossU gain

U loss

8

10

12

14

16

18

20

8 10 12 14 16 18 20 22 24

Pb-206/Pb-204

Pb

-207

/Pb

-204

mu12 mu10 mu8 0 2.0 Ga 3.5Ga

Pb comum

Primeval Pb

A Geocronologia se desenvolveu paralelamente à evolução dos conhecimentos da Física Nuclear

Os métodos de datação geocronológicos se baseiam nos conhecimentos sobre as propriedades radioativas dos elementos

As idades obtidas pelos métodos geocronológicos são calculadas a partir das quantidades de isótopos radioativos e radiogênicos presentes em rochas ou minerais.

Conclusões