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5.2.1 : Isotopes radioactifs - Biologie

5.2.1 : Isotopes radioactifs - Biologie


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Rappelons qu'un atome est le plus petit composant d'un élément qui conserve toutes les propriétés chimiques de cet élément (voir Matière). Comme discuté précédemment, les atomes contiennent neutrons et chargé positivement protons dans le noyau. Chargé négativement électrons entourent le noyau. Les masse atomique d'un atome est déterminé par le nombre de protons et de neutrons car la masse des électrons est négligeable. Chaque proton ou neutron pèse 1 unité de masse atomique (AMU). Les valeurs de masse atomique affichées dans le tableau périodique des éléments ne sont pas des nombres entiers car elles représentent la masse atomique moyenne des atomes de cet élément (figure (PageIndex{a})). Les atomes d'un même élément n'ont pas nécessairement la même masse car ils peuvent différer en nombre de neutrons.

Figure (PageIndex{a}) : Le nombre entier dans chaque cellule du tableau périodique est le numéro atomique ou le nombre de protons. Le nombre de masse atomique est également indiqué, qui est le nombre moyen de protons et de neutrons. Images recadrées et étiquetées à partir de Centre national d'information sur la biotechnologie (domaine public).

Isotopes sont différentes formes du même élément qui ont le même nombre de protons, mais un nombre différent de neutrons. Certains éléments, tels que le carbone, le potassium et l'uranium, ont des isotopes naturels. Le carbone-12, l'isotope le plus courant du carbone, contient six protons et six neutrons. Par conséquent, il a un nombre de masse de 12 (six protons et six neutrons) et un numéro atomique de 6 (ce qui en fait du carbone). Le carbone 14 contient six protons et huit neutrons. Par conséquent, il a un nombre de masse de 14 (six protons et huit neutrons) et un numéro atomique de 6, ce qui signifie qu'il est toujours l'élément carbone. Ces deux formes alternatives de carbone sont des isotopes. Certains isotopes sont instables et émettent un rayonnement sous forme de particules et d'énergie pour former des éléments plus stables. Certaines formes de rayonnement sont dangereuses. Ceux-ci sont appelés Isotopes radioactifs ou des radio-isotopes (figure (PageIndex{b})). Pendant désintégration radioactive, un type d'atome peut ainsi se transformer en un autre type d'atome (figure (PageIndex{c})).

Figure (PageIndex{b}) : Isotopes de l'hydrogène. Tous ces atomes ont un proton, mais le protium n'a pas de neutrons, le deutérium a un neutron et le tritium a deux neutrons. Image du National Isotope Development Center/U.S. Department of Energy Isotope Program (domaine public).

Figure (PageIndex{c}) : UNE isotope radioactif de carbone (carbone-14) a six protons et huit neutrons. Il se désintègre en un isotope stable de l'azote (azote-14), qui a sept protons et sept neutrons. Le carbone 14 se désintègre à un rythme prévisible, la moitié se désintégrant tous les 5730 ans. Parce que le carbone est abondant dans les organismes, ce taux de décomposition prévisible est couramment utilisé pour dater les fossiles. Image du CDC (domaine public).

Demi-vie

Les demi-vie est le temps qu'il faut pour que la moitié de l'isotope radioactif d'origine se désintègre (figure (PageIndex{d})). Par exemple, la demi-vie de l'uranium-238 est d'environ 4,5 milliards d'années. Après 4,5 milliards d'années, il ne restera que la moitié (50 %) de la quantité initiale d'uranium 238. Le reste se sera désintégré en thorium-234 (qui est également radioactif et se désintègre rapidement en une série d'isotopes radioactifs, jusqu'à ce qu'il devienne finalement du plomb-206, qui est stable ; figure (PageIndex{e-f})). Après deux demi-vies (9 milliards d'années), il ne resterait que la moitié des 50 % (25 % de l'original). Après trois demi-vies, il ne resterait que 12,5 % de l'uranium 238 d'origine.

Figure (PageIndex{d}) : Après chaque demi-vie, 50 % d'un isotope radioactif se désintègre. Après une demi-vie, il reste 50 % (1/2 ; 0,5) d'un isotope radioactif. Après deux demi-vies, il ne reste que 25 % de l'isotope radioactif d'origine. Image de Fraknoi, Morrison et Wolff/OpenStax (CC-BY). Accès gratuit sur openstax.org.

Figure (PageIndex{e}) : Lorsque l'uranium-238 instable se désintègre, il émet une particule alpha (α), qui est constituée de deux protons et de deux neutrons. Cela le change en un nouvel élément (thorium-234). Image par OpenStax (CC-BY). Téléchargez gratuitement sur openstaxcollege.org.

Figure (PageIndex{f}) : La chaîne de désintégration de l'uranium-238. La masse, le numéro atomique et la demi-vie de chaque isotope sont répertoriés dans l'ordre, à droite du symbole atomique. Chaque flèche est étiquetée avec le type de rayonnement émis : un rayonnement alpha (α), qui correspond à deux protons et deux neutrons, ou un rayonnement bêta (β), qui est un électron de haute énergie. La désintégration continue jusqu'à se terminer par un isotope stable (non radioactif), le plomb (Pb-206). Image de Tosaka (CC-BY).

EVOLUTION EN ACTION : Datation au carbone

Carbone-14 (14C) est un radio-isotope naturel qui est créé dans l'atmosphère par les rayons cosmiques. Il s'agit d'un processus continu, donc plus 14C est toujours en cours de création. Au fur et à mesure qu'un organisme vivant se développe, le niveau relatif de 14Le C dans son corps est égal à la concentration de 14C dans l'atmosphère. Lorsqu'un organisme meurt, il n'ingère plus 14C, donc le ratio va baisser. 14C se désintègre en 14N par un processus appelé désintégration bêta ; il dégage de l'énergie dans ce processus lent (figure (PageIndex{c})). Après environ 5 730 ans, seulement la moitié de la concentration initiale de 14C aura été converti en 14N. Le temps qu'il faut pour que la moitié de la concentration initiale d'un isotope se désintègre en sa forme la plus stable s'appelle sa demi-vie.

Parce que la demi-vie de 14C est long, il est utilisé pour vieillir des objets autrefois vivants, comme des fossiles. En utilisant le rapport de la 14concentration de C trouvée dans un objet à la quantité de 14C détecté dans l'atmosphère, la quantité d'isotope qui ne s'est pas encore désintégrée peut être déterminée. Sur la base de ce montant, l'âge du fossile peut être calculé à environ 50 000 ans (figure (PageIndex{g}) ci-dessous). Les isotopes à demi-vie plus longue, comme le potassium-40, sont utilisés pour calculer l'âge des fossiles plus anciens. Grâce à l'utilisation de la datation au carbone, les scientifiques peuvent reconstituer l'écologie et la biogéographie des organismes vivant au cours des 50 000 dernières années.

Figure (PageIndex{g}) : L'âge des restes contenant du carbone et âgés de moins de 50 000 ans, comme ce mammouth pygmée, peut être déterminé à l'aide de la datation au carbone. (crédit : Bill Faulkner/ NPS)

Réactions de fission nucléaire

Réactions de fission nucléaire sont celles qui impliquent la division du noyau d'un atome (figure (PageIndex{h})). Ils peuvent être induits par le dynamitage d'éléments radioactifs avec des neutrons. Comme pour la décroissance radioactive naturelle, les réactions de fission nucléaire induites libèrent de l'énergie. L'énergie thermique dégagée lors de la fission nucléaire peut être utilisée pour produire de l'électricité. C'est la base de l'énergie nucléaire. Actuellement, uranium-235 (235U ; un isotope de l'uranium de masse atomique 235) est actuellement utilisé comme combustible pour les réactions de fission nucléaire (figure (PageIndex{h})).

Figure (PageIndex{h}) : La fission nucléaire consiste à diviser le noyau d'un atome, mais la fusion nucléaire consiste à combiner des noyaux plus petits en un plus gros. Image de Sarah Harmann/États-Unis Département de l'énergie (domaine public).

Figure (PageIndex{i}) : Fission de l'uranium-235 (235U) peut être induit en le bombardant avec un neutron. Cela produit de l'U-236, qui est instable et se divise en fragments de fission et en neutrons supplémentaires. De l'énergie est libérée en conséquence. Les sphères rouges sont des neutrons et les sphères bleues sont des protons. Image de BC Open Textbooks (CC-BY).

Attribution

Modifié par Melissa Ha de Matter de Biologie environnementale par Matthew R. Fisher (sous licence CC-BY)


Isotope radioactif

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Isotope radioactif, aussi appelé radio-isotope, radionucléide, ou nucléide radioactif, l'une quelconque de plusieurs espèces du même élément chimique avec des masses différentes dont les noyaux sont instables et dissipent l'excès d'énergie en émettant spontanément un rayonnement sous forme de rayons alpha, bêta et gamma.

Qu'est-ce qu'un isotope radioactif ?

Un isotope radioactif, également connu sous le nom de radio-isotope, radionucléide ou nucléide radioactif, est l'une quelconque de plusieurs espèces du même élément chimique avec des masses différentes dont les noyaux sont instables et dissipent l'excès d'énergie en émettant spontanément un rayonnement sous forme d'alpha, bêta et rayons gamma. Chaque élément chimique possède un ou plusieurs isotopes radioactifs. Par exemple, l'hydrogène, l'élément le plus léger, a trois isotopes, qui ont les numéros de masse 1, 2 et 3. Seul l'hydrogène-3 (tritium), cependant, est un isotope radioactif, les deux autres sont stables. Plus de 1800 isotopes radioactifs des différents éléments sont connus. Certains d'entre eux se trouvent dans la nature, les autres sont produits artificiellement en tant que produits directs de réactions nucléaires ou indirectement en tant que descendants radioactifs de ces produits. Chaque isotope radioactif « parent » finit par se désintégrer en un ou au plus quelques « filles » d'isotopes stables spécifiques à ce parent.

Comment sont produits les isotopes radioactifs ?

Il existe plusieurs sources d'isotopes radioactifs. Certains isotopes radioactifs sont présents sous forme de rayonnement terrestre. Les isotopes radioactifs du radium, du thorium et de l'uranium, par exemple, se trouvent naturellement dans les roches et le sol. L'uranium et le thorium sont également présents à l'état de traces dans l'eau. Le radon, généré par la désintégration radioactive du radium, est présent dans l'air. Les matières organiques contiennent généralement de petites quantités de carbone radioactif et de potassium. Le rayonnement cosmique du Soleil et d'autres étoiles est une source de rayonnement de fond sur Terre. D'autres isotopes radioactifs sont produits par l'homme via des réactions nucléaires, qui entraînent des combinaisons instables de neutrons et de protons. Une façon d'induire artificiellement la transmutation nucléaire consiste à bombarder des isotopes stables avec des particules alpha.

Comment les isotopes radioactifs sont-ils utilisés en médecine ?

Les isotopes radioactifs ont de nombreuses applications utiles. En particulier, ils sont au cœur des domaines de la médecine nucléaire et de la radiothérapie. En médecine nucléaire, les radio-isotopes traceurs peuvent être pris par voie orale ou être injectés ou inhalés dans le corps. Le radio-isotope circule dans l'organisme ou n'est capté que par certains tissus. Sa distribution peut être suivie en fonction du rayonnement qu'il émet. En radiothérapie, les radio-isotopes sont généralement utilisés pour détruire les cellules malades. La radiothérapie est couramment utilisée pour traiter le cancer et d'autres affections impliquant une croissance tissulaire anormale, telles que l'hyperthyroïdie. Des faisceaux de particules subatomiques, telles que des protons, des neutrons ou des particules alpha ou bêta, dirigés vers les tissus malades peuvent perturber la structure atomique ou moléculaire des cellules anormales, provoquant leur mort. Les applications médicales utilisent des radio-isotopes artificiels qui ont été produits à partir d'isotopes stables bombardés de neutrons.

Un bref traitement des isotopes radioactifs suit. Pour un traitement complet, voir isotope : isotopes radioactifs.

Chaque élément chimique possède un ou plusieurs isotopes radioactifs. Par exemple, l'hydrogène, l'élément le plus léger, a trois isotopes avec les numéros de masse 1, 2 et 3. Seul l'hydrogène-3 (tritium), cependant, est un isotope radioactif, les deux autres étant stables. Plus de 1 000 isotopes radioactifs des différents éléments sont connus. Environ 50 d'entre eux se trouvent dans la nature, le reste est produit artificiellement en tant que produits directs de réactions nucléaires ou indirectement en tant que descendants radioactifs de ces produits.

Les isotopes radioactifs ont de nombreuses applications utiles. En médecine, par exemple, le cobalt-60 est largement utilisé comme source de rayonnement pour arrêter le développement du cancer. D'autres isotopes radioactifs sont utilisés comme traceurs à des fins de diagnostic ainsi que dans la recherche sur les processus métaboliques. Lorsqu'un isotope radioactif est ajouté en petites quantités à des quantités comparativement importantes de l'élément stable, il se comporte exactement de la même manière que l'isotope ordinaire chimiquement, il peut cependant être tracé avec un compteur Geiger ou un autre dispositif de détection. L'iode-131 s'est avéré efficace dans le traitement de l'hyperthyroïdie. Un autre isotope radioactif médicalement important est le carbone-14, qui est utilisé dans un test respiratoire pour détecter les bactéries responsables des ulcères. Heliobacter pylori.


Comment la stabilité nucléaire est-elle liée au rapport neutron-proton ?

Le noyau est instable si le rapport neutron-proton est inférieur à 1:1 ou supérieur à 1,5.

Explication:

A courte distance, une force nucléaire forte existe entre les nucléons. Cette force d'attraction provient des neutrons.

Plus de protons dans le noyau ont besoin de plus de neutrons pour lier le noyau ensemble.

Le graphique ci-dessous est un graphique du nombre de neutrons en fonction du nombre de protons dans divers isotopes stables.

Les noyaux stables sont dans la bande rose connue sous le nom de ceinture de stabilité.

Ils ont un rapport neutron/proton compris entre 1:1 et 1,5.

Au fur et à mesure que le noyau grossit, les répulsions électrostatiques entre les protons s'affaiblissent.

La force nucléaire forte est environ 100 fois plus forte que les répulsions électrostatiques.

Il ne fonctionne que sur de courtes distances.

Après une certaine taille, la force forte n'est pas capable de maintenir le noyau ensemble.

L'ajout de neutrons supplémentaires augmente l'espace entre les protons.

Cela diminue leurs répulsions mais, s'il y a trop de neutrons, le noyau est à nouveau déséquilibré et se désintègre.


5.2.1 : Isotopes radioactifs - Biologie

De toutes les méthodes utilisées pour comprendre les processus hydrologiques dans les petits bassins versants, les applications de traceurs - en particulier les traceurs isotopiques - ont été les plus utiles pour fournir de nouvelles informations sur les processus hydrologiques. En effet, ils intègrent la variabilité à petite échelle pour donner une indication efficace des processus à l'échelle du bassin versant (McDonnell et Kendall, 1992 Buttle, 1994). En revanche, les mesures des points internes du bassin versant, telles que celles du niveau d'eau ou de la composition des eaux souterraines, ne peuvent pas être utilisées sans extrapolation ou hypothèses supplémentaires sur le comportement du bassin versant. Les isotopes sont également « appliqués » à l'échelle du bassin versant (c'est-à-dire qu'ils font partie de toutes les composantes du cycle hydrologique). En particulier, 18 O, 2 H et 3 H font partie intégrante des molécules d'eau naturelles qui tombent chaque année sous forme de pluie ou de neige (eau météorique) sur un bassin versant et, par conséquent, sont des traceurs idéaux de l'eau. Cette application gratuite, à long terme et à grande échelle de ces traceurs naturels permet aux hydrologues d'étudier la génération de ruissellement à des échelles allant des macropores aux pentes de collines aux cours d'eau de premier ordre et de niveau supérieur (Sklash, 1990).

Les isotopes environnementaux sont des isotopes naturels et anthropiques dont la large distribution dans l'hydrosphère peut aider à résoudre les problèmes hydrogéochimiques. Les utilisations typiques des isotopes environnementaux en hydrologie comprennent :

  • identification des mécanismes responsables de la génération des débits
  • tester des modèles d'écoulement et de bilan hydrique élaborés à l'aide de données hydrométriques
  • caractérisation des voies d'écoulement que l'eau suit à partir du moment où les précipitations touchent le sol jusqu'au rejet dans le cours d'eau
  • détermination des réactions d'altération qui mobilisent les solutés le long de ces voies d'écoulement
  • détermination du rôle des dépôts atmosphériques dans le contrôle de la chimie de l'eau
  • identification des sources de solutés dans les systèmes contaminés et
  • évaluation du cycle biologique des nutriments dans un écosystème

Avant d'aborder les principes fondamentaux de la géochimie isotopique, nous aimerions terminer cette introduction par une mise en garde présentée pour la première fois en 1983 lors d'un cours de courte durée sur l'hydrologie isotopique co-enseigné par Tyler B. Coplen et Carol Kendall aux scientifiques de l'US Geological Survey. . Cette note très appropriée a été répétée à chaque cours USGS ultérieur que nous avons enseigné :

2.2 Principes fondamentaux de la géochimie isotopique

La section suivante présente une très brève discussion des principes fondamentaux de la géochimie stable et des radio-isotopes, destinée à fournir aux lecteurs les informations de base nécessaires pour comprendre les chapitres suivants. La plupart des sujets ci-dessous sont abordés plus en détail dans des chapitres individuels. Pour plus d'informations sur la systématique isotopique, les lecteurs sont encouragés à consulter les ouvrages de référence isotopiques suivants : Clark et Fritz (1997), Dickin (1995), Faure (1986) et Gat et Gonfiantini (1981). Le premier d'entre eux est un manuel destiné aux étudiants en hydrogéologie de la division supérieure et des cycles supérieurs, et contient des ensembles de problèmes.

Les isotopes sont des atomes d'un même élément qui ont un nombre différent de neutrons. Les différences dans le nombre de neutrons parmi les divers isotopes d'un élément signifient que les divers isotopes ont des masses différentes. Le nombre en exposant à gauche de la désignation de l'élément est appelé le nombre de masse et est la somme du nombre de protons et de neutrons dans l'isotope (figure 2.1). Par exemple, parmi les isotopes de l'hydrogène, le deutérium (noté D ou 2 H) possède un neutron et un proton. Ce nombre de masse de 2 est approximativement égal à deux fois la masse du protium ( 1 H), alors que le tritium ( 3 H) possède deux neutrons et sa masse est approximativement trois fois la masse du protium. Les isotopes d'un même élément ont le même nombre de protons. Par exemple, tous les isotopes de l'oxygène ont 8 protons cependant, un atome d'oxygène avec une masse de 18 (noté 18 O) a 2 neutrons de plus que l'oxygène avec une masse de 16 ( 16 O). Les noms d'isotopes sont généralement prononcés avec le nom de l'élément en premier, comme dans "oxygène-18" au lieu de "18-oxygène". Dans de nombreux textes, en particulier les plus anciens composés sans exposant, le nombre de masse est indiqué à droite de l'abréviation de l'élément, comme dans C-13 ou C 13 pour le carbone-13.

Les compositions isotopiques originales des systèmes planétaires sont fonction des processus nucléaires dans les étoiles. Au fil du temps, les compositions isotopiques dans les environnements terrestres changent par les processus de désintégration radioactive, les interactions des rayons cosmiques, les fractionnements dépendant de la masse qui accompagnent les réactions inorganiques et biologiques et les activités anthropiques telles que le traitement des combustibles nucléaires, les accidents de réacteur et les essais d'armes nucléaires. . Les isotopes radioactifs (instables) sont des nucléides (atomes spécifiques aux isotopes) qui se désintègrent spontanément avec le temps pour former d'autres isotopes. Lors de la désintégration, les isotopes radioactifs émettent des particules alpha ou bêta et parfois aussi des rayons gamma. Les isotopes stables sont des nucléides qui ne semblent pas se désintégrer en d'autres isotopes à des échelles de temps géologiques, mais qui peuvent eux-mêmes être produits par la désintégration d'isotopes radioactifs.

Les nucléides naturels définissent un chemin dans le tableau des nucléides, correspondant à la plus grande stabilité du rapport neutron/proton ( N/Z ). Pour les nucléides de faible masse atomique, la plus grande stabilité est obtenue lorsque le nombre de neutrons et de protons est approximativement égal ( N = Z ) ce sont les isotopes dits stables (notés nucléides ombrés sur la figure 2.1). Cependant, à mesure que la masse atomique augmente, le rapport neutron/proton stable augmente jusqu'à N/Z = 1,5.La désintégration radioactive se produit lorsque les changements de N et Z d'un nucléide instable provoquent la transformation d'un atome d'un nucléide en celui d'un autre nucléide, plus stable ces nucléides radioactifs sont appelés nucléides instables (désignés comme les nucléides non ombrés dans la figure 2.1 ).

Les atomes produits par la désintégration radioactive d'autres nucléides sont appelés radiogènes. Quelques nucléides sont produits par le bombardement de rayons cosmiques de nucléides stables dans l'atmosphère et sont appelés cosmogéniques. D'autres nucléides peuvent être créés par l'ajout de neutrons produits par la désintégration alpha d'autres nucléides (activation neutronique). Alternativement, l'addition de neutrons peut déplacer un proton dans le noyau, créant un nucléide de même masse atomique mais de numéro atomique inférieur. Les nucléides produits par ces deux processus sont appelés lithogènes. Si le produit de filiation est radioactif, il se désintégrera pour former un isotope d'un autre élément. Ce processus se poursuivra jusqu'à ce qu'un nucléide stable soit produit. Par exemple, l'uranium et le thorium se désintègrent pour former d'autres radionucléides eux-mêmes radioactifs et se désintègrent en d'autres radionucléides, et ainsi de suite jusqu'à la formation d'isotopes stables du plomb (voir chapitre 20 pour les chaînes de désintégration de l'uranium). Bien que les termes nucléides parents et filles soient couramment utilisés, ces termes peuvent être trompeurs. Un seul atome est impliqué lors de la désintégration radioactive, c'est-à-dire que le nucléide fille est le même nucléide que l'atome parent. Cependant, après la désintégration radioactive, il a un nombre différent de neutrons dans son noyau.

Le changement du nombre de neutrons peut se produire de diverses manières (figure 2.1). Cependant, les quatre mécanismes décrits ci-dessous sont les plus courants et produisent les nucléides radiogéniques les plus pertinents pour les études hydrologiques et géologiques :

La désintégration bêta se produit lorsque des nucléides déficients en protons transforment un neutron en un proton et un électron, et expulsent l'électron du noyau comme une particule b négative ( b - ), augmentant ainsi le numéro atomique d'un tandis que le nombre de neutrons est réduit de une.

La désintégration des positons se produit lorsque des nucléides déficients en neutrons transforment un proton en un neutron, un électron ( b + ) et un neutrino, diminuant ainsi le numéro atomique d'un et augmentant le nombre de neutrons d'un. Les filles sont des isobares (nucléides de masse égale) de leur parent et sont des isotopes de différents éléments.

La capture bêta (ou capture d'électrons) se produit lorsque des nucléides déficients en neutrons transforment un proton en un neutron plus un neutrino par la capture d'un électron par un proton, diminuant ainsi de un le nombre de protons dans le noyau. Ceci et la désintégration des positons produisent tous deux un nucléide radiogénique qui est une isobare du nucléide parent.

La désintégration alpha se produit lorsque des atomes lourds au-dessus de Z = 83 dans le diagramme des nucléides émettent une particule alpha, qui se compose d'un noyau d'hélium avec deux neutrons, deux protons et une charge 2 +. Ce produit de filiation radiogénique n'est pas une isobare de son nucléide parent car sa masse est réduite par quatre (voir Figure 2.1).

Il existe plusieurs méthodes couramment utilisées pour effectuer des comparaisons entre les valeurs d de deux matériaux. Les deux premiers sont préférés en raison de leur clarté, et le quatrième est à éviter :

(1) valeurs élevées vs faibles

(2) plus/moins positif vs plus/moins négatif (par exemple, -10 est plus positif que -20 )

(3) plus lourd vs plus léger (le matériau "lourd" est celui avec la valeur d la plus élevée)

(4) enrichi par rapport à appauvri (souvenez-vous toujours d'indiquer quel isotope est en pénurie, par exemple, un matériau est enrichi en 18 O ou 16 O par rapport à un autre matériau, et que l'enrichissement ou l'épuisement est le résultat d'une réaction ou traiter). Par exemple, dire qu'« un échantillon est enrichi en 34 S par rapport à un autre en raison de la réduction des sulfates » est un usage approprié. Des expressions telles que "un échantillon a une valeur d 15 N enrichie" sont des abus de terminologie.

Les compositions isotopiques des matériaux analysés sur les spectromètres de masse sont généralement rapportées par rapport à une norme de référence internationale. Les échantillons sont soit analysés en même temps que cet étalon de référence ou avec un étalon de laboratoire interne qui a été calibré par rapport à l'étalon international. Alternativement, les rapports absolus des isotopes peuvent être rapportés. De petites quantités de ces étalons de référence sont disponibles à des fins d'étalonnage auprès du National Institute of Standards and Technology (NIST) aux États-Unis (site Web : http://www.nist.gov/ ), ou de l'Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA ) à Vienne (Site Internet : http://www.iaea.or.at/ ).

Diverses normes isotopiques sont utilisées pour rapporter les compositions isotopiques stables à la lumière (tableau 2.1). Les valeurs d de chacune des normes ont été définies comme 0 . Les valeurs d D et d 18 O sont normalement rapportées par rapport à la norme SMOW (Standard Mean Ocean Water Craig, 1961) ou à la norme VSMOW équivalente (Vienne-SMOW). d Les valeurs de 13 C sont rapportées par rapport à la norme PDB (Pee Dee Belemnite) ou à la norme équivalente VPDB (Vienna-PDB). Les valeurs d 18 O des carbonates à basse température sont également couramment rapportées par rapport au PDB ou au VPDB.

Tableau 2.1. Ratios d'abondance et normes de référence pour certains isotopes environnementaux.

Isotope Ratio mesuré Norme de référence Taux d'abondance
de norme
2 heures 2H/ 1H VSMOW 1.5575 &point médian 10 -4
3 Il 3 Il/ 4 Il Il atmosphérique 1.3 &point médian 10 -6
6 Li 6 Li/ 7 Li L-SVEC 8.32 &point médian 10 -2
11B 11B/ 10B NBS 951 4.04362
13 C 13 CH/12 CH VPDB 1.1237 &point médian 10 -2
15 N 15 N/ 14 N atmosphérique N 2 3.677 &point médian 10 -3
18 heures 18 heures/ 16 heures VSMOW, ou 2.0052 &point médian 10 -3
VPDB 2.0672 &point médian 10 -3
34 S 34 S/ 32 S CDT 4.5005 &point médian 10 -2
37cl 37cl/ 35cl SMOC 0.324
87 Sr 87 Sr/ 86 Sr Rapport absolu, ou
divers matériaux

VSMOW et VPDB sont pratiquement identiques aux normes SMOW et PDB. L'utilisation de VSMOW et VPDB est supposée impliquer que les mesures ont été calibrées conformément aux directives de l'AIEA pour l'expression des valeurs d par rapport aux matériaux de référence disponibles sur des échelles de permil normalisées (Coplen, 1994 1995 1996). Les laboratoires habitués à analyser des composés synthétiques fortement enrichis en isotope lourd (ou, moins fréquemment, en isotope léger) peuvent signaler des abondances isotopiques absolues en pourcentage de poids atomique ou ppm, au lieu de rapports relatifs en permil. En général, les radio-isotopes sont indiqués sous forme de concentrations ou de rapports absolus. Les valeurs de tritium (3 H) sont généralement rapportées en concentrations absolues, appelées unités de tritium (UT) où une UT correspond à 1 atome de tritium pour 10 18 atomes d'hydrogène. Les valeurs de tritium peuvent également être exprimées en termes d'activité (pico-Curies/litre, pCi/L) ou de décroissance (désintégrations par minute/litre, dpm/L), où 1 UT = 3,2 pCi/L = 7,2 dpm/L. Les teneurs en 14 C sont référencées à une norme internationale connue sous le nom de « carbone moderne » et sont généralement exprimées en pourcentage de carbone moderne (pmc).

2.3 Fractionnement des isotopes stables

2.3.1 Propriétés des molécules isotopiques

Les divers isotopes d'un élément ont des propriétés chimiques et physiques légèrement différentes en raison de leurs différences de masse. Dans les circonstances appropriées, de telles différences peuvent se manifester par un effet de fractionnement isotopique dépendant de la masse. Les interactions nucléaires, d'autre part, conduisent à un effet non dépendant de la masse dans le sens où elles dépendent de la structure nucléaire, plutôt que de la différence de poids en soi. Dans le premier cas par exemple, les propriétés des molécules à 17 O seront intermédiaires entre celles des molécules à 16 O et 18 O ce n'est pas forcément le cas pour les effets non massiques. Pour les éléments de faible numéro atomique, ces différences de masse sont suffisamment importantes pour que de nombreux processus ou réactions physiques, chimiques et biologiques fractionnent ou modifient les proportions relatives des différents isotopes du même élément dans divers composés. À la suite des processus de fractionnement, les eaux et les solutés développent souvent des compositions isotopiques uniques (rapports d'isotopes lourds à légers) qui peuvent indiquer leur source ou les processus qui les ont formés.

Deux grands types de phénomènes produisent des fractionnements isotopiques : les réactions d'échange isotopique et les processus cinétiques. Les réactions d'échange isotopique peuvent être considérées comme un sous-ensemble de réactions isotopiques cinétiques dans lesquelles les réactifs et les produits restent en contact dans un système fermé et bien mélangé, de sorte que des réactions inverses peuvent se produire et qu'un équilibre chimique peut être établi. Dans de telles circonstances, l'équilibre isotopique peut également être établi. Des discussions détaillées sur les fractionnements isotopiques se trouvent dans O'Neil (1986), Gat et Gonfiantini (1981), Gat (1980) et d'autres textes.

2.3.2 Fractionnement accompagnant les réactions chimiques et les changements de phase

La force des liaisons chimiques impliquant différentes espèces isotopiques sera généralement différente. Les molécules contenant des isotopes lourds sont plus stables (c'est-à-dire ont une énergie de dissociation plus élevée) que les molécules contenant des isotopes plus légers. Par conséquent, les fractionnements isotopiques entre les molécules peuvent s'expliquer par des différences dans leurs énergies du point zéro (ZPE). Par exemple, il existe une différence d'environ 2 kcal/mole de ZPE associée à la rupture de la liaison H-H par rapport à la liaison D-D (Figure 2.2). Par conséquent, les liaisons H-H sont rompues plus facilement et les liaisons D-D sont plus stables. Les taux de réaction chimique où une telle liaison est rompue montreront également un effet isotopique. Ce sont des effets quantiques qui deviennent appréciables à basse température et disparaissent à haute température. Les différences d'énergie associées aux effets isotopiques sont environ 1000 fois plus petites que le D G pour les réactions chimiques et ne peuvent donc pas être la force motrice de l'équilibre chimique.

Les réactions d'échange d'isotopes d'équilibre impliquent la redistribution des isotopes d'un élément entre diverses espèces ou composés (au sens strict, cela ne se produit que dans un système fermé et bien mélangé à l'équilibre chimique). À l'équilibre isotopique, les vitesses de réaction avant et arrière d'un isotope particulier sont identiques. Cela ne signifie pas que les compositions isotopiques de deux composés à l'équilibre sont identiques, mais seulement que les rapports des différents isotopes dans chaque composé sont constants pour une température particulière.

Au cours des réactions d'équilibre, l'isotope le plus lourd s'accumule généralement préférentiellement dans l'espèce ou le composé ayant l'état d'oxydation le plus élevé. Par exemple, le sulfate s'enrichit en 34 S par rapport au sulfure (c'est-à-dire qu'il a une valeur plus positive pour divers matériaux d 34 S), par conséquent, le sulfure résiduel s'appauvrit en divers matériaux d 34 S. En règle générale, parmi différents phases d'un même composé ou d'espèces différentes d'un même élément, plus le matériau est dense, plus il a tendance à s'enrichir en isotope le plus lourd. Par exemple, pour les différentes phases de l'eau, à l'équilibre, d 18 O S > d 18 O L > d 18 O V . De plus, les valeurs d 13 C et d 18 O de CO 2 < HCO 3 - < CaCO 3 .

La valeur d'un tel facteur de fractionnement à l'équilibre peut être calculée à partir des données spectrales des espèces moléculaires isotopiques, au moins pour les molécules simples. Les valeurs a diffèrent généralement de quelques pour cent seulement de la valeur à énergie égale de 1,00, sauf pour les réactions d'échange impliquant des isotopes d'hydrogène où les valeurs a peuvent atteindre 4 à température ambiante (voir Friedman et O'Neil, 1977). Le signe et l'amplitude de a dépendent de nombreux facteurs, dont la température est généralement le plus important. D'autres facteurs incluent la composition chimique, la structure cristalline et la pression.

Les facteurs de fractionnement à l'équilibre ( a l-v ) pour la transition de phase eau liquide-vapeur sont de 1,0098 et 1,084 à 20ºC et 1,0117 et 1,111 à 0ºC pour 18 O et 2 H, respectivement (Majoube, 1971). Dans les deux cas, a lv > 1, ce qui signifie que la première phase (l'eau liquide) est "plus lourde" que la seconde phase (par exemple, pour a lv = 1,0098, le d 18 O de l'eau est +9,8 supérieur à la d 18 O valeur de la vapeur à l'équilibre). Pour la transition glace-eau (0ºC), les valeurs sont respectivement de 1,0035 et 1,0208 (Arnason, 1969).

d A - d B . Par exemple, si d B = +10 et si a A-B = 1,020, alors = 20 et d A

Fractionnements cinétiques
Les processus chimiques, physiques et biologiques peuvent être considérés comme des réactions d'équilibre réversibles ou des réactions cinétiques unidirectionnelles irréversibles. Dans les systèmes hors d'équilibre chimique et isotopique, les vitesses de réaction avant et arrière ne sont pas identiques et les réactions isotopiques peuvent, en fait, être unidirectionnelles si les produits de réaction sont physiquement isolés des réactifs. De telles vitesses de réaction dépendent des rapports des masses des isotopes et de leurs énergies vibrationnelles, et sont donc appelées fractionnements isotopiques cinétiques.

L'ampleur d'un fractionnement isotopique cinétique dépend de la voie de réaction, de la vitesse de réaction et des énergies de liaison relatives des liaisons coupées ou formées par la réaction. Les fractionnements cinétiques, en particulier les fractionnements unidirectionnels, sont généralement supérieurs au facteur de fractionnement à l'équilibre pour la même réaction dans la plupart des environnements à basse température. En règle générale, les liaisons entre les isotopes les plus légers se rompent plus facilement que les liaisons équivalentes des isotopes les plus lourds. Par conséquent, les isotopes légers réagissent plus rapidement et se concentrent dans les produits, entraînant l'enrichissement des réactifs résiduels en isotopes lourds. En revanche, les réactions d'équilibre réversibles peuvent produire des produits plus lourds ou plus légers que les réactifs d'origine.

De nombreuses réactions peuvent avoir lieu soit dans des conditions d'équilibre pur, soit être affectées par un fractionnement isotopique cinétique supplémentaire. Par exemple, bien que l'échange isotopique entre l'eau et la vapeur puisse avoir lieu dans des conditions d'équilibre plus ou moins (c. l'équilibre (c'est-à-dire < 100 % d'humidité) ou les produits deviennent partiellement isolés des réactifs (par exemple, la vapeur résultante est soufflée sous le vent). Dans ces conditions, les compositions isotopiques de l'eau et de la vapeur sont affectées par un fractionnement isotopique cinétique supplémentaire d'amplitude variable (voir ci-dessous).

Les mêmes formulations s'appliquent non seulement lorsqu'une partie du système est éliminée par une réaction chimique ou biologique, mais également lorsque le matériau s'échappe par diffusion ou écoulement (par exemple, par épanchement à travers une ouverture). Dans ces derniers cas, le terme facteur de fractionnement de transport peut être préféré. Le fractionnement de transport, comme les facteurs d'équilibre, dépend de la température. Cependant, contrairement aux vrais facteurs de fractionnement cinétique, qui peuvent être assez appréciables, les fractionnements de transport n'ont que de faibles coefficients de température (positifs)

2.3.3 L'équation de Rayleigh

Au sens strict, le terme "fractionnement de Rayleigh" ne devrait être utilisé que pour des systèmes chimiquement ouverts où les espèces isotopiques retirées à chaque instant étaient en équilibre thermodynamique et isotopique avec celles qui restaient dans le système au moment du retrait. De plus, une telle distillation de Rayleigh « idéale » est celle où le réservoir de réactif est fini et bien mélangé, et ne réagit pas avec le produit (Clark et Fritz, 1997). Cependant, le terme "fractionnement de Rayleigh" est couramment appliqué aux systèmes fermés à l'équilibre et aux fractionnements cinétiques (comme décrit ci-dessous) car les situations peuvent être identiques sur le plan informatique.

2.3.4 Fractionnement isotopique en systèmes ouverts et fermés

L'équation de Rayleigh s'applique à un système ouvert à partir duquel le matériau est retiré en continu sous condition d'un facteur de fractionnement constant. Cependant, de tels processus peuvent se dérouler dans des conditions aux limites différentes, même lorsque les facteurs de fractionnement sont les mêmes. L'un de ces systèmes est le système dit « fermé » (ou modèle d'équilibre à 2 phases), où la matière retirée d'un réservoir s'accumule dans un deuxième réservoir de telle manière que l'équilibre isotopique est maintenu tout au long du processus (Gat et Gonfiantini, 1981). Un exemple est la condensation de vapeur en gouttelettes dans un nuage où il y a un échange continu entre les isotopes dans la vapeur et les gouttelettes d'eau.

L'enrichissement isotopique obtenu peut être très différent dans les systèmes fermés et ouverts. Par exemple, la figure 2.3 montre les changements dans le d 18 O de l'eau et de la vapeur pendant l'évaporation (un processus en système ouvert) où la vapeur est éliminée en continu (c'est-à-dire isolée de l'eau) avec un facteur de fractionnement constant a lv = 1,010 ( c'est-à-dire que la vapeur nouvellement formée est toujours 10 plus légère que l'eau résiduelle). Au fur et à mesure que l'évaporation progresse (c'est-à-dire -->O), le d 18 O de l'eau restante (ligne continue A) devient de plus en plus lourd. Le d 18 O de la vapeur formée instantanément (ligne continue B) décrit une courbe parallèle à celle de l'eau restante, mais inférieure à celle-ci (pour toutes les valeurs de ) de la quantité précise dictée par le facteur de fractionnement pour la température ambiante, en ce cas par 10 . Pour des températures plus élevées, la valeur a serait plus petite et les courbes plus rapprochées. La courbe intégrée, donnant la composition isotopique de la vapeur accumulée ainsi éliminée, est représentée par la ligne continue C. Les considérations de bilan massique nécessitent que la teneur en isotopes de la vapeur accumulée totale se rapproche de la valeur initiale d 18 O de l'eau comme --> O donc , tout processus doit être mené à son terme (avec un rendement de 100 %) pour éviter le fractionnement isotopique.

Les lignes pointillées de la figure 2.3 montrent le d 18 O de la vapeur (E) et de l'eau (D) pendant l'évaporation à l'équilibre dans un système fermé (c'est-à-dire où la vapeur et l'eau sont en contact pendant tout le changement de phase). A noter que le d 18 O de vapeur dans le système ouvert où la vapeur est évacuée en continu (ligne B) est toujours plus lourd que le d 18 O de vapeur dans un système fermé où la vapeur (ligne E) et l'eau (ligne D) restent en contact. Dans les deux cas, l'évaporation a lieu dans des conditions d'équilibre avec a = 1,010, mais la vapeur cumulée dans le système fermé reste en équilibre avec l'eau pendant tout le changement de phase. En règle générale, les fractionnements dans un véritable processus de Rayleigh "à système ouvert" créent une gamme beaucoup plus large dans les compositions isotopiques des produits et des réactifs que dans les systèmes fermés. Ceci est dû au manque de réactions de retour dans les systèmes ouverts. Les processus naturels produiront des fractionnements entre ces deux cas « idéaux ».

D'autres fractionnements hors équilibre peuvent se comporter comme des fractionnements de Rayleigh en ce sens qu'il peut y avoir une réaction inverse négligeable entre le réactif et le produit, que le système soit ouvert ou fermé, en raison de la cinétique. De tels fractionnements conduisent généralement à des plages de composition plus larges que pour des réactions d'équilibre équivalentes. Un exemple de ce processus est la dénitrification (réduction) à médiation biologique du nitrate en N 2 dans les eaux souterraines. 't. La figure 2.4 montre comment les fractionnements de type Rayleigh affectent les compositions du substrat résiduel, du produit instantané et du produit cumulatif (lignes courbes) au cours d'une réaction cinétique en système fermé (par exemple, la dénitrification, l'absorption de N par les plantes ou la nitrification).Notez qu'à tout moment, les valeurs d du produit instantané sont " " inférieures aux valeurs d correspondantes du substrat résiduel. Les lignes droites parallèles sont les compositions pour une réaction cinétique en système ouvert où la fourniture de substrat est infinie et, par conséquent, n'est pas affectée par la conversion d'un certain substrat en produit avec un fractionnement constant de e.

Les lignes courbes de la figure 2.4 sont très similaires aux lignes courbes de la figure 2.3, ce qui est raisonnable puisqu'elles sont toutes deux des solutions des mêmes équations de Rayleigh. Cependant, ceux de la figure 2.3 décrivent un processus d'équilibre en système ouvert alors que ceux de la figure 2.4 décrivent un processus cinétique en système fermé. De plus, les lignes droites de la figure 2.3 représentent un système fermé et les lignes dissemblables mais aussi droites de la figure 2.4 représentent un système ouvert. Qu'est-ce qui se passe ici? Comment les mêmes équations de Rayleigh peuvent-elles être utilisées pour produire des courbes de fractionnement décrites si différemment ?

La réponse réside dans l'endroit où sont tracées les lignes de démarcation entre le système étudié et le reste de l'univers. Dans le cas des fractionnements à l'équilibre illustrés à la figure 2.3, "ouvert" signifie que le produit, une fois formé à l'équilibre, s'échappe à l'extérieur du système et n'interagit plus avec le substrat résiduel (et, par conséquent, n'est plus en équilibre avec le substrat). Et "fermé" signifie que le réactif et le produit restent en contact étroit, dans leur propre système fermé (fini) pendant toute la réaction, de sorte que les deux réservoirs sont toujours en équilibre chimique et isotopique. Pour les fractionnements cinétiques illustrés à la figure 2.4, « ouvert » signifie que l'approvisionnement en substrat est infini (ce qu'il ne peut pas être dans un système fermé). L'utilisation de « fermé » pour les réactions cinétiques suggère qu'il existe une offre limitée de réactif, qui subit une conversion irréversible et quantitative en produit dans un système isolé.

Jusqu'à présent, un facteur de fractionnement constant a été supposé s'appliquer tout au long du processus. Par contre, ce n'est pas toujours le cas. Par exemple, la pluie provenant d'une masse d'air est généralement le résultat d'un refroidissement continu de la particule d'air. Le refroidissement augmente le facteur de fractionnement pour la transition vapeur-eau (ou vapeur-glace). Un autre exemple frappant d'un facteur de fractionnement « efficace » changeant est celui de l'évaporation de l'eau d'un plan d'eau de surface vers l'atmosphère. Comme on le verra, le changement dans cette situation est le résultat des conditions changeantes (dans ce cas, du gradient isotopique) à la limite eau-atmosphère, plutôt que d'un changement des facteurs de fractionnement eux-mêmes.

Presque tout le monde trouve les équations de Rayleigh un peu confuses. Par conséquent, nous allons maintenant donner quelques exemples sur la façon de calculer les fractionnements en système ouvert et fermé, et comment ils affectent les compositions du substrat résiduel et les produits nouvellement formés d'une réaction. Parce qu'une grande partie du livre se concentre sur l'eau et ses isotopes, nous montrerons comment appliquer les équations de Rayleigh en utilisant les fractionnements pendant les changements de phase de l'eau (c'est-à-dire pendant la condensation de la vapeur et l'évaporation de l'eau) comme exemples. Pour une discussion plus rigoureuse du sujet, voir Gat et Gonfiantini (1981) ou Gat (1996) le chapitre 2 de Clark et Fritz (1997) fournit une discussion bien illustrée et exceptionnellement claire de ce sujet fascinant. De nombreuses autres réactions (par exemple, la réduction du sulfate, l'oxydation du méthane, la volatilisation de l'ammoniac et la nitrification) peuvent également être modélisées avec des modèles de type Rayleigh, les mêmes principes décrits ici s'appliquent à ces réactions cinétiques.

La composition isotopique de l'humidité dans l'atmosphère marine est contrôlée par les processus d'interaction air-mer décrits par Craig et Gordon (1965), Merlivat et Jouzel (1979) et d'autres. Au fur et à mesure que les masses d'air se déplacent à travers les continents et perdent de l'eau par pluie, elles s'appauvrissent en espèces isotopiques lourdes (H 2 18 O et HDO) car la phase liquide s'enrichit en espèces isotopiques lourdes par rapport à la phase vapeur (voir chapitre 3). L'évolution de la composition isotopique est adéquatement décrite par un processus de Rayleigh (dans ce cas, il s'agit de condensation) dans les cas où la pluie est le seul facteur du bilan d'humidité atmosphérique (Dansgaard, 1964 Gat, 1980). Un graphique de fractionnement de Rayleigh pour la condensation serait très similaire à la figure 2.3, sauf que toutes les courbes se courberaient vers le bas au lieu de vers le haut car la vapeur résiduelle et l'eau condensée deviendraient progressivement plus légères avec le temps, pas plus lourdes (comme elles le font pour l'évaporation).

La valeur à l'origine y de 10 dans l'équation GMWL est appelée la valeur d'excès de deutérium (ou d-excès, ou paramètre d) pour cette équation. Le terme ne s'applique qu'à l'ordonnée à l'origine calculée pour les ensembles de données météoriques « ajustés » à une pente de 8 valeurs d'excès typiques allant de 0 à 20 (voir le chapitre 3). Le fait que l'intersection de la GMWL soit de 10 au lieu de 0 signifie que la GMWL n'intersecte pas d 18 O = d D = 0, qui est la composition de l'eau océanique moyenne (VSMOW). La GMWL ne coupe pas la composition de l'océan, source de la majeure partie de la vapeur d'eau qui produit la pluie, en raison de l'enrichissement cinétique de 10° en D de la vapeur s'évaporant de l'océan à une humidité moyenne de 85 %.

Le facteur de fractionnement à l'équilibre a entre le liquide et la vapeur peut être défini de deux manières, qui sont des inverses mathématiques : a = R l /R v ou a = R l /R v , où R l et R v sont les rapports isotopiques du liquide et vapeur, respectivement. Cependant, Craig et Gordon (1965) ont défini des facteurs de fractionnement à l'équilibre tels que a + = 1/ a * , de sorte que a + = R l /R v >1 et a * = R v /R l <1 (et, par conséquent, e + >0 et e + - e * ). Cet usage est devenu traditionnel lorsqu'on parle des processus atmosphériques. En général, a + (souvent abrégé simplement a ) est utilisé pour les problèmes de condensation, alors qu'un * est généralement préféré pour les problèmes d'évaporation. Les valeurs de a + peuvent être calculées à partir de Majoube (1971). Bien que l'utilisation de a + contre a * puisse simplifier les calculs, de nombreuses autres personnes trouvent plus pratique d'utiliser la définition du facteur de fractionnement qui produit un > 1, malgré la tradition.

Une autre formulation couramment utilisée de l'équation de Rayleigh pour les systèmes avec un facteur de fractionnement constant est : d

d o - e ln ( ). Dans ce cas, le facteur d'enrichissement dans l'équation de Rayleigh a un signe négatif, au lieu du signe positif montré précédemment (Équation 2.17), en raison des différentes définitions de a (et donc des valeurs). Le choix de a * ou de sa valeur réciproque a + pour le facteur de fractionnement d'équilibre n'est dicté que par commodité, il n'y a pas de "bonne" méthode. S'il y a une confusion sur la façon dont les termes de fractionnement sont définis dans certains articles, essayez simplement quelques calculs de test pour vous assurer que les valeurs d pour une réaction changent dans la "bonne" direction (par exemple, avec des réactions biologiques, les réactifs résiduels deviennent plus lourds pendant condensation de pluie, vapeur résiduelle s'allégeant, etc.) si les valeurs d ne changent pas comme prévu, cela signifie probablement que le facteur de fractionnement utilisé est l'inverse de ce qui devrait être utilisé dans l'équation.

L'évaporation à partir d'une surface d'eau libre fractionne les isotopes de l'hydrogène et de l'oxygène d'une manière qui dépend d'un certain nombre de paramètres environnementaux, dont le plus important est l'humidité ambiante. Ceci est illustré pour diverses humidités relatives dans la figure 2.5. Plus l'humidité est élevée, plus le changement de d 18 O et de d D est faible pendant l'évaporation. Par exemple, à 95 % d'humidité, les valeurs d sont constantes pour l'évaporation des derniers 85 % d'eau. L'évaporation donne des lignes avec des pentes <8 sur un tracé d 18 O vs. d D (c'est-à-dire le tracé de données sur les lignes sous la MWL qui coupent la MWL à la composition de l'eau d'origine).

L'évaporation à 0 % d'humidité décrit l'évaporation en système ouvert (« ouvert » selon les définitions de la figure 2.3). Notez que les deux diagrammes supérieurs de la figure 2.5 sont des tracés de type Rayleigh, similaires à la figure 2.3 mais avec des changements plus importants de d 18 O lors de l'évaporation en système ouvert sur la figure 2.5. Les valeurs d sur les lignes de fractionnement incurvées sur les diagrammes supérieurs sont tracées le long de lignes presque droites sur le tracé inférieur d 18 O vs D. La "longueur" des lignes d'évaporation sur le graphique d 18 O vs d D reflète la plage de valeurs de l'eau produite pendant l'évaporation totale sous différentes humidités. Par exemple, la ligne courte pour 95 % d'humidité indique que l'eau change peu pendant tout le processus d'évaporation.

L'évaporation dans des conditions d'humidité de presque 100 % est plus ou moins équivalente à l'évaporation dans des conditions de système fermé (c'est-à-dire que l'équilibre isotopique est possible), et les données pour les eaux sont tracées le long d'une pente de 8 (c'est-à-dire le long de la MWL). Cependant, les formes des courbes dans les diagrammes supérieurs pour 95 % d'humidité ne sont pas les mêmes que pour le fractionnement à l'équilibre en système fermé (figure 2.3), elles sont plutôt similaires au fractionnement cinétique en réservoir infini illustré sur la figure 2.4. En effet, les courbes de la figure 2.5 ont été calculées en utilisant à la fois un fractionnement à l'équilibre pour le changement de phase et un fractionnement cinétique (Équation 2.20) pour la diffusion de la vapeur d'eau à travers l'interface eau-atmosphère (Gat et Gonfiantini, 1981). C'est aussi l'explication des fractionnements en système ouvert plus importants sur la figure 2.5 que sur la figure 2.3.

Le modèle le plus utile pour le fractionnement isotopique pendant l'évaporation est celui de Craig et Gordon (1965). Il est schématisé sur la figure 2.6 (redessinée de Gat, 1996). Ce modèle suppose que des conditions d'équilibre s'appliquent à l'interface air/eau (où l'humidité est de 100 %), qu'il y a un flux vertical constant et qu'il n'y a pas de fractionnement pendant un transport totalement turbulent. Pour une dérivation détaillée, voir Craig et Gordon (1965) ou Gat (1996).

À l'interface eau-air, il existe un équilibre entre deux flux d'eau opposés : l'un ascendant à partir de la surface de l'eau et l'autre descendant constitué d'humidité atmosphérique. Lorsque l'humidité est de 100 % (c'est-à-dire que l'air est saturé), les flux physiques ascendants et descendants peuvent devenir équivalents et leurs compositions isotopiques peuvent alors atteindre l'équilibre (notez qu'équilibre ne signifie pas que les valeurs d des deux réservoirs sont identiques, seulement qu'ils diffèrent par le facteur d'enrichissement à l'équilibre) voir Clark et Fritz (1997) pages 26-27.

Les changements d'humidité et les changements correspondants de la composition isotopique de la vapeur à travers la transition entre l'eau et l'atmosphère libre sont indiqués en pointillés sur la figure 2.6. A noter que là où h = 1 (dans la couche dite "vapeur d'équilibre" entre l'interface et la couche limite où l'humidité est de 100%), la vapeur est en équilibre avec le liquide (ie, dv = d - e * ) . Lorsque l'air est sous-saturé (c'est-à-dire h < 1), un flux net d'évaporation est produit. L'étape déterminante du taux d'évaporation est la diffusion de la vapeur d'eau à travers la couche limite d'air, qui se produit en réponse au gradient d'humidité entre la surface et l'air ambiant entièrement turbulent (figure 2.6).

    d E = ( a * d w - h d a - e ) / [(1- h ) + D /1000]

1 correspond assez bien aux données. Voir les chapitres 5 et 6 pour une discussion sur l'évaporation dans les sols et les plantes. Notez que dans certains articles, les valeurs de ek dans l'équation 2.21 sont modifiées par multiplication par 1000 (ou doivent l'être) car les valeurs de ek peuvent ne pas être dans .

Lorsqu'une partie de l'humidité évacuée est restituée à l'atmosphère par évapotranspiration, une simple loi de Rayleigh ne s'applique plus. L'effet sous le vent du flux d'évapotranspiration sur la composition isotopique de l'humidité atmosphérique et des précipitations dépend des détails du processus d'évapotranspiration. La transpiration renvoie l'eau précipitée essentiellement non fractionnée dans l'atmosphère, malgré les fractionnements complexes dans l'eau foliaire (voir chapitre 6). Ainsi, la transpiration annule l'effet du processus de pluie. En d'autres termes, le mélange des eaux transpirées déplace la composition isotopique de l'humidité atmosphérique vers des valeurs d plus positives (c'est-à-dire enrichies en espèces isotopiques lourdes), comme si la pluie n'avait jamais eu lieu. Dans de telles circonstances, le changement de la composition isotopique le long de la trajectoire de la masse d'air ne mesure que la perte nette d'eau de la masse d'air, plutôt que d'être une mesure de la pluie totale intégrée. D'autre part, la vapeur évaporée ( d E ) est généralement appauvrie dans les espèces isotopiques lourdes par rapport à celle de l'eau transpirée ( d T ) et est en fait plus proche de la composition de l'humidité atmosphérique. Par conséquent, le mélange de l'humidité dérivée de l'évaporation de l'eau du lac dans le réservoir d'humidité atmosphérique a un effet un peu plus faible que l'ajout d'eau transpirée dans la restauration de la composition isotopique de la masse d'air d'origine.

2.3.5 Fractionnements biologiques

Les processus biologiques sont généralement unidirectionnels et sont d'excellents exemples de réactions isotopiques cinétiques. Les organismes utilisent préférentiellement les espèces isotopiques les plus légères en raison des « coûts » énergétiques plus faibles associés à la rupture des liaisons dans ces molécules, entraînant des fractionnements importants entre le substrat (plus lourd) et le produit à médiation biologique (plus léger). L'ampleur des fractionnements isotopiques cinétiques des processus à médiation biologique varie en fonction des vitesses de réaction, des concentrations de produits et de réactifs, des conditions environnementales et, dans le cas des transformations métaboliques, des espèces de l'organisme. La variabilité des fractionnements rend difficile l'interprétation des données isotopiques, notamment pour l'azote et le soufre. Les fractionnements sont très différents de, et généralement plus grands que, la réaction d'équilibre équivalente. L'ampleur du fractionnement dépend de la voie de réaction utilisée (c'est-à-dire qui est l'étape limitant la vitesse) et des énergies relatives des liaisons rompues et formées par la réaction. En général, les étapes de réaction plus lentes montrent un fractionnement isotopique plus important que les étapes plus rapides car l'organisme a le temps d'être plus sélectif (c'est-à-dire que l'organisme économise de l'énergie interne en brisant préférentiellement les liaisons isotopiques légères).

Les lecteurs de ce livre et des articles traitant des fractionnements isotopiques doivent être prudents : les facteurs de fractionnement et d'enrichissement sont définis de diverses manières par différents auteurs, notamment dans la littérature biologique. Les facteurs de fractionnement cinétique sont généralement décrits en termes de facteurs d'enrichissement ou de discrimination, en utilisant des symboles tels que b , e ou D. En particulier, le facteur d'enrichissement est parfois défini à l'envers (c. facteur" D s/p = ( as/p -1)1000, où s/p désigne "le substrat par rapport aux produits". De bonnes discussions sur les fractionnements associés aux processus biologiques incluent Hüumlbner (1986) et Fogel et Cifuentes (1993).

2.4 Collecte, analyse et assurance qualité des échantillons

Des efforts considérables sur le terrain sont souvent nécessaires pour prélever un échantillon qui représente adéquatement la composition moyenne du milieu échantillonné, au moment où il est échantillonné. Pour les petits cours d'eau, cela peut être aussi simple que de collecter l'eau lorsqu'elle s'écoule sur un déversoir ou un rebord rocheux. Pour les grands fleuves, lacs, sols et organismes, des composites à masse intégrée peuvent être nécessaires. Une couverture adéquate de ce sujet vital dépasse le cadre de ce chapitre. Le lecteur est invité à consulter les références données dans les chapitres suivants ou à consulter des collègues qui collectent régulièrement de tels échantillons. D'autres sources d'informations utiles incluent : Clark et Fritz (1997 chapitre 10 : « Méthodes de terrain pour l'échantillonnage »), Mazor (1997) et les pages Web de divers laboratoires d'isotopes.

Vous trouverez ci-dessous un ensemble de directives et de suggestions relatives à la collecte, à la mise en bouteille et à la conservation des échantillons pour l'analyse des isotopes environnementaux les plus couramment utilisés. Le lecteur doit garder à l'esprit que les méthodes optimales dépendent souvent du laboratoire choisi pour l'analyse et de ses méthodes de préparation préférées, et doit toujours se renseigner avant de planifier la campagne de terrain. La collecte de doublons est toujours conseillée - en cas de rupture d'échantillons pendant le transport et à utiliser comme contrôles de la reproductibilité du laboratoire (c. doublons).

d 18 O/ 2 H d'eau
Les eaux naturelles sont faciles à capter. L'échantillon d'eau est placé dans une bouteille propre et sèche, qui est remplie presque complètement jusqu'au sommet et bien fermée. L'objectif principal est de protéger l'échantillon de l'évaporation et des échanges avec la vapeur d'eau atmosphérique. Les échantillons ne doivent pas être filtrés à moins qu'ils ne contiennent de l'huile (p. Le rinçage des bouteilles, le refroidissement et l'ajout de conservateurs sont inutiles. Le gel n'affecte pas la composition de l'eau mais peut casser les bouteilles en transit pour cette raison, de nombreux utilisateurs préfèrent les bouteilles en plastique. Notre expérience suggère que les bouchons avec inserts coniques en plastique (par exemple, les bouchons "poly-seal") sont les plus fiables, suivis des bouchons doublés de téflon. Pour un stockage prolongé, l'utilisation de flacons en verre et le cirage des bouchons sont conseillés. La taille de l'échantillon dépend du laboratoire. Les volumes typiques vont de 10 à 60 ml. Dans certains laboratoires, des échantillons aussi petits que quelques µL peuvent être analysés.

Les déterminations des rapports isotopiques de l'hydrogène et de l'oxygène sont généralement effectuées sur la même bouteille d'eau. Il est sage de collecter beaucoup plus d'échantillons que ce que l'on peut se permettre d'analyser à l'heure actuelle. Les échantillons ont une longue durée de conservation s'ils sont correctement mis en bouteille et peuvent être archivés pour une analyse future. Il faut s'assurer que le laboratoire choisi pour analyser les échantillons normalise leurs valeurs conformément aux directives de l'AIEA (Coplen, 1994) et rapporte les valeurs relatives à VSMOW. Si les échantillons sont salins, il convient de vérifier si le laboratoire prépare des échantillons par une méthode d'équilibration ou de conversion quantitative (voir ci-dessous). Les eaux à forte teneur en matière organique volatile peuvent nécessiter une distillation.

À de nombreuses fins, en particulier les séparations d'hydrogrammes (voir chapitre 1), l'analyse de tous les échantillons pour les isotopes de l'oxygène et de l'hydrogène est inutile en raison du coefficient de corrélation élevé entre ces isotopes (voir chapitre 3). Une alternative sensée consiste à analyser un pourcentage plus faible pour les deux isotopes, soit initialement, soit après l'évaluation des données pour le premier isotope. Pour les études hydrographiques dans des environnements arides ou les études impliquant de l'eau évaporée dans des étangs ou des zones humides, l'analyse d'échantillons pour les deux isotopes est probablement recommandée. Étant donné que la plupart des laboratoires ont moins de problèmes à analyser les eaux pour le d 18 O que pour le d 2 H, si les échantillons ne sont pas analysés en double et ne seront analysés que pour un seul isotope, il est généralement préférable de choisir le d 18 O.

Les échantillons de solides et de vapeurs sont plus difficiles à collecter pour le d 18 O et le d 2 H. Les échantillons de neige et de glace peuvent être collectés dans des sacs ou des bocaux hermétiquement fermés, fondus pendant la nuit, puis versés dans des bouteilles. Les échantillons de plantes et de sol doivent être prélevés dans des récipients hermétiques adaptés à la taille de l'échantillon.Les procédures courantes comprennent le cirage des carottes de sol, l'utilisation de sacs thermoscellés ou l'insertion dans de minuscules flacons de la taille d'un arbre. Les échantillons de vapeur d'eau sont collectés en pompant la vapeur à travers un piège froid où la vapeur est quantitativement retenue. Pour plus d'informations sur les différentes procédures d'échantillonnage, reportez-vous aux chapitres 3-6.

Tritium
La quantité d'eau nécessaire pour l'analyse du tritium dépend de l'âge de l'eau (les eaux anciennes contiennent peu de tritium) et de la sensibilité de l'analyse nécessaire. Les tailles d'échantillon typiques vont de 10 ml à 1 litre. Les échantillons sont prélevés dans des flacons en verre ou en polyéthylène haute densité non rincés et ne doivent pas être filtrés. Les flacons doivent ensuite être scellés et renvoyés au laboratoire pour analyse. La date de collecte doit être notée sur la bouteille pour obtenir une détermination précise de la concentration en tritium au moment de la collecte.

d 13 C et 14 C de carbone inorganique dissous
Il existe deux méthodes principales couramment utilisées pour la collecte du DIC (carbone inorganique dissous) pour la mesure du 13 C ou du 14 C, selon celle des deux méthodes de préparation en laboratoire utilisée : le stripping au gaz ou la précipitation carbonatée. Les deux méthodes de préparation assurent l'élimination quantitative de la CID et fournissent une valeur d 13 C ou 14 C pour la CID totale. L'analyse pour d 13 C nécessite généralement 10-100 µM de carbone. L'analyse du 14 C par des méthodes conventionnelles de comptage bêta nécessite jusqu'à 1 g de C. L'analyse par AMS nécessite généralement environ 1 mg de C.

Pour les laboratoires qui utilisent une méthode de dégazage pour extraire le CO 2 , les échantillons sont généralement collectés dans des flacons en verre rincés avec des septa-caps, ou dans des récipients avec des robinets ou des vannes. Ces échantillons doivent être filtrés pour éliminer le carbone particulaire, et peut-être empoisonnés (à l'aide de chlorure mercurique, d'acide ou de biocide organique) pour empêcher l'activité biologique. Les bouteilles doivent être conservées au frais jusqu'à l'analyse pour éviter les fractionnements biologiques.

La technique alternative est la méthode de précipitation. Les échantillons doivent être préfiltrés s'il peut y avoir des particules de carbonate en suspension dans l'eau. Le carbonate est précipité en ajoutant une solution fortement basique de strontium ou de chlorure de baryum (Gleason et al., 1969) à l'échantillon dans un flacon rincé. La base augmente le pH à 10-11 où tout le carbone inorganique est CO3-2, et le Ba ou le Sr précipite tout le DIC dans l'eau. Ce réactif et les échantillons traités doivent être protégés contre la contamination par le CO2 atmosphérique. Les bouteilles en verre sont les meilleures car le CO2 se diffuse à travers la plupart des bouteilles en plastique. Les bouteilles doivent avoir des bouchons poly-scellés qui sont solidement scotchés. Les bouteilles doivent être emballées individuellement dans du papier bulle et expédiées dans des boîtes isothermes ou des glacières remplies de "cacahuètes" artificielles pour éviter les bris.

d 15 N d'azote inorganique dissous
Un certain nombre de méthodes de préparation différentes sont couramment utilisées pour savoir quelle méthode de collecte est préférée par le laboratoire contractuel pour sa méthode de préparation particulière. En particulier, il est important de vérifier que le laboratoire est habitué à analyser des échantillons d'abondance naturelle. Les laboratoires qui analysent principalement des échantillons agricoles utilisent souvent des méthodes qui sont appropriées pour les échantillons étiquetés (à 15 N) mais ont des précisions analytiques inacceptables pour les études d'abondance naturelle. Vérifiez que le laboratoire a de bons antécédents pour les échantillons naturels. Les échantillons peuvent être analysés pour le d 15 N de l'ammonium et/ou l'analyse des nitrates de l'azote total est probablement sans valeur. Généralement, les échantillons sont filtrés à travers des filtres de 0,1 micron, placés dans des flacons en verre rincés, empoisonnés (avec de l'acide sulfurique, du chlorure mercurique ou du chloroforme), réfrigérés ou congelés, emballés dans un matériau d'emballage isolant et envoyés au laboratoire dans des glacières. Les exigences de taille d'échantillon sont de l'ordre de 10-100 & microM de N. Les échantillons de nitrate peuvent également être analysés pour le d 18 O dans quelques laboratoires.

Une autre méthode consiste à concentrer le NO 3 ou le NH 4 sur des résines échangeuses d'anions ou de cations (Garten, 1992 Silva et al., soumis Chang et al., en cours de révision). La collecte de nitrates sur résines échangeuses d'anions élimine le besoin de renvoyer de grandes quantités d'eau réfrigérée au laboratoire, élimine le besoin de conservateurs dangereux, facilite l'archivage des échantillons et permet l'analyse d'eaux à très faible teneur en nitrates.

d 34 S de sulfate dissous
En fonction de la concentration en sulfate, les échantillons sont filtrés directement dans des flacons en verre ou sont d'abord pré-concentrés sur une résine échangeuse. Le sulfate des eaux diluées doit être collecté sur une résine échangeuse d'ions sur le terrain si la concentration de sulfate dans l'eau est estimée être inférieure à 20 mg/L. Semblable aux méthodes de collecte du NO 3 ou du NH 4 sur les résines échangeuses d'ions, la collecte du sulfate sur les résines échangeuses évite les problèmes de précipitation incomplète du BaSO 4 dans les échantillons dilués, élimine le besoin de renvoyer de grandes quantités d'eau réfrigérée au laboratoire, élimine le besoin de conservateurs dangereux, facilite l'archivage des échantillons et permet l'analyse d'eaux à très faible teneur en sulfates.

Les échantillons d'eau à faible teneur en sulfate sont d'abord acidifiés avant de passer dans des colonnes échangeuses d'ions. Le sulfate est ensuite élué de la résine en utilisant un volume relativement faible de solution concentrée de chlorure de baryum. Le volume final de la solution est bien inférieur à celui de l'échantillon d'eau d'origine et le sulfate de l'échantillon est donc concentré dans ce volume bien plus petit (généralement 10-500 µM de SO 4 sont nécessaires). La solution est réacidifiée et le sulfate est précipité par ajout de BaCl 2. Le BaSO 4 est ensuite récupéré par filtration et analysé pour le d 34 S. Le sulfate peut également être analysé pour le d 18 O dans certains laboratoires. De grandes quantités de sulfate peuvent également être analysées pour le 35 S, un radio-isotope naturel avec une demi-vie de 87 jours, en utilisant le comptage à scintillation liquide.

Isotopes C, H, N, O et S des échantillons solides
Les échantillons organiques et inorganiques solides (par exemple, les animaux, les plantes, les minéraux et les sols) et les liquides (tels que les huiles) peuvent également être analysés pour leur composition isotopique. Les particules dans l'eau peuvent être capturées sur des filtres en fibre de verre et traitées de la même manière que les méthodes utilisées pour d'autres échantillons solides. Les exigences pour les échantillons solides sont similaires aux exigences pour les échantillons de soluté du même élément (c'est-à-dire 1-100 & microM de l'élément d'intérêt). Les échantillons biologiquement labiles (p. ex. feuilles, poisson, fumier) doivent être conservés au froid jusqu'à ce qu'ils soient traités. La lyophilisation est un moyen idéal pour préserver les échantillons. Le séchage à l'air entraîne une perte de matière organique volatile et probablement un certain fractionnement isotopique.

Isotopes lithogènes (métaux et semi-métaux)
La taille de l'échantillon dépend de l'espèce analysée. L'analyse de Sr, Li ou B nécessite un minimum de 1 µg Pb et Nd nécessite un minimum de 0,1 µg. Les échantillons aqueux doivent être filtrés. Les filtres de 0,1 micron sont les meilleurs pour le Nd et le Pb, et les filtres de 0,45 micron sont les meilleurs pour le Sr, le Li et le B (Thomas D. Bullen, comm. pers. 1997). Les échantillons aqueux sont collectés dans des bouteilles en plastique rincées et acidifiés à pH

2 en utilisant Ultrex HNO 3 . Les blancs doivent être envoyés au laboratoire avec vos échantillons, y compris l'eau triple distillée utilisée pour le filtrage et l'eau propre passant par l'équipement de traitement. Il faut faire attention à une éventuelle contamination par de la graisse au lithium, des savons ou détergents au borate et des réactifs au chlorure de strontium.

2.4.2 Méthodes d'analyse et instrumentation

Les isotopes stables sont analysés sur des spectromètres de masse à source gazeuse ou solide, en fonction à la fois des masses des isotopes et de l'existence de composés gazeux appropriés stables à température ambiante. Les radio-isotopes peuvent être analysés en comptant le nombre de désintégrations par unité de temps sur des compteurs de rayons gamma ou de particules bêta, ou analysés sur des spectromètres de masse.

Spectromètres de masse à source de gaz
De nombreuses méthodes sont utilisées pour préparer des gaz pour la teneur en isotopes stables C, H, N, O et S (CHNOS), mais dans tous les cas, les étapes de base sont les mêmes. La préparation de l'échantillon implique la conversion quantitative ou la production de gaz pur à partir uniquement du composé d'intérêt, la purification cryogénique ou chromatographique du gaz, l'introduction du gaz dans le spectromètre de masse, l'ionisation pour produire des espèces chargées positivement, la dispersion de différentes masses dans un champ magnétique , impaction de différentes masses sur différentes coupelles collectrices, et mesure des rapports des isotopes dans le gaz ionisé. En général, l'hydrogène est analysé sous forme de H 2 , l'oxygène et le carbone sont tous deux analysés sous forme de CO 2 , l'azote est analysé sous forme de N 2 et le soufre est généralement analysé sous forme de SO 2 . Les précisions analytiques sont faibles par rapport aux plages de valeurs qui se produisent dans les systèmes terrestres naturels. Les précisions analytiques typiques à un écart-type pour les isotopes de l'oxygène, du carbone, de l'azote et du soufre sont de l'ordre de 0,05 à 0,2 .

Bien que le sujet soit rarement abordé, les coefficients d'activité des espèces isotopiques ne sont pas tous égaux à 1 (c'est-à-dire que la concentration isotopique d'un échantillon n'est pas nécessairement égale à l'activité isotopique). Le coefficient d'activité pour un isotope particulier peut être positif ou négatif, selon le type de soluté, la molalité et la température. Les compositions isotopiques des eaux et des solutés peuvent être affectées de manière significative par la concentration et les types de sels car les compositions isotopiques des eaux dans les sphères d'hydratation des sels et dans les régions plus éloignées des sels sont différentes (voir Horita (1989) pour une bonne discussion de ce sujet). En général, les seuls moments où il est important de considérer les activités isotopiques sont pour les saumures à faible pH, à haute teneur en SO 4 et/ou à haute teneur en Mg, car les valeurs d'activité et de concentration d de ces eaux ( d a et d c ) sont significativement différentes. Par exemple, la différence ( d D a - d D c ​​) entre les valeurs d'activité et de concentration d pour les solutions d'acide sulfurique dans les résidus miniers est d'environ +16 pour 2 solutions molaires. Pour les eaux salines normales (par exemple, l'eau de mer), les coefficients d'activité pour d 18 O et d 2 H sont essentiellement égaux à 1.

Pratiquement tous les laboratoires déclarent des activités de 18 O (et non des concentrations) pour les échantillons d'eau. Le d 2 H des eaux peut être indiqué en valeurs de concentration ou d'activité d, selon la méthode utilisée pour préparer les échantillons à analyser. Les méthodes qui impliquent la conversion quantitative du H dans H 2 O en H 2 , produisent des valeurs d c. Les méthodes qui équilibrent H 2 O avec H 2 (ou H 2 O avec CO 2 ) produisent des valeurs d a. "Equilibrer" dans ce cas signifie laisser le liquide et le gaz atteindre l'équilibre isotopique à une température constante et connue. Pour éviter toute confusion, les laboratoires et les articles de recherche doivent toujours signaler la méthode utilisée.

La plupart des spectromètres de masse CHNOS conventionnels sont des machines à double entrée qui ont à la fois un échantillon et un orifice d'entrée ou d'introduction standard. Dans de tels instruments, les rapports des isotopes d'intérêt (par exemple, 13 C/12 C) dans l'échantillon de gaz sont mesurés par rapport aux mêmes rapports dans un étalon gazeux qui est analysé plus ou moins simultanément. De tels instruments ont généralement soit des « collecteurs doubles » soit des « collecteurs triples », ce qui signifie que deux ou trois masses de gaz ionisé peuvent être mesurées simultanément. Par exemple, N 2 contient trois espèces : 14 N 14 N, 14 N 15 N et 15 N 15 N (c'est-à-dire les masses 28, 29 et 30). Un spectromètre de masse à triple collecte mesurerait les abondances de toutes ces espèces par rapport aux abondances dans un étalon gazeux introduit par l'entrée « étalon ». Un spectromètre de masse à double collecte ne mesurerait que les masses 28 et 29 (en fait, m/e est mesuré car les molécules sont ionisées, avec des charges positives).

Un autre type de spectromètre de masse à isotopes stables est le spectromètre de masse à flux continu. De tels instruments peuvent ne pas avoir une double entrée et ont généralement des collecteurs triples. Ces instruments représentent un « mariage » de la chromatographie et de la spectrométrie de masse, et sont similaires aux spectromètres de masse organiques conventionnels en ce que les échantillons de gaz sont introduits dans le spectromètre de masse dans un flux d'hélium gazeux, généralement à partir d'une unité automatisée de préparation d'échantillons (par exemple, un analyseur ou chromatographe en phase gazeuse). En général, la précision analytique disponible pour les spectromètres de masse à flux continu est légèrement inférieure à celle des méthodes conventionnelles, mais cela pourrait changer dans les prochaines années. Le principal avantage de la méthode à flux continu est que ces instruments sont très facilement combinés avec divers systèmes de préparation en ligne, ce qui réduit considérablement le coût en main-d'œuvre des analyses isotopiques. Pour une discussion exceptionnellement approfondie de la spectrométrie de masse des isotopes stables moderne, voir Barrie et Prosser (1996).

Spectromètres de masse à source solide
Les éléments analysés sous forme de solides (par exemple, strontium, lithium, bore, plomb, etc.) sont préparés en précipitant des composés sélectionnés sur des filaments de fil, en chargeant les filaments dans la source d'un spectromètre de masse à ionisation thermique (source solide), en ionisant les composés pour produire des gaz (chargés négativement ou positivement) et mesurer les abondances d'isotopes sélectionnés dans le gaz sur plusieurs collecteurs. Certains solides de masse légère (par exemple, le bore et le lithium) sont indiqués dans les unités d standard. Généralement, les éléments de masse plus lourde sont rapportés en termes d'abondances relatives de deux isotopes (par exemple, 207 Pb/ 206 Pb) cependant, les abondances d'isotopes de strontium ( 87 Sr/ 86 Sr) sont parfois rapportées en notation d par rapport à une norme arbitraire . Il a été démontré que la spectrométrie de masse à source solide donne une analyse plus précise de certains isotopes du radium et de l'uranium qui étaient traditionnellement mesurés par des méthodes de comptage de désintégration.

Compteurs à scintillation gaz et liquide
Les isotopes radioactifs peuvent être mesurés par un certain nombre de méthodes, en fonction de la masse, de l'abondance, du type de désintégration impliqué, de la précision souhaitée et de l'argent disponible. Certains, bien sûr, peuvent être analysés sur des spectromètres de masse à source solide (par exemple, les isotopes de la série de l'uranium). Sinon, les radio-isotopes sont analysés sur des compteurs à scintillation liquide (LSC) et des compteurs proportionnels à gaz (tous deux avec enrichissement), et sur des spectromètres de masse à accélérateur (voir ci-dessous). Les systèmes proportionnels à scintillation liquide et à gaz sont les systèmes les plus couramment utilisés pour les isotopes légers avec des désintégrations bêta. Le comptage proportionnel au gaz nécessite généralement que l'isotope analysé forme un gaz de comptage approprié, de sorte que les éléments à haute électronégativité, tels que le chlore et le soufre, ne conviennent pas à ce type d'analyse. Les deux isotopes les plus couramment utilisés en hydrologie, le tritium et le 14 C, ont généralement été analysés par scintillation liquide ou comptage proportionnel au gaz. Le radon est analysé soit par Geiger gazeux ou comptage proportionnel sur le terrain, soit envoyé à un laboratoire pour comptage par scintillation liquide, selon la précision souhaitée. Pour les isotopes qui se désintègrent par émission gamma et alpha, et les émissions bêta où l'isotope cible ne peut pas être réduit à une forme chimique appropriée pour le LCS ou le comptage de gaz, l'utilisation du comptage à scintillation solide utilisant des cristaux, ou des systèmes plus avancés comme la dérive lithium-germanium compteurs, ont été utilisés.

Accélérateur de spectrométrie de masse
Les spectromètres de masse à accélérateurs (AMS), parfois appelés accélérateurs « en tandem », sont des spectromètres de masse très grands (> 10 m), coûteux, à haute résolution (avec des sources gazeuses ou solides) qui accélèrent les particules chargées à travers de très hautes (méga-volts) ) champs électriques pour séparer les différentes isobares et isotopes (figure 2.1). Ces instruments peuvent analyser certaines espèces radioactives plus rapidement, avec une plus grande précision et/ou avec des échantillons beaucoup plus petits (par exemple, des échantillons en mg plutôt qu'en g) que les méthodes de comptage précédentes. Par exemple, le tritium peut maintenant être analysé à l'aide de la méthode de croissance interne de l'hélium, bien qu'il faille souvent de longs délais (6 mois) pour accumuler suffisamment de 3 He pour obtenir une analyse précise. L'AMS est devenue la méthode de choix pour certains isotopes, comme le 14 C, le 36 Cl et le 129 I. Elle donnera des précisions proches de celles obtenues par les méthodes traditionnelles, et les échantillons pourront être analysés beaucoup plus rapidement par l'AMS.

2.4.3 Assurance qualité des laboratoires sous contrat

Comment trouver un bon laboratoire contractuel pour analyser des échantillons ? Les choix incluent les laboratoires universitaires, les sociétés commerciales privées et les laboratoires gouvernementaux qui peuvent accepter des travaux contractuels (ou collaboratifs). Un critère de sélection principal devrait être que le laboratoire effectue le type d'analyse souhaité depuis plusieurs années sur une base routinière (par exemple, les échantillons soumis à certains laboratoires universitaires peuvent être analysés par des étudiants temporaires, qui n'effectuent pas d'analyses sur une base routinière ). Renseignez-vous auprès de vos collègues sur les antécédents à long terme du laboratoire. Les bons laboratoires ont des programmes d'AQ/CQ actifs, avec une documentation généralement disponible sur demande. À notre avis, le laboratoire devrait analyser environ 5 à 15 % des échantillons en double, comme une vérification interne que « tout » fonctionne correctement. De plus, les laboratoires dotés de systèmes de préparation automatisés et de systèmes de gestion des données contrôlés par ordinateur produisent probablement des données meilleures et plus fiables à long terme que les laboratoires où tout est fait manuellement. Le lecteur est averti de se méfier des bonnes affaires (caveat emptor) un travail de qualité coûte généralement plus cher que le prix moyen. De plus, le coût potentiel à long terme d'interprétations erronées, dû à de mauvaises données, doit être pris en compte dans le coût total des analyses lors de l'évaluation des choix de laboratoire.

Il faut également envisager de collecter des doublons au cas où la bouteille d'échantillon serait cassée ou perdue pendant le transport. La plupart des laboratoires analysent systématiquement chaque échantillon une seule fois si des données de haute précision sont requises, soit demandent une analyse en double de chaque échantillon (et des triples si les doubles ne correspondent pas dans une plage prédéterminée) ou envoient des doubles « aveugles ». L'envoi de 10-15% de doublons aveugles est conseillé, dans tous les cas. Si un résultat semble discutable, demandez immédiatement une répétition. La plupart des laboratoires conservent les échantillons analysés pendant quelques mois avant de les jeter et analyseront à nouveau un nombre modeste d'échantillons sans frais supplémentaires.

Pour les échantillons d'eau, tracez immédiatement les données sur les valeurs aberrantes du diagramme ad D vs. d 18 O, en particulier celles qui se tracent sensiblement au-dessus de la GMWL (la ligne définie par " d D = 8 d 18 O + 10" -- voir Figure 2.7), doivent être considérés avec scepticisme et éventuellement réanalysés. Peu de processus naturels produisent des eaux qui se situent nettement au-dessus des exceptions de la GMWL, notamment la méthanogénèse dans les décharges (Baedecker et Back, 1979) et l'hydrolyse des silicates.

2.5 Applications des traceurs isotopiques en hydrologie des bassins versants

  • traceurs de l'eau elle-même : hydrologie isotopique de l'eau
  • traceurs des solutés dans l'eau : biogéochimie isotopique des solutés .

Les chapitres 10 à 22 donnent un aperçu de certaines des innombrables applications des isotopes environnementaux à l'hydrobiogéochimie des bassins versants.La plupart des chapitres se concentrent sur un type particulier de bassin versant et sur la manière dont les isotopes peuvent être utilisés pour comprendre le fonctionnement du bassin versant, ou sur des types spécifiques d'utilisation des isotopes dans les bassins versants (par exemple, pour déterminer les voies d'écoulement ou obtenir des informations climatiques). Pour des informations générales sur les utilisations des isotopes d'un élément particulier, en particulier pour les applications "au-delà du bassin versant", les sources d'informations Web utiles incluent :

http://www.iaea.or.at/ Le site Web de l'AIEA (Agence internationale de l'énergie atomique). Cette page contient des informations sur les publications de l'AIEA, comment commander des matériaux de référence isotopiques et comment accéder aux bases de données sur les isotopes de l'AIEA.

http://www.nist.gov/ Le site Web du National Institute of Standards and Technology (anciennement NBS) fournit des informations sur la commande de matériaux de référence isotopiques.

http://wwwrcamnl.wr.usgs.gov/isoig/ Le site Web de l'USGS Isotope Interest Group (IsoIG). Cette page contient une variété de liens vers des ressources liées aux isotopes, y compris de brèves notes sur les principes fondamentaux et les applications des isotopes, des informations sur les normes de référence isotopiques, des liens vers plusieurs moteurs de recherche pour trouver des publications et un lien vers le site Web du groupe de discussion par courrier électronique ISOGEOCHEM . Le serveur de liste ISOGEOCHEM se concentre principalement sur la communauté des isotopes stables, contient des liens vers de nombreux laboratoires d'isotopes et contient une archive des e-mails précédents avec un moteur de recherche complet. Si l'une des autres URL répertoriées ici a changé, consultez le site Web IsoIG pour les liens mis à jour.

http://wwwrcamnl.wr.usgs.gov/isoig/period/ Ce site Web contient un tableau périodique « cliquable » qui fournit des informations sur de nombreux isotopes, y compris des listes de publications remarquables et des descriptions des utilisations de ces isotopes en hydrologie, géologie et biologie, il contient un moteur de recherche.

http://wwwrcamnl.wr.usgs.gov/isoig/isopubs/ Le site Web de ce livre.

Les sections ci-dessous sont conçues comme une brève introduction aux nombreuses utilisations des isotopes environnementaux dans l'hydrologie des bassins versants, pour les lecteurs qui pourraient ne pas être familiers avec ce que les divers isotopes ont à offrir, et une introduction aux discussions plus approfondies dans les chapitres suivants.

2.5.1 Hydrologie isotopique de l'eau

L'hydrologie isotopique traite de l'application des mesures des isotopes qui forment les molécules d'eau : les isotopes de l'oxygène (oxygène-16, oxygène-17 et oxygène-18) et les isotopes de l'hydrogène (protium, deutérium et tritium). Ces isotopes sont des traceurs idéaux des sources d'eau et des mouvements car ils font partie intégrante des molécules d'eau, et non quelque chose qui est dissous dans l'eau comme d'autres traceurs couramment utilisés en hydrologie (par exemple, les espèces dissoutes telles que le chlorure). Les isotopes de l'eau peuvent parfois être des traceurs utiles des voies d'écoulement de l'eau, en particulier dans les systèmes d'eaux souterraines où une source d'eau avec une composition isotopique distinctive forme un « panache » dans le sous-sol (voir le chapitre 18 ou Bullen et al., 1996).

Dans la plupart des environnements à basse température, les isotopes stables de l'hydrogène et de l'oxygène se comportent de manière conservatrice dans le sens où, lorsqu'ils se déplacent dans un bassin versant, toute interaction avec l'oxygène et l'hydrogène dans les matériaux organiques et géologiques du bassin aura un effet négligeable sur les rapports d'isotopes. dans la molécule d'eau. Bien que le tritium présente également une réaction insignifiante avec les matériaux géologiques, sa concentration change avec le temps car il est radioactif et se désintègre avec une demi-vie d'environ 12,4 ans. Les principaux processus qui dictent les compositions isotopiques de l'oxygène et de l'hydrogène des eaux dans un bassin versant sont : (1) les changements de phase qui affectent l'eau au-dessus ou près de la surface du sol (évaporation, condensation, fonte) et (2) le simple mélange à ou en dessous la superficie du sol.

Les isotopes stables de l'oxygène et de l'hydrogène peuvent être utilisés pour déterminer les contributions de l'ancienne et de la nouvelle eau à un cours d'eau (et à d'autres composants du bassin versant) pendant les périodes de ruissellement élevé, car la pluie ou la fonte des neiges (nouvelle eau) qui déclenche le ruissellement est souvent isotopique. différente de l'eau déjà présente dans le bassin versant (ancienne eau). Les chapitres 3 à 7 discutent des sources de variabilité dans les compositions isotopiques de l'eau dans la pluie, la neige, l'eau du sol, les plantes et les eaux souterraines (respectivement) et expliquent pourquoi les anciens et les nouveaux composants de l'eau ont souvent des compositions isotopiques différentes. Le tritium (3 H) est un excellent traceur pour déterminer les échelles de temps pour le mélange et l'écoulement des eaux, et convient parfaitement à l'étude des processus qui se produisent sur une échelle de temps inférieure à 100 ans (voir les chapitres 3, 7 et 9). Les chapitres 10 à 14 explorent comment les isotopes peuvent être utilisés pour étudier les processus hydrologiques dans divers types de bassins versants (bassins versants tempérés et tropicaux dominés par les pluies, bassins versants dominés par la fonte des neiges, bassins arides et systèmes dominés par les lacs, respectivement).

2.5.2 Biogéochimie des isotopes de soluté

La biogéochimie isotopique traite de l'application d'isotopes de constituants dissous dans l'eau ou transportés dans la phase gazeuse. Les isotopes couramment utilisés dans la recherche en biochimie des isotopes de solutés comprennent les isotopes de : soufre (chapitre 15), azote (chapitre 16) et carbone (chapitres 17 et 18). Les isotopes moins couramment utilisés dans la recherche géochimique comprennent ceux du strontium, du plomb, de l'uranium, du radon, de l'hélium, du radium, du lithium et du bore (voir les chapitres 8, 9, 18, 19 et 20).

Contrairement aux isotopes dans les molécules d'eau, les rapports d'isotopes de soluté peuvent être considérablement modifiés par réaction avec des matériaux biologiques et/ou géologiques lorsque l'eau se déplace à travers le bassin versant. Bien que la littérature contienne de nombreuses études de cas impliquant l'utilisation de solutés (et parfois d'isotopes de solutés) pour tracer les sources d'eau et les voies d'écoulement, de telles applications incluent une hypothèse implicite selon laquelle ces solutés sont transportés de manière prudente avec l'eau. Au sens strict, les isotopes de solutés ne font que tracer des solutés. Les isotopes de soluté fournissent également des informations sur les réactions qui sont responsables de leur présence dans l'eau et les voies d'écoulement impliquées par leur présence.

Comme indiqué ci-dessus, les isotopes de l'eau fournissent souvent des informations relativement non ambiguës sur les temps de séjour et les contributions relatives de différentes sources d'eau. Ces données peuvent ensuite être utilisées pour formuler des hypothèses sur les voies d'écoulement de l'eau. Les isotopes de soluté peuvent fournir une méthode isotopique indépendante et alternative pour déterminer les quantités relatives d'eau s'écoulant le long de divers chemins d'écoulement souterrains. Cependant, l'utilisation la moins ambiguë des isotopes de soluté dans la recherche sur les bassins versants est de retracer les contributions relatives des sources potentielles de soluté aux eaux souterraines et aux eaux de surface. Bien qu'il y ait eu une utilisation intensive des isotopes du carbone, de l'azote et du soufre dans les études sur la croissance des forêts et la productivité agricole, les isotopes de soluté ne sont pas encore couramment utilisés pour déterminer les réactions d'altération et les sources de solutés dans la recherche sur les bassins versants. Ce livre tente de remédier à cette situation.

Ce qui n'est pas si évident, c'est que sur de nombreux types de tracés X-Y, les mélanges de deux membres d'extrémité ne seront pas nécessairement tracés le long de lignes mais plutôt le long de courbes hyperboliques (Figure 2.9a). Ceci est expliqué très élégamment par Faure (1986) à partir de l'exemple des rapports 87 Sr/86 Sr. Le principe de base est que les mélanges de deux composants qui ont des rapports isotopiques différents (par exemple, 87 Sr/ 86 Sr ou 15 N/ 14 N) et des concentrations différentes de l'élément en question (par exemple, Sr ou N) forment des hyperboles lorsqu'ils sont tracés sur des diagrammes. avec les coordonnées des rapports isotopiques en fonction de la concentration. Lorsque la différence entre les concentrations élémentaires de deux composants (membres d'extrémité) approche 0, les hyperboles s'aplatissent en lignes. Les hyperboles sont concaves ou convexes selon que le composant avec le rapport isotopique le plus élevé a une concentration plus élevée ou plus faible que l'autre composant. Les hyperboles de mélange peuvent être transformées en lignes droites en traçant les rapports isotopiques en fonction de l'inverse de la concentration (1/C), comme le montre la figure 2.9b.

Les méthodes graphiques sont couramment utilisées pour déterminer si les données appuient une interprétation du mélange de deux sources potentielles ou du fractionnement d'une seule source. Implicite dans de tels efforts est souvent l'idée que le mélange produira une "ligne" reliant les compositions des deux membres d'extrémité proposés alors que le fractionnement produira une "courbe". Cependant, comme le montre la figure 2.10a, le mélange et le fractionnement (dans ce cas, la dénitrification) peuvent produire des courbes (Mariotti et al., 1988), bien que les deux relations puissent sembler linéaires pour de petites plages de concentrations. Cependant, les équations décrivant les processus de mélange et de fractionnement sont différentes et dans des conditions favorables, le processus responsable de la courbe peut être identifié. En effet, les fractionnements de Rayleigh sont des relations exponentielles (Équation 2.13) et le tracé des valeurs d en fonction du logarithme naturel de la concentration produira une ligne droite (Figure 2.10b). Si une relation exponentielle n'est pas observée et qu'une ligne droite est produite sur un tracé d vs 1/C (comme la figure 2.9b), cela soutient l'affirmation selon laquelle les données sont produites par simple mélange de deux membres d'extrémité.

2.5.4 Matériaux marqués isotopiquement

Les matériaux fabriqués par l'homme avec des compositions isotopiques qui ne sont pas observées dans la nature sont appelés matériaux "à pointes" ou marqués par des isotopes. Il existe de nombreux fournisseurs commerciaux de liquides, de gaz et de solides marqués par des isotopes - certains avec des atomes à marquage multiple (par exemple, de l'eau avec des rapports inhabituels 18 O/16 O et 2 H/1 H, ou des molécules organiques avec divers pourcentages des éléments de groupes fonctionnels spécifiques marqués avec des compositions isotopiques peu courantes). L'utilisation la plus courante des traceurs dopés dans les bassins versants est pour les études agricoles sur l'absorption des nutriments par les plantes. D'autres applications comprennent des expériences sur l'ensemble du bassin versant où du NH 4 , du NO 3 ou du SO 4 marqués sont saupoudrés de pluie artificielle (voir les chapitres 15 et 16), et des études de parcelles où le H 2 O marqué est appliqué à la surface du sol pour faciliter la trace du mouvement de l'eau « nouvelle » dans le sous-sol.

    d 2 H = [( 2 H / 1 H) x / ( 2 H / 1 H) s - 1)] &point médian 1000 (Éq. 2.27)
    d 2 H = [(0/ 1 H) x / ( 2 H / 1 H) s - 1)] · 1000 = (0 - 1) · 1000 = -1000 . (Équation 2.28)
    d 2 H = [(95/5) / (156 &point médian 10 -6 ) - 1)] &point médian 1000 = +122 &point médian 10 6 . (Éq. 2.29)
    F T C T n T = F 1 C 1 n 1 + F 2 C 2 n 2 (Éq. 2.30)

2.5.5 Isotopes stables dans la modélisation géochimique

Dans la modélisation des réactions chimiques, on peut généralement trouver plusieurs modèles de réaction qui satisfont les données. Pour chaque chemin de réaction modèle, des calculs sont utilisés pour prédire la composition chimique et isotopique de la phase aqueuse ainsi que les quantités de minéraux se dissolvant ou précipités le long d'un chemin d'écoulement. La puissance de la technique des isotopes stables dans la modélisation des eaux souterraines réside dans le fait que nous avons ajouté un composant thermodynamique supplémentaire à notre système pour chaque rapport isotopique mesuré (Plummer et al., 1983). Ces compositions isotopiques peuvent être utilisées avec des données chimiques dans des modèles géochimiques de bilan de masse et de chemin de réaction (par exemple, BALANCE, PHREEQE, NETPATH, etc.) et al., 1991).

Par exemple, le d 13 C du carbone inorganique dissous total (DIC) est généralement fonction du d 13 C des roches et de l'étendue de la réaction avec les roches dans un système. Ainsi, d 13 C peut être un bon indicateur des réactions géochimiques qui se produisent (chapitre 18). Le soufre est similaire au carbone à cet égard, et les changements de d 13 C le long d'un chemin d'écoulement peuvent parfois refléter des réactions qui provoquent également des changements de d 34 S (par exemple, la précipitation progressive de calcite le long d'un chemin d'écoulement en réponse au dégazage du CO 2 provoque la dissolution du gypse ). Les changements dans la teneur en 14C le long d'un trajet d'écoulement sont utiles pour indiquer les changements dans le temps de séjour. D'un autre côté, il y a peu de changement dans le d D et le d 18 O de l'eau lors des réactions avec les minéraux le long des chemins d'écoulement peu profonds et à basse température. Par conséquent, les données isotopiques du soufre et du carbone le long d'un chemin d'écoulement peuvent parfois être utilisées pour éliminer un ou plusieurs modèles de réaction plausibles développés à partir de données chimiques, en comparant les changements observés dans les compositions isotopiques avec la progression de la réaction (Figure 2.8) le long d'un chemin d'écoulement. D'autres traceurs isotopiques stables utiles comprennent le d 15 N et le d 18 O des nitrates (chapitre 16) et le d 34 S et d 18 O des sulfates (chapitre 15). Les isotopes radiogéniques utiles comprennent le carbone-14, le strontium-87 et divers isotopes de la série de l'uranium (chapitres 7-9, 18 et 20).

2.5.6 Utilisation d'une approche multi-isotopes pour la détermination des trajets d'écoulement

Les voies d'écoulement sont les voies individuelles contribuant à l'écoulement de surface dans un bassin versant (voir chapitre 1). Ceux-ci résultent de mécanismes de ruissellement qui incluent, sans s'y limiter, un écoulement de surface à saturation excessive, un écoulement de surface hortonien, des crêtes d'eau souterraine à proximité du cours d'eau, un écoulement souterrain du versant de la colline à travers la matrice du sol ou des macropores, et un écoulement de couche organique peu profond. La connaissance des voies d'écoulement hydrologiques dans les bassins versants est essentielle à la préservation des approvisionnements publics en eau et à la compréhension du transport des polluants de source ponctuelle et diffuse (Peters, 1994). La nécessité d'intégrer la dynamique des voies d'écoulement est reconnue comme un ingrédient clé dans la production de modèles chimiques fiables (Robson et al., 1992). En d'autres termes, si le modèle utilisé se trompe sur l'hydrologie, il est peu probable qu'il prédise correctement la réponse géochimique.

Les isotopes stables tels que 18 O et 2 H sont présentés tout au long de ce livre comme une alternative améliorée aux traceurs chimiques traditionnels non conservateurs, car les eaux sont souvent étiquetées de manière unique par leurs compositions isotopiques (Sklash et Farvolden, 1979), permettant souvent la séparation des eaux. provenant de différentes sources (p. ex., « nouvelle » pluie par rapport à « l'ancienne » eau pré-tempête). Cependant, des études ont montré que les chemins d'écoulement ne peuvent généralement pas être identifiés avec un degré de certitude élevé en utilisant des données d 18 O ou d D et des techniques de séparation d'hydrogrammes simples, car les eaux dans le même chemin d'écoulement peuvent provenir de plusieurs sources différentes (Ogunkoya et Jenkins, 1991). . En outre, un thème sous-jacent à de nombreux chapitres de la partie 2 de ce livre est que la composition isotopique de la pluie, des précipitations, de l'eau de fonte, de l'eau du sol et des eaux souterraines est généralement variable dans le temps et dans l'espace. Si une telle variabilité est significative à l'échelle du bassin versant (c'est-à-dire si les eaux du versant dont la composition est variable atteignent réellement le cours d'eau pendant l'événement de tempête) ou si les temps de transit sont longs et/ou variables, alors un simple à deux et trois composants, constant composition, les modèles de mélange peuvent ne pas fournir d'interprétations réalistes de l'hydrologie du système.

Une solution consiste à inclure des méthodes isotopiques alternatives et indépendantes pour déterminer les quantités relatives d'eau s'écoulant le long de différents chemins d'écoulement souterrains dans les modèles hydrologiques. Les isotopes de soluté réactifs tels que le 13 C, le 34 S et le 87 Sr peuvent fournir des informations précieuses sur les voies d'écoulement (pas les sources d'eau) utiles pour la modélisation géochimique et hydrologique précisément parce qu'ils peuvent refléter les réactions caractéristiques et se produisant le long de voies d'écoulement spécifiques (voir Bullen et al., 1996 chapitre 18). Dans de nombreux cas, les eaux qui s'écoulent le long d'horizons minéralogiquement distincts peuvent être étiquetées de manière distincte par leur composition chimique et par les compositions isotopiques des isotopes de soluté tels que 13 C, 87 Sr, 34 S, 15 N, etc. Par exemple, les eaux s'écoulant dans le sol ont souvent des valeurs d 13 C qui sont appauvries en 13 C par rapport aux eaux souterraines plus profondes en raison de la production biogénique d'acide carbonique dans les sols organiques. Ces mêmes eaux peu profondes peuvent également avoir des compositions isotopiques Pb et Sr distinctes.

L'utilisation dominante des isotopes dans la recherche sur les bassins versants au cours des dernières décennies a été de retracer les sources d'eau et de solutés. En général, ces données ont été évaluées avec des modèles de mélange simples pour déterminer la quantité dérivée de l'une ou l'autre des deux (parfois trois) sources à composition constante. Le monde ne semble plus aussi simple. Avec l'expansion du domaine de l'hydrologie isotopique au cours de la dernière décennie, rendue possible par le développement et la disponibilité accrue de systèmes automatisés de préparation et d'analyse pour les spectromètres de masse, nous avons documenté une hétérogénéité considérable dans les compositions isotopiques de la pluie, de l'eau du sol, des eaux souterraines et sources de soluté. Nous cherchons encore à gérer cette hétérogénéité dans nos modèles hydrologiques et géochimiques. Un défi majeur est d'utiliser la variabilité comme signal, et non comme bruit, dans nos modèles (Kendall et al., 1995) les compositions isotopiques et chimiques fournissent des informations très détaillées sur les sources et les réactions dans les systèmes peu profonds, si seulement nous pouvons développer des modèles appropriés d'utiliser les données. Cette intégration de données chimiques et isotopiques avec des modèles hydrologiques complexes constitue une frontière importante de la recherche sur les bassins versants.


CHAPITRE 2 - LES RADIO-ISOTOPES EN BIOCHIMIE

L'unité SI de radioactivité, le becquerel (Bq) est de 1 désintégration par seconde. La radioactivité d'un élément ou d'un composé par unité de masse d'élément est appelée activité spécifique. L'autoradiographie joue un rôle très important dans la mesure quantitative et semi-quantitative des radio-isotopes dans les analyses biochimiques. L'autoradiographie peut être divisée en trois techniques différentes, à savoir l'autoradiographie directe, la fluorographie et l'autoradiographie indirecte. Les particules à haute énergie voyageant dans l'eau provoquent la polarisation des molécules le long de leur trajectoire, qui émettent alors des photons de lumière lorsque leur énergie retourne à l'état fondamental. L'une des applications les plus importantes des radio-isotopes en biochimie est leur utilisation pour déterminer les voies métaboliques et pour mesurer le flux de métabolites à travers les voies. Des méthodes radioisotopiques ont été développées pour tracer et doser des réactions enzymatiques. Si la réaction enzymatique est simple, l'utilisation du substrat radiomarqué ou la formation de produit radiomarqué peuvent être surveillées. Les radio-isotopes sont également utilisés pour tracer les voies métaboliques. De telles expériences impliquent généralement des techniques de poursuite d'impulsions dans lesquelles la substance radioactive est présentée au système biologique sous forme d'impulsion et le radiomarqueur est chassé à travers divers métabolites ou compartiments cellulaires.


Unités de mesure du rayonnement

UnitéAbréviationDéfinitionCommenter
Roentgen R La quantité d'énergie absorbée dans l'air Pour les rayons X et les rayons gamma uniquement
Dose de rayonnement absorbée rad L'énergie absorbée par gramme de matière

* Les unités internationales (SI) de Bequerel, Gray et Sievert sont les expressions actuellement privilégiées.

    (National Academy of Sciences, Nuclear and Radiation Studies Board, 29-30 septembre 2016) (Voir les pdf de 26 présentations)
      (PDF - 530,5 Ko)

    Rayonnement appliqué et isotopes

    La revue vise à publier des articles d'importance pour un public international, contenant une nouveauté substantielle et un impact scientifique.Les éditeurs se réservent le droit de rejeter, avec ou sans examen externe, les articles qui ne répondent pas à ces critères.

    Les articles traitant du traitement par rayonnement, c'est-à-dire où le rayonnement est utilisé pour provoquer un changement biologique, chimique ou physique dans un matériau, doivent être adressés à notre revue sœur Radiation Physics and Chemistry.

    Les manuscrits décrivant les résultats de mesures de substances radioactives ou autres dans tout milieu qui ont été obtenus à l'aide de méthodes analytiques bien établies ne seront pas acceptés à moins qu'ils ne décrivent également des innovations ou des améliorations substantielles de la méthodologie analytique. Les sujets pertinents pour les rayonnements appliqués et les isotopes sont les suivants, cependant, les auteurs sont encouragés à suggérer d'autres sujets qui pourraient également être publiés dans la revue :

    • Sources de rayonnement : conception, construction, production, caractéristiques.
    • Radionucléides : production, sections efficaces d'activation, conception des cibles, traitement, procédures de contrôle qualité.
    • Synthèse de composés marqués : synthèse, purification, contrôle qualité, tests in vitro de composés/ radiopharmaceutiques marqués par des radionucléides.
    • Mesure du rayonnement et de la radioactivité : mesure des rayons X, des rayons &ggr, des particules &agr- et &bgr-et d'autres formes d'instrumentation nucléaire de rayonnement, y compris la spectrométrie de rayonnement, la dosimétrie, les nouveaux systèmes de comptage et les compteurs de corps entier, les nouveaux systèmes de détection de rayonnement.
    • Méthodes radioanalytiques : analyse d'activation, analyse de dilution isotopique, dosage radio-immunologique, tomographie de radionucléides, spectrométrie de rayonnement.
    • Sujets de physique et de chimie nucléaires, y compris les compilations de données, directement liés aux applications pratiques.
    • Résonance Magnétique Nucléaire/Résonance de Spin Electronique : dosimétrie, datation, imagerie, applications biomédicales et accidents radiologiques.
    • Radiation médicale : le développement des applications des rayonnements ionisants et des radio-isotopes en radiothérapie, imagerie et médecine nucléaire.
    • Spectrométrie de masse par accélérateur : méthodologie, applications biomédicales, environnementales et autres.
    • Géophysique nucléaire : études de la croûte terrestre, de l'hydrosphère, de l'atmosphère et des corps planétaires, méthodes nucléaires d'exploration, d'extraction, de transport et d'utilisation de l'eau, du pétrole, du gaz, du charbon et d'autres minéraux.
    • Radiochimie : comportement chimique et spéciation des radionucléides.
    • Environnement : comportement chimique et spéciation des radionucléides et composés marqués autres que ceux d'intérêt clinique direct, dans les systèmes géologiques, environnementaux, humains, animaux ou végétaux qui modifient ce comportement.

    Les manuscrits, qui feront l'objet d'un examen par les pairs, devraient prendre l'une des formes suivantes :


    Tabagisme et rayonnement

    Le CDC estime que les cigarettes et le tabac tuent plus d'Américains chaque année que l'alcool, les accidents de voiture, le suicide, le sida, les homicides et les drogues illégales réunis. La plupart des gens savent que la fumée de cigarette et le tabac contiennent de nombreuses substances toxiques, notamment du goudron, de l'arsenic, de la nicotine et du cyanure. Les dangers courants de la cigarette sont connus depuis des décennies. Cependant, peu de gens savent que le tabac contient également des matières radioactives : le polonium-210 et le plomb-210. Ensemble, les substances toxiques et radioactives contenues dans les cigarettes nuisent aux fumeurs. Ils nuisent également aux personnes exposées à la fumée secondaire. Pour plus d'informations sur la fumée secondaire, veuillez consulter le site Web du CDC, Smoking and Tobacco Use.

    Que sont le Polonium-210 et le Plomb-210 ?

    Les matières radioactives, comme le polonium-210 et le plomb-210 se trouvent naturellement dans le sol et l'air. On les trouve également dans les engrais riches en phosphate que les agriculteurs utilisent sur leurs cultures. Le polonium-210 et le plomb-210 pénètrent dans et sur les feuilles de tabac et y restent même après le traitement du tabac.

    Lorsqu'un fumeur allume une cigarette et inhale la fumée de tabac, les substances toxiques et radioactives de la fumée pénètrent dans les poumons où elles peuvent causer des dommages directs et immédiats aux cellules et aux tissus. Les mêmes substances toxiques et radioactives peuvent également endommager les poumons des personnes à proximité.

    Comment les cigarettes, le tabac et les radiations peuvent-ils affecter votre santé ?

    Le polonium-210 et le plomb-210 s'accumulent pendant des décennies dans les poumons des fumeurs. Le goudron collant du tabac s'accumule dans les petits passages d'air dans les poumons (bronchioles) et les substances radioactives sont piégées. Au fil du temps, ces substances peuvent conduire au cancer du poumon. Des études du CDC montrent que le tabagisme cause 80 % de tous les décès par cancer du poumon chez les femmes et 90 % de tous les décès par cancer du poumon chez les hommes. Pour plus d'informations sur les risques accrus du tabagisme pour la santé, voir CDC&rsquos Health Effects of Cigarette Smoking.


    Radio-isotopes utilisés en imagerie diagnostique (traceurs)

    Les radio-isotopes peuvent être utilisés comme traceurs dans un organisme vivant pour retracer ce qui se passe à l'intérieur de l'organisme à un niveau atomique, c'est-à-dire que les radio-isotopes peuvent être injectés ou ingérés par l'organisme, et les chercheurs peuvent retracer les activités internes à l'aide de la radioactivité. Les médecins spécialistes peuvent utiliser des radio-isotopes pour voir les processus et les conditions internes à l'intérieur du corps humain. Le gallium-67, par exemple, peut être ingéré par les patients. Lorsque le patient subit une IRM ou une TEP, les médecins peuvent retracer la substance à l'intérieur du corps et voir ce qui se passe sans chirurgie invasive. D'autres radio-isotopes, tels que l'iode-123 et l'iode-125, aident les médecins à diagnostiquer les troubles thyroïdiens et les troubles métaboliques de la même manière.


    Feuille de travail sur la structure atomique

    TÉLÉCHARGER LA FICHE DE TRAVAIL SUR LA STRUCTURE ATOMIQUE

    FAITES DÉFILER VERS LE BAS POUR LA SOLUTION VIDÉO VERS LA FEUILLE DE TRAVAIL SUR LA STRUCTURE ATOMIQUE

    Section 1 : Questions à choix multiples

    Q1. L'isotope cobalt-60 ( 60 Co) est utilisé pour détruire les cellules cancéreuses dans le corps humain.

    Quelles affirmations concernant un atome de cobalt-60 sont correctes ?

    1. Il contient 33 neutrons.

    2. Son noyau a une charge relative de 27+.

    3. Il a un nombre de neutrons différent des atomes d'autres isotopes du cobalt.

    Q2. Dans quelle espèce les nombres d'électrons et de neutrons sont-ils égaux ?

    Q3. Un isotope radioactif du thallium, 201 81Tl, est utilisé pour évaluer les dommages dans les muscles cardiaques après une crise cardiaque.

    Quelle déclaration sur 201 81Tl est correct ?

    A Cet isotope a un nombre de nucléons de 120.

    B Le nombre d'électrons dans un atome de cet isotope est de 81.

    C Le nombre de neutrons dans un atome de cet isotope est de 201.

    D 201 82X est un isotope de 201 81Tél.

    Q4. La théorie de la structure atomique de John Dalton, publiée en 1808, contenait quatre prédictions sur les atomes. Laquelle de ses prédictions est toujours considérée comme correcte ?

    A Les atomes sont de très petite taille.

    B Aucun atome ne peut être divisé en parties plus simples.

    C Tous les atomes d'un élément particulier ont la même masse.

    D Tous les atomes d'un élément sont différents en masse de tous les atomes des autres éléments.

    Q5. L'isotope technétium-99 ( 99 Tc) est radioactif et a été trouvé dans les homards et les algues à proximité des usines de retraitement du combustible nucléaire.

    Quelles affirmations sont correctes à propos d'un atome de 99 Tc ?

    1 Il contient 13 neutrons de plus que de protons.

    Q6. Le cancer de la peau peut être traité à l'aide d'un isotope radioactif du phosphore, 32 P. Un composé contenant l'ion phosphure 32 15P 3− , enveloppé dans une feuille de plastique, est attaché à la zone touchée.

    Quelle est la composition de l'ion phosphure, 32 15P 3− ?

    Q7. L'une des espèces chimiques les plus importantes responsables de l'élimination de l'ozone de la stratosphère est un radical libre de chlore, le 35 Cl • .

    Quelle est la structure atomique du 35 Cl • ?

    Q8. L'unnilpentium est un élément artificiel. L'un de ses isotopes est le 262 105Unp. laquelle des déclarations suivantes est correcte?

    Un 262 105Unp a un nombre de nucléons de 105.

    B L'atome 260 X est un isotope de 262 105Unp.

    C Il y a 262 neutrons dans 262 105Unp.

    D Le nombre de protons de 262 105Unp est 262.

    Q9. L'utilisation du livret de données est pertinente pour cette question.

    On pense maintenant que lorsqu'un élément existe sous forme de plusieurs isotopes, les isotopes stables contiennent généralement un «nombre magique» de neutrons. L'un de ces nombres magiques est 126.

    Quel isotope est instable ?

    A 209 Bi B 208 Pb C 210 Po D 208 Tl

    Q10. Quel ion a plus d'électrons que de protons et plus de protons que de neutrons ?

    Q11. L'utilisation du livret de données est pertinente pour cette question.

    L'eau dure contient des ions calcium et des ions hydrogénocarbonate provenant de l'hydrogénocarbonate de calcium dissous, Ca(HCO3)2.

    Combien d'électrons sont présents dans l'anion hydrogénocarbonate ?

    Q12. Le noyau d'un atome de radon contient

    A 222 protons et 86 neutrons B 86 protons et 136 neutrons

    C 86 protons et 222 neutrons D 86 protons, 136 neutrons et 86 électrons

    Q13. Dans quelle paire les espèces contiennent-elles le même nombre de neutrons ?

    Q14. Complétez le tableau ci-dessous en donnant les nombres de protons, de neutrons et d'électrons [4]

    Q15. Considérez la composition des espèces W, X, Y et Z ci-dessous. Quelle espèce est un ion positif ?

    Q16. Le chlore se présente sous la forme de deux isotopes naturels, le chlore-35 et le chlore-37. Lequel des énoncés suivants concernant les atomes de chlore est FAUX.

    A Tous les atomes de chlore ont la même charge nucléaire.

    B Les noyaux ont des diamètres qui sont environ 1/10 000 du diamètre des atomes de chlore.

    C Certains noyaux de chlore naturels contiennent 18 neutrons.

    D Certains noyaux de chlore naturels contiennent 20 électrons.

    Q17. Les isotopes sont des éléments avec

    A le même numéro atomique et le même nombre de neutrons

    B le même nombre de masse mais un nombre différent de neutrons

    C le même numéro atomique mais un nombre différent de neutrons

    D numéros atomiques et de masse différents mais le même nombre de neutrons

    Q18. Laquelle des particules suivantes contient plus d'électrons que de neutrons

    A I uniquement B II uniquement C I et II uniquement D II et III uniquement

    Q.19 Quelle espèce possède 54 électrons et 52 protons ?

    Q20. Lequel des énoncés suivants représente une paire d'isotopes ?

    Q21. Un isotope d'un élément, de numéro atomique z, a le numéro de masse 2z + 4. Combien de neutrons y a-t-il dans le noyau de l'élément ?

    Q22. Le noyau d'un 23 11L'atome de Na contient

    A 11 protons et 12 neutrons.

    B 11 protons et 12 électrons.

    C 23 protons et 11 neutrons.

    D 23 protons et 11 électrons.

    Q23. Les isotopes du magnésium, 24 12mg et 25 12Mg, les deux forment des ions de charge 2+. Laquelle des affirmations suivantes concernant ces ions est vraie ?

    A Les deux ions ont une configuration électronique 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 .

    B 25 Mg 2+ a plus de protons que 24 Mg 2+ .

    C Les ions ont le même nombre d'électrons mais des nombres de neutrons différents.

    D Les ions ont le même nombre de neutrons mais des nombres de protons différents.

    Q24. Lequel des éléments suivants n'a pas exactement 10 électrons ?

    B Une molécule de méthane, CH4

    C Une molécule d'azote, N2

    Q25. Laquelle des affirmations suivantes concernant 25 ? 12Mg est vrai?

    (A) Il a le même nombre de neutrons et de protons.

    (B) Il peut être oxydé pour former un Mg 2+

    (C) C'est l'isotope le plus courant du magnésium.

    (D) Il a une énergie d'ionisation supérieure à 24 12Mg.

    Section 2: Structure atomique et les modèles changeants de l'atome (Questions à réponse courte)

    Q1. Sir James Jeans, qui était un grand vulgarisateur de la science, a décrit un jour la structure atomique du carbone comme étant comme six abeilles bourdonnant autour d'un espace de la taille d'un stade de football.

    (a) (i) Suggérez ce que représentaient les six abeilles dans cette description.

    (ii) Expliquez (en termes d'atome de carbone) ce qui a empêché les abeilles de s'envoler de l'espace du stade de football.

    (iii) Qu'est-ce qui manque à la description de Jeans lorsqu'elle est appliquée à un atome de carbone ?

    T2. (une) Définir un isotope en termes de ses particules subatomiques.

    Q3. Le fer et le cobalt sont des éléments adjacents dans le tableau périodique. Le fer a trois isotopes naturels principaux, le cobalt en a un.

    (b) L'isotope le plus courant du fer est le 56 Fe, le seul isotope naturel du cobalt est le 59 Co. Utilisez le livret de données pour compléter le tableau ci-dessous afin de montrer la structure atomique du 56 Fe et du 59 Co.

    Q4. Aux 19e et 20e siècles, les scientifiques ont établi la théorie atomique et ont montré qu'il existe trois particules subatomiques, l'électron, le neutron et le proton. Les masses et charges de ces trois particules ont ensuite été déterminées.

    (i) Définir le terme nombre de protons.

    (ii) Pourquoi le nombre de protons d'un atome d'un élément est-il généralement différent du nombre de nucléons d'un atome de l'élément ?

    (iii) Les protons et les neutrons ont été utilisés dans des réactions nucléaires qui aboutissent à la formation d'éléments artificiels. Dans de tels processus, les protons ou les neutrons sont accélérés à des vitesses élevées, puis tirés comme des « balles » sur le noyau d'un atome d'un élément.

    Suggérez pourquoi les neutrons sont plus efficaces que les protons en tant que « balles nucléaires ».

    (iv) Dans certains cas, lorsque des neutrons sont tirés sur les atomes d'un élément, les neutrons font partie du noyau de ces atomes.

    Quel effet la présence d'un neutron supplémentaire a-t-elle sur les propriétés chimiques des nouveaux atomes formés ? Expliquez votre réponse.

    Q5. Les masses atomiques relatives des éléments sont basées sur l'échelle 12 C.

    (a) Quelle est la composition du noyau 12 C ?

    (b) Le carbone existe également sous forme d'isotope 14C. En quoi la composition de l'isotope 14 C diffère-t-elle de celle de l'isotope 12 C ?

    Q6. L'hydrogène a trois isotopes, 1 H, connu sous le nom de protium, 2 H, deutérium et 3 H, tritium.

    (a) En termes de particules subatomiques, donnez les similitudes et les différences entre les atomes de ces trois isotopes de l'hydrogène.

    Q7. (a) Donner la charge relative et la masse relative d'un électron.

    (b) Les isotopes du chrome comprennent 54 Cr et 52 Cr

    (i) Donner le nombre de protons présents dans un atome de 54 Cr

    (ii) Déduire le nombre de neutrons présents dans un atome de 52 Cr

    Q8. (a) Complétez le tableau suivant. [2]

    Masse relative Charge relative
    Proton
    Électron

    (b) Un atome d'élément Q contient le même nombre de neutrons que dans un atome de 27 Al. Un atome de Q contient également 14 protons.

    (i) Donner le nombre de protons dans un atome de 27 Al.

    (ii) Déduire le symbole, y compris le nombre de masse et le numéro atomique, pour cet atome d'élément Q.

    Q10. Geiger et Marsden ont étudié la structure des atomes. Le schéma montre une partie de l'équipement qu'ils ont utilisé.

    (vi) Les particules alpha ont été détectées lorsqu'elles ont heurté un écran de sulfure de zinc. Comment les scientifiques ont-ils su qu'une particule alpha avait frappé l'écran ?

    Q11. Dans l'expérience de diffusion des particules de Geiger et Marsden, les particules ont été dirigées vers une feuille d'or très mince. La figure 11 montre cinq des noyaux des atomes dans une couche de la feuille d'or. Sont également montrés les chemins de trois particules dirigées vers la feuille.

    (a) Sur la Fig.11.1, complétez les chemins des trois particules . [3]

    (b) (i) Énoncez le résultat de l'expérience qui montre qu'un atome est constitué d'un très petit noyau chargé, contenant presque toute la masse de l'atome. [1]

    (iii) Indiquez ce qui occupe l'espace entre ces noyaux chargés. [1]

    (c) La notation du nucléide pour une particule est 4 2 . Indiquer le nombre de protons et de neutrons dans une particule [2]

    Q12. Utilisez les informations suivantes pour vous aider à répondre aux questions.

    L'expérience de la feuille d'or

    Les scientifiques pensaient que les électrons se dispersaient à travers un atome chargé positivement. Ils ont appelé cela le modèle de structure atomique « pudding aux prunes ».

    Pour tester cette idée, les scientifiques ont dirigé des particules alpha sur une fine feuille d'or. Ils s'attendaient à ce que les particules alpha passent directement à travers.

    Les résultats ont montré que presque toutes les particules alpha passaient directement à travers, mais quelques-unes non. Environ 1 personne sur 8 000 a été déviée à un très grand angle. Ce sont ces résultats « anormaux » qui ont conduit à une nouvelle compréhension de l'atome.

    (a) Quelle était la prédiction dans cette expérience ? [1]

    (b) (i) Qu'est-ce que les scientifiques entendent par résultats anormaux ? [1]

    (ii) Comment les scientifiques devraient-ils traiter les résultats anormaux ? [1]

    8 c) Explique comment ces résultats anormaux ont conduit à l'idée d'une charge positive au centre d'un atome. [2]

    Ceci marque la fin de la feuille de travail sur la structure atomique et les modèles changeants de l'atome.


    Voir la vidéo: Quest-ce quun ISOTOPE? Physique-Chimie lycée (Juin 2022).


Commentaires:

  1. Apophis

    Je trouve que vous n'avez pas raison. Je suis sûr. Écrivez dans PM.

  2. Jafari

    Je suis désolé, que je vous interrompre, mais vous ne pouviez pas donner plus d'informations.

  3. Cenon

    Réponse rapide, attribut d'ingéniosité ;)

  4. Sedge

    Je dois dire ceci - dans le mauvais sens.

  5. Bennett

    Je suis désolé, mais, à mon avis, ils se sont trompés. Essayons d'en discuter. Écrivez-moi en MP.

  6. Chike

    Cette situation m'est familière. Je vous invite à une discussion.



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