Uranium-lead dating method at the Pará-Iso isotope geology laboratory, UFPA, Belém – Brazil

ABSTRACT: Analytical procedures for U-Pb isotope dilution analyses at the Pará-Iso isotope geology laboratory of the Federal University of Pará (UFPA) are described in detail. The procedures are applied to zircon, titanite, rutile, apatite, columbite-tantalite and whole rock. Reagent preparation and chemical processing are done in clean-room conditions. Samples are dissolved using Teflon™ microcapsules in steel jacket Teflon™ Parr Instrument™ bomb or Teflon™ screw cap containers. U and Pb are separated using anion exchange AG 1x8 resin columns. Typical blanks for mineral sample amounts of 0.01 to 1.0 mg are less than 1 pg U and 20-30 pg Pb. Isotope analysis of the U and Pb from the same filament are carried out using a Finnigan MAT 262 mass-spectrometer in static and dynamic modes. The current analytical level is demonstrated on analyses of international standard zircon 91500 with three different ²³⁵U-²⁰⁵Pb and ²³⁵U-²⁰⁸Pb isotope tracers and whole rock standards. Results of analyses of two zircon samples are also presented.

Identification and dissolution behavior of the secondary uranium minerals in the corrosion products of Depleted Uranium (DU) ammunition formed in soils

In der vorliegenden Studie wurden verschiedene Techniken eingesetzt um drei Proben (4, 7, and 8) die aus denrnKorrosionsprodukten von aus dem Kosovo Krieg stammenden Munitionskugeln, bestehend aus abgereichertem Uranrn(Depleted Uranium - DU), zu untersuchen. Als erstes Verfahren wurde die Raman-Spektroskopie eingesetzt. Hierbeirnzeigte sichin den Proben, charakterisiert durch einen Doppelpeak, die Anwesenheit von Schoepitrn(UO2)8O2(OH)12(H2O)12. Der erste und zweite Peakzeigte sich im Spektralbereich von 840,3-842,5 cm-1rnbeziehungsweise 853,6-855,8 cm-1. Diese Werte stimmen mit den Literaturwerten für Raman-Peaks für Schoepitrnüberein. Des Weiteren wurde bei dieser Untersuchungsmethode Becquerelite Ca(UO2)6O4(OH)6(H2O)8 mit einemrnPeak im Bereich zwischen 829 to 836 cm-1 gefunden. Aufgrund des Fehlens des Becquerelitespektrums in derrnSpektralbibliothek wurde eine in der Natur vorkommende Variante analysiert und deren Peak bei 829 cm-1 bestimmt,rnwas mit den Ergebnissen in den Proben korrespondiert. Mittels Röntgenbeugung (X-Ray Diffraction, XRD) zeigtenrnsich in allen Proben ähnliche Spektren. Das lässt darauf schließen, dass das pulverisierte Material in allen Probenrndas gleiche ist. Hierbei zeigte sich eine sehr gute Übereinstimmung mit Schoepit und/oder meta-rnSchoepit(UO2)8O2(OH)12(H2O)10, sowie Becquerelite. Weiterhin war weder Autunit, Sabugalit noch Uranylphosphatrnanwesend, was die Ergebnisse einer anderen Studie, durchgeführt an denselben Proben, wiederlegt. DiernAnwesenheit von P, C oder Ca im Probenmaterial konnte ausgeschlossen werden. Im Falle von Calciumkann diesrnmit der Anwesenheit von Uran erklärt werden, welches aufgrund seines Atomradius bevorzugt in Becquerelite (1:6)rneingebaut wird. Die beiden Hauptpeaks für Uran lagen im Falle von U 4f 7/2 bei 382.0 eV und im Falle von U 4f 5/2rnbei 392 eV. Diese Werte mit den Literaturwerten für Schoepit und meta-Schoepitüberein. Die Ergebnissernelektronenmikroskopischen Untersuchung zeigen U, O, Ca, Ti als dominante Komponenten in allen Messungen.rnElemente wie Si, Al, Fe, S, Na, und C wurden ebenfalls detektiert; allerdings kann nicht ausgeschlossen werden,rndass diese Elemente aus dem Boden in der unmittelbaren Umgebung der Munitionsgeschosse stammen. Gold wurdernebenfalls gemessen, was aber auf die Goldarmierung in den Probenaufbereitungsbehältern zurückgeführt werdenrnkann. Die Elektronenmikroskopie zeigte außerdem einige Stellen in denen elementares Uran und Bodenmineralernsowie sekundäre Uranminerale auftraten. Die Elementübersicht zeigt einen direkten Zusammenhang zwischen U andrnCa und gleichzeitig keine Korrelation zwischen U und Si, oder Mg. Auf der anderen Seite zeigte sich aber einrnZusammenhang zwischen Si und Al da beide Konstituenten von Bodenmineralen darstellen. Eine mit Hilfe derrnElektronenstrahlmikroanalyse durchgeführte quantitative Analyse zeigte den Massenanteil von Uran bei ca. 78 - 80%,rnwas mit den 78,2% and 79,47% für Becquerelite beziehungsweise Schoepit aufgrund ihrer Summenformelrnkorrespondiert. Zusätzlich zeigt sich für Calcium ein Massenanteil von 2% was mit dem Wert in Becquerelite (2.19%)rnrecht gut übereinstimmt. Der Massenanteil von Ti lag in einigen Fällen bei 0,77%, was auf eine noch nicht korrodierternDU-Legierung zurückzuführen ist. Ein Lösungsexperiment wurde weiterhin durchgeführt, wobei eine 0,01 M NaClO4-rnLösung zum Einsatz kam in der die verbliebene Probensubstanz der Korrosionsprodukte gelöst wurde;rnNatriumperchlorate wurde hierbei genutzt um die Ionenstärke bei 0,01 zu halten. Um Verunreinigungen durchrnatmosphärisches CO2 zu vermeiden wurden die im Versuch für die drei Hauptproben genutzten 15 Probenbehälterrnmit Stickstoffgas gespült. Eine Modelkalkulation für den beschriebenen Versuchsaufbau wurde mit Visual MINTEQrnv.3.0 für die mittels vorgenannten Analysemethoden beschriebenen Mineralphasen im pH-Bereich von 6 – 10 imrnFalle von Becquerelite, und Schoepit berechnet. Die modellierten Lösungskurven wurden unter An- und Abwesenheitrnvon atmosphärischem CO2 kalkuliert. Nach dem Ende des Lösungsexperiments (Dauer ca. 6 Monate) zeigten diernKonzentrationen des gelösten Urans, gemessen mittels ICP-OES, gute Übereinstimmung mit den modelliertenrnSchoepit und Becquerelite Kurven. Auf Grund des ähnlichen Löslichkeitverhaltens war es nicht möglich zwichen denrnbeiden Mineralen zu unterscheiden. Schoepit kontrolliert im sauren Bereich die Löslichkeit des Urans, währendrnbecquerelit im basichen am wenigsten gelöst wird. Des Weiteren bleibt festzuhalten, dass ein Anteil an CO2 in diernverschlossenen Probenbehälter eingedrungen ist, was sich mit der Vorhersage der Modeldaten deckt. Die Löslichkeitrnvon Uran in der Lösung als Funktion des pH-Wertes zeigte die niedrigsten Konzentrationen im Falle einer Zunahmerndes pH-Wertes von 5 auf 7 (ungefähr 5,1 x 10-6 mol/l) und einer Zunahme des pH-Wertes auf 8 (ungefähr 1,5 x 10-6rnmol/l bei). Oberhalb dieses Bereichs resultiert jeder weitere Anstieg des pH-Wertes in einer Zunahme gelösten Uransrnin der Lösung. Der ph-Wert der Lösung wie auch deren pCO2-Wert kontrollieren hier die Menge des gelösten Urans.rnAuf der anderen Seite zeigten im Falle von Becquerelite die Ca-Konzentrationen höhere Werte als erwartet, wobeirnwahrscheinlich auf eine Vermischung der Proben mit Bodensubstanz zurückgeführt werden kann. Abschließendrnwurde, unter Berücksichtigung der oben genannten Ergebnisse, eine Fallstudie aus Basrah (Irak) diskutiert, wo inrnzwei militärischen Konflikten Uranmunition in zwei Regionen unter verschiedenen Umweltbedingungen eingesetztrnwurden.

Dissolved chemical elements in river waters of the Wrangel Island

Pioneer information about chemical composition of river waters in the Wrangel Island has been obtained. It is shown that water composition reflects the lithogeochemical specifics of primary rocks and ore mineralization. In contrast to many areas of the Russian Far North river waters of the island are characterized by elevated background value of total mineralization (i.e., total dissolved solids, TDS) (0.3-2 g/l) and specific chemical type (SO4-Ca-Mg). This is related to abundance of Late Carboniferous gypsiferous and dolomitic sequences in the mountainous area of the island. It has also been established that salt composition of some streams is appreciably governed by supergene alterations of sulfide mineralization associated with quartz-carbonate vein systems. They make up natural centers of surface water contamination. Waters in such streams are characterized by low pH values (2.4-5.5), high TDS (up to 6-23 g/l) and SO4-Mg composition. These waters are also marked by anomalously high concentrations of heavy and non-ferrous metals, as well as REE, U, and Th.

Dissolved actinium in the ocean

The measurement of short-lived 223Ra often involves a second measurement for supported activities, which represents 227Ac in the sample. Here we exploit this fact, presenting a set of 284 values on the oceanic distribution of 227Ac, which was collected when analyzing water samples for short-lived radium isotopes by the radium delayed coincidence counting system. The present work compiles 227Ac data from coastal regions all over the northern hemisphere, including values from ground water, from estuaries and lagoons, and from marine end-members. Deep-sea samples from a continental slope off Puerto Rico and from an active vent site near Hawaii complete the overview of 227Ac near its potential sources. The average 227Ac activities of nearshore marine end-members range from 0.4 dpm/m**3 at the Gulf of Mexico to 3.0 dpm m? 3 in the coastal waters of the Korean Strait. In analogy to 228Ra, we find the extension of adjacent shelf regions to play a substantial role for 227Ac activities, although less pronounced than for radium, due to its weaker shelf source. Based on previously published values, we calculate an open ocean 227Ac inventory of 1.35 * 1018 dpm 227Acex in the ocean, which corresponds to 37 moles, or 8.4 kg. This implies a flux of 127 dpm/m**2/y from the deep-sea floor. For the shelf regions, we obtain a global inventory of 227Ac of 4.5 * 10**15 dpm, which cannot be converted directly into a flux value, as the regional loss term of 227Ac to the open ocean would have to be included. Ac has so far been considered to behave similarly to Ra in the marine environment, with the exception of a strong Ac source in the deep-sea due to 231Paex. Here, we present evidence of geochemical differences between Ac, which is retained in a warm vent system, and Ra, which is readily released [Moore, W.S., Ussler, W. and Paull, C.K., 2008-this issue. Short-lived radium isotopes in the Hawaiian margin: Evidence for large fluid fluxes through the Puna Ridge. Marine Chemistry]. Another potential mechanism of producing deviations in 227Ac/228Ra and daughter isotope ratios from the expected production value of lithogenic material is observed at reducing environments, where enrichment in uranium may occur. The presented data here may serve as a reference for including 227Ac in circulation models, and the overview provides values for some end-members that contribute to the global Ac distribution.

Concentrations and isotopic ratios of thorium and uranium in pelagic sediments

The predictable in situ production of 230Th from the decay of uranium in seawater, and its subsequent removal by scavenging onto falling particles, provides a valuable tool for normalizing fluxes to the seafloor. We describe a new application, determination of the 232Th that dissolves in the water column and is removed to the seafloor. 232Th is supplied to the ocean in continental minerals, dissolution of which leads to a measurable standing stock in the water column. Sedimentary adsorbed 232Th/230Th ratios have the potential to provide a proxy for estimating the amount of dissolved material that enters the ocean, both today and in the past. Ten core top samples were treated with up to eight different leaching techniques in order to determine the best method for the separating adsorbed from lattice bound thorium. In addition, separate components of the sediments were analyzed to test whether clay dissolution was an important contribution to the final measurement. There was no systematic correlation between the strength of acid used in the leach and the measured 232Th/230Th ratios. In all cases clean foraminifera produced the same ratio as leaches on bulk sediment. In three out of five samples leaches performed on non-carbonate detritus in the <63 µm size fraction were also identical. Without additional water column data it is not yet clear whether there is a simple one to one correlation between the expected deep-water 232Th/230Th and that produced by leaching, especially in carbonate-rich sediments. However, higher ratios, and associated high 232Th adsorbed fluxes, were observed in areas with high expected detrital inputs. The adsorbed fraction was ~35-50% of the total 232Th in seven out of ten samples. Our 230Th normalized 232Th fluxes are reasonable by comparison to global estimates of detrital inputs to the ocean. In nine cases out of ten, the total 230Th-normalized 232Th flux is greater than predicted from the annual dust fall at each specific location, but lower than the average global detrital input from all sources.

Uranium and radioactive isotopes in bottom sediments and Fe-Mn nodules and crusts of seas and oceans

The main stages of the sedimentary cycle of uranium in modern marine basins are under consideration in the book. Annually about 18 thousand tons of dissolved and suspended uranium enters the ocean with river runoff. Depending on a type of a marine basin uranium accumulated either in sediments of deep-sea basins, or in sediments of continental shelves and slopes. In the surface layer of marine sediments hydrogenic uranium is predominantly bound with organic matter, and in ocean sediments also with iron, manganese and phosphorus. In diagenetic processes there occurs partial redistribution of uranium in sediments, as well as its concentration in iron-manganese, phosphate and carbonate nodules and biogenic phosphate detritus. Concentration of uranium in marine sediments of various types depending on their composition, as well as on forms of its entering, degree of differentiation and of sedimentation rates, on hydrochemical regime and water circulation, and on intensity of diagenetic processes.

Uranium in larval shells as a barometer of molluscan ocean acidification exposure

As the ocean undergoes acidification, marine organisms will become increasingly exposed to reduced pH, yet variability in many coastal settings complicates our ability to accurately estimate pH exposure for those organisms that are difficult to track. Here we present shell-based geochemical proxies that reflect pH exposure from laboratory and field settings in larvae of the mussels Mytilus californianus and M. galloprovincialis. Laboratory-based proxies were generated from shells precipitated at pH 7.51 to 8.04. U/Ca, Sr/Ca, and multielemental signatures represented as principal components varied with pH for both species. Of these, U/Ca was the best predictor of pH and did not vary with larval size, with semidiurnal pH fluctuations, or with oxygen concentration. Field applications of U/Ca were tested with mussel larvae reared in situ at both known and unknown pH conditions. Larval shells precipitated in a region of greater upwelling had higher U/Ca, and these U/Ca values corresponded well with the laboratory-derived U/Ca-pH proxy. Retention of the larval shell after settlement in molluscs allows use of this geochemical proxy to assess ocean acidification effects on marine populations.