Strontium (Sr) Überblick über die Geochemie
Das Element Strontium hat vier natürlich vorkommende Isotope: 84Sr, 86Sr, 87Sr, und 88Sr. Nur 87Sr ist radiogen – produziert durch den β-Zerfall von 87mit einer Halbwertszeit von 48,8 Milliarden Jahren. Das am häufigsten vorkommende Strontiumisotop ist 88Sr, das etwa 83 % des natürlich vorkommenden Strontiums ausmacht; gefolgt von 10% 86Sr, 7% 87Sr und <1% 84Sr. Bei geologischen und Umweltuntersuchungen wird aufgrund ihrer ähnlichen Häufigkeit typischerweise das Verhältnis von 87Sr/86Sr verwendet – 7% bzw. 10%.
Die vier Strontium-Isotopenarten. Das Verhältnis 87Sr/86Sr wird üblicherweise in geochemischen Studien verwendet
Strontium ist ein allgegenwärtiges Spurenelement, das in Gesteinen, Böden, Gewässern, Pflanzen und Tieren vorkommt. Das 87Sr/86Sr-Verhältnis ist eine Funktion des geochemischen Ursprungs, der Rb-Konzentration und des Alters des Ausgangsgesteins. Aufgrund der hohen Masse von Sr bleibt das Verhältnis im Wesentlichen unverändert, wenn das Gestein verwittert und sich durch den Wasserkreislauf und die Nahrungskette bewegt. Daher wird das 87Sr/86Sr-Verhältnis ausgiebig bei geochemischen Fingerabdrücken, Quellenverfolgung, Kontaminationsvorhersage und Migrations-/Mobilitätsstudien verwendet. Eine systematische Änderung des 87Sr/86Sr-Verhältnisses von Meerwasser im Laufe der Zeit hat eine Grundlage für die Strontium-Stratigraphie und Strontium-Chronologie mariner biogener Karbonate und Phosphate geschaffen.
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Archäologie
Strontium-Isotopenverhältnis (87Sr/86Sr) menschlicher Milchzähne, das die menschliche Mobilität in Süditalien während der Gravettien- und Epigravettien-Perioden (32157-19097 Jahre cal BP) über das letzte Eiszeit-Maximum zeigt. Adaptiert von Lugli et al., 2019.
Jede Region der Welt weist ein spezifisches 87Sr/86Sr-Verhältnis auf, basierend auf der umgebenden Geologie und den Wasserquellen. Die Geologie und damit die Böden, haben eine spezifischeThe geology and in turn soils have a specific 87Sr/86Sr-Signatur, die mit ihrem Ursprung verbunden ist. Daher erben Menschen, Pflanzen und andere Tiere die Sr-Isotopensignatur ihres Lebensraums, da Sr zusammen mit anderen Elementen (z. B. Ca) in ihre Zellen eingebaut wird.
Wenn sich Menschen und Tiere von einem Lebensraum zum anderen bewegen, können sie verschiedenen Wasser- und Nahrungsquellen (Pflanze und Tier) ausgesetzt sein. Die Messung des 87Sr/86Sr-Verhältnisses in menschlichen und tierischen Knochen und Haaren ist ein leistungsstarkes Werkzeug zur Verfolgung von Mobilität und Migration. Beispielsweise kann die Analyse von 87Sr/86Sr in menschlichen Zähnen Aufschluss über den Geburtsort geben, da wir sowohl mit bleibenden, als auch mit provisorischen Zähnen geboren werden. Darüber hinaus können 87Sr/86Sr von Haaren und Nägeln, die ständig regeneriert werden, Hinweise auf den Ort im späteren Leben vor dem Tod geben.
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Die Verwendung der Isotopenanalyse an Knochen: Datierung, Umweltanalyse und Migration
Grundwasser
Salzwassereinbruch in den Grundwasserleiter von Biscayne, wie durch das Strontium-Isotopenverhältnis (87Sr/86Sr) von Wasserproben angezeigt, die 2009 in Miami-Dade County entnommen wurden. Daten von Prinos et al., 2014.
Physikalische Prozesse wie Verwitterung verursachen keine Fraktionierung in Strontiumisotope. Da das 87Sr/86Sr-Verhältnis nicht durch Verwitterung beeinflusst wird, enthält es die Signatur der umgebenden Gesteinsformationen und daher kann auch die Art der verwitterten Gesteine analysiert werden.
Darüber hinaus spiegelt das 87Sr/86Sr-Verhältnis des Grundwassers die Isotopensignatur des Quellwassers und der Felsformationen entlang seines Fließwegs wider. Die Verwendung des Sr-Isotopenverhältnisses zusammen mit der Sr-Konzentration im Wasser ist eine leistungsstarke Methode, um die Vermischung und Verunreinigung des Grundwassers, sowie das Eindringen von Salzwasser zu verfolgen.
Beispielsweise können Strontium-Konzentration und Isotopenwerte verwendet werden, um die Quelle und das Kontaminationsniveau innerhalb von Grundwasserprofilen zu verfolgen, demonstriert von Nigro et al. (2017).
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Geochronologie-Stratigraphie
Strontium-Isotopenverhältnis ( 87 Sr/ 86 Sr) von Meerwasser während geologischer Zeit basierend auf Analysen von Massensedimenten, unveränderten Brachiopoden, Belemniten, Conodonten und Foraminiferenproben von verschiedenen Orten auf der ganzen Welt. Der rote Bereich bezeichnet das 95-Prozent-Konfidenzintervall. Adaptiert von McArthur et al., 2001.
Bei der Ausfällung von marinen biogenen Karbonaten und Phosphaten wird Strontium aus dem Meerwasser mit einem 87Sr/86Sr-Verhältnis aufgenommen, das mit dem ozeanischen Wert zum Zeitpunkt der Inkorporation identisch ist. Dieses 87Sr/86Sr-Verhältnis des Ozeans variiert im Laufe der Zeit, wodurch eine vorhersagbare Meerwasserkurve entsteht, die zur Datierungskalibrierung verwendet werden kann. Diese Meerwasser-Sr-Kurve wurde in den letzten 850 Millionen Jahren unter Verwendung von Foraminiferen-Kalzit, Belemnit-Wächtern, Ammonit-Aragonit, Atoll-Karbonaten und Meereszement entwickelt (McArthur et al. 2012).
Indem das 87Sr/86Sr-Verhältnis in der Probe gemessen und auf die Standard-Meerwasser-Sr-Kurve gelegt wird, kann das Alter der Probe (Meeresmineralien) bestimmt werden. Diese Methode funktioniert am besten für Zeiträume mit langfristigen unidirektionalen Verschiebungen im87Sr/86Sr-Verhältnis, wie z. B. im Tertiär, kann aber technisch über die letzten 600 Millionen Jahre funktionieren. Diese Methode ergibt eine maximale zeitliche Auflösung von 1 Million Jahren.
Forensik
87Sr/86Sr-Sortimente von geologischen Substraten (offene Boxen) und Weine (gefüllte Boxen) aus den Weinbergen auf demselben Substrat in verschiedenen Regionen Italiens. Neu gezeichnet von Marchionni et al., 2013.
Das Konzept „Wir sind, was wir essen“ ist sehr zutreffend, wenn es um die Isotopensignatur lebender Organismen geht. Die Zellen von Menschen, Pflanzen und anderen Tieren spiegeln die Isotopensignatur der Nahrung und des Wassers aus ihren Lebensräumen wider, einschließlich der Strontiumsignatur von 87Sr/86Sr. Diese Qualität wurde in der forensischen Wissenschaft erfolgreich für den geochemischen Fingerabdruck von Betäubungsmitteln eingesetzt, um den ethnischen Hintergrund eines in einer Gesellschaft lebenden Individuums zu untersuchen, das Migrationsmuster von Gemeinschaften zu verfolgen, den Ort des Todes zu bestimmen und Lebensmittelverfälschungen aufzuspüren, insbesondere in der Weinindustrie. Diese Technik ähnelt der, die von archäologischen Forschern verwendet wird, um die Migration von Menschen, den Handel mit Waren und die Merkmale des Lebensstils früherer Zivilisationen zu identifizieren.
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Öl Industrie
Strontium-Isotopen-Verhältnisse von Restsalzen in der Ölschicht aus der unteren Jura-Tilje-Formation, Norwegen, zeigen, dass Schieferschichten Ölreservoirs kompartimentieren. Einige Schichten sind wirksamere Barrieren gegen das Mischen von Erdöl als andere. Modifiziert nach Peters et al., 2005.
Der geochemische Sr-Fingerabdruck hat eine Vielzahl von Anwendungen in der Ölindustrie. Da verschiedene geologische Formationen spezifische Sr-Isotopensignaturen aufweisen, kann das 87Sr/86Sr -Verhältnis verwendet werden, um die Ölmigration und -vermischung zwischen geologischen Einheiten und ihre Kompartimentierungseffizienz zu untersuchen. Das Sr-Isotopenverhältnis wird auch häufig für die Rückverfolgung von Produktionswasser und die Isotopenstratigraphie verwendet.
Verweise
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Lugli, F., Cipriani, A., Capecchi, G., Ricci, S., Boschin, F., Boscato, P., Iacumin, P., Badino, F., Mannino, M.A., Talamo, S. and Richards, M.P., (2019). Strontium and stable isotope evidence of human mobility strategies across the Last Glacial Maximum in southern Italy. Nature ecology & evolution, 3(6), pp.905-911. DOI: 10.1038/s41559-019-0900-8
Marchionni, S., Braschi, E., Tommasini, S., Bollati, A., Cifelli, F., Mulinacci, N., Mattei, M. and Conticelli, S., (2013). High-precision 87Sr/86Sr analyses in wines and their use as a geological fingerprint for tracing geographic provenance. Journal of agricultural and food chemistry, 61(28), pp.6822-6831. DOI: 10.1021/jf4012592
McArthur, J.M., Howarth, R.J. and Bailey, T.R., (2001). Strontium isotope stratigraphy: LOWESS version 3: best fit to the marine Sr-isotope curve for 0–509 Ma and accompanying look-up table for deriving numerical age. The Journal of Geology, 109(2), pp.155-170. DOI: 10.1086/319243
McArthur, J.M., Howarth, R.J. and Shields, G.A., 2012. Strontium isotope stratigraphy. The geologic time scale, 1, pp.127-144.
Nigro, A., Sappa, G. and Barbieri, M., (2017). Strontium isotope as tracers of groundwater contamination. Procedia Earth and Planetary Science, 17, pp.352-355. DOI: 10.1016/j.proeps.2016.12.089
Peters, K.E., Walters, C.C. and Moldowan, J.M., (2007). The biomarker guide: Volume 1, Biomarkers and isotopes in the environment and human history. Cambridge university press.
Prinos, S.T., Wacker, M.A., Cunningham, K.J. and Fitterman, D.V., (2014). Origins and delineation of saltwater intrusion in the Biscayne aquifer and changes in the distribution of saltwater in Miami-Dade County, Florida (No. 2014-5025). US Geological Survey. DOI: 10.3133/sir20145025