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Uranreihen Zusammenfassung mehrerer eng verwandter Datierungsmethoden Zusammenfassung mehrerer eng verwandter Datierungsmethoden Gehen von Ungleichgewichten.

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Präsentation zum Thema: "Uranreihen Zusammenfassung mehrerer eng verwandter Datierungsmethoden Zusammenfassung mehrerer eng verwandter Datierungsmethoden Gehen von Ungleichgewichten."—  Präsentation transkript:

1 Uranreihen Zusammenfassung mehrerer eng verwandter Datierungsmethoden Zusammenfassung mehrerer eng verwandter Datierungsmethoden Gehen von Ungleichgewichten in Zerfallsreihen von 238 U und 235 U aus Gehen von Ungleichgewichten in Zerfallsreihen von 238 U und 235 U aus Z.B. 230 Th/ 234 U, 231 Pa/ 235 U, 234 U/ 238 U Ionium Z.B. 230 Th/ 234 U, 231 Pa/ 235 U, 234 U/ 238 U Ionium In geschlossenen Systemen Einstellung eines Gleichgewichts mit der Zeit, d.h. alle radioaktiven Zerfallsglieder besitzen gleiche Aktivität [Bq/kg] In geschlossenen Systemen Einstellung eines Gleichgewichts mit der Zeit, d.h. alle radioaktiven Zerfallsglieder besitzen gleiche Aktivität [Bq/kg]

2 Uranreihen

3 Uranreihen Nach Störung des Gleichgewichts: Wiedereinstellung ~t Zeitpunkt der Störung datierbar In Natur Störung durch geochemische Fraktionierung (Löslichkeit bei Verwitterung und Transport, Mineralneubildung…) Erste Beobachtung von Ra- und 230Th-Überschüssen in marinen Sedimenten bereits 1908 Datierungsversuche (1942) Entwicklung der Methoden mit verbesserten Nachweistechniken (-Spektrometrie) seit Mitte 1950er Da Korallen und Tiefseetonen Archive quartärer Klimageschichte, U-Reihen wesentliche Stütze der Quartärchronologie Massenspektrometrische Messung (TIMS) viel geringere Probenmengen (1/100) und höhere Präzision (Edwards et al. 1986/87, <1% Fehler) weltweiter Aufschwung Zeitraum von wenigen a bis >500 ka heute datierbar Faustregel: bis 5 HWZ (da HWZ von 230Th =75,4 kabis ca. 350 ka (mit TIMS u. U. bis bis ca. 500 ka)

4 Uranreihen Materialien: Materialien: Mind. 0,1 µg/g U nötig (typische Werte: Löss und geochem. Krustenmittel ca. 3 ppm, Sand 0,8-2 ppm, Ton ca. 5 ppm, Granit ca. 20 ppm, Kalkstein und –sinter bis 0,5 ppm) Mind. 0,1 µg/g U nötig (typische Werte: Löss und geochem. Krustenmittel ca. 3 ppm, Sand 0,8-2 ppm, Ton ca. 5 ppm, Granit ca. 20 ppm, Kalkstein und –sinter bis 0,5 ppm) Marin: Tiefseesedimente, Korallenriffe, Manganknollen, u. U. Molluskenschalen Marin: Tiefseesedimente, Korallenriffe, Manganknollen, u. U. Molluskenschalen Terrestrisch: Sinterkalke von Höhlen und Quellen (u.a. Travertine), pedogene Kalke, Mergel und Kalke aus Seen, fossile Zähne und Knochen (problematisch wegen U-Aufnahme), Molluskenschalen, Torfe >50 cm Terrestrisch: Sinterkalke von Höhlen und Quellen (u.a. Travertine), pedogene Kalke, Mergel und Kalke aus Seen, fossile Zähne und Knochen (problematisch wegen U-Aufnahme), Molluskenschalen, Torfe >50 cm

5 Uranreihen Komplikationen: Komplikationen: Probenkontamination und Systemöffnung (z.B. Rekristallisation, Umkristallisation) Beprobung mit Datierer oder in enger Absprache! Probenkontamination und Systemöffnung (z.B. Rekristallisation, Umkristallisation) Beprobung mit Datierer oder in enger Absprache! Jüngste Fortschritte: a) Messtechnik (TIMS) b) gezielte Mikroprobentechnik (mg-Proben aus unbedenklichsten Fraktionen Mineralogie (z.B. Mallick 2000)) Jüngste Fortschritte: a) Messtechnik (TIMS) b) gezielte Mikroprobentechnik (mg-Proben aus unbedenklichsten Fraktionen Mineralogie (z.B. Mallick 2000))

6 Uranreihen - Grundlagen Gesamt-U aus 99,3% 238 U und 0,7% 235 U Gesamt-U aus 99,3% 238 U und 0,7% 235 U Zerfall zu radioaktiven Töchtern bis zu stabilem 206 Pb bzw. 207 Pb Zerfall zu radioaktiven Töchtern bis zu stabilem 206 Pb bzw. 207 Pb Gleichgewicht: Aktivität [N]=dN/dt=-λ*N Gleichgewicht: Aktivität [N]=dN/dt=-λ*N [T]=[N] bei Gleichgew. [T]=[N] bei Gleichgew. T/ t1/2,T =N/ t1/2, N d.h. Konzentrationen ~1/t 1/2 T/ t1/2,T =N/ t1/2, N d.h. Konzentrationen ~1/t 1/2

7 Uranreihen - Grundlagen Störung des Gleichgewichts: Störung des Gleichgewichts: Chemische Prozesse (Verwitterung, Ausfällung), Chemische Prozesse (Verwitterung, Ausfällung), Physikalisch (Adsorption) Physikalisch (Adsorption) Biologisch (z.B. Kalkausscheidung) Biologisch (z.B. Kalkausscheidung) U ist z.B. leicht löslich (bes. in oxidierendem Milieu), Th nicht U ist z.B. leicht löslich (bes. in oxidierendem Milieu), Th nicht Systemöffnung mit ± vollständiger Fraktionierung Systemöffnung mit ± vollständiger Fraktionierung Erneute Schließung des Systems: Wiedereinstellung des Gleichgewichts ~t 1/2,T (s.o.) Erneute Schließung des Systems: Wiedereinstellung des Gleichgewichts ~t 1/2,T (s.o.) t 1/2 von 230 Th: 75,4 ka; 234 U: 245 ka; 231 Pa: 32,8 ka t 1/2 von 230 Th: 75,4 ka; 234 U: 245 ka; 231 Pa: 32,8 ka Gut datierbar: Tochter-/Mutternuklidpaare mit t 1/2,N >> t 1/2,T Gut datierbar: Tochter-/Mutternuklidpaare mit t 1/2,N >> t 1/2,T t 1/2 soll dem zu datierenden Zeitraum ähnlich sein. t 1/2 soll dem zu datierenden Zeitraum ähnlich sein. Anfangsgehalt von T soll vernachlässigbar klein sein. Anfangsgehalt von T soll vernachlässigbar klein sein.

8 Uranreihen - Grundlagen Wagner 1995 Calzit, Aragonit, Torf Tiefseeton

9 Uranreihen - Grundlagen 3 Komponenten von T, wenn das System noch nicht im Gleichgewicht ist: [T]= [T ü ]+ [T d ]+ [T k ] 3 Komponenten von T, wenn das System noch nicht im Gleichgewicht ist: [T]= [T ü ]+ [T d ]+ [T k ]

10 Uranreihen - Grundlagen * Einfachste Lösung: bei t 0 nur T oder nur N vorhanden!

11 Uranreihen - Grundlagen Vorige Gleichung zunächst nicht lösbar! Vorige Gleichung zunächst nicht lösbar! Die 3 Komponenten sind für die Datierung getrennt zu erfassen, am besten durch mineralogische und chemische Trennungen, da die Komponenten oft an verschiedene Minerale gebunden sind. Die 3 Komponenten sind für die Datierung getrennt zu erfassen, am besten durch mineralogische und chemische Trennungen, da die Komponenten oft an verschiedene Minerale gebunden sind. Gleichung wird lösbar, wenn Gleichung wird lösbar, wenn [T] 0 oder [N] 0 0 oder [T] 0 oder [N] 0 0 oder [T k ] bekannt [T k ] bekannt Uranreihen-Datierungsverfahren in 2 Gruppen: Uranreihen-Datierungsverfahren in 2 Gruppen: A) Störung [T]/[N]<1 (Tochterdefizit, z.B. U-Einbau in Karbonat, kein Th), A) Störung [T]/[N]<1 (Tochterdefizit, z.B. U-Einbau in Karbonat, kein Th), B) [T]/[N]>1 (Tochterüberschuss, z.B. Tiefseeton; Töchter zusätzlich zum Gleichgewichtszustand) B) [T]/[N]>1 (Tochterüberschuss, z.B. Tiefseeton; Töchter zusätzlich zum Gleichgewichtszustand)

12 Uranreihen - Wiederholung Wagner 1995 Calzit, Aragonit, Torf Tiefseeton Fall B Fall A

13 Uranreihen - Grundlagen Probleme: Probleme: 1) Kenntnis der initialen Aktivitäten von [T ü ] 0 und [T k ] bzw. ihrer Konzentrationen; Abschätzungen oder Modellannahmen nötig. 1) Kenntnis der initialen Aktivitäten von [T ü ] 0 und [T k ] bzw. ihrer Konzentrationen; Abschätzungen oder Modellannahmen nötig. 2) Geschlossenheit des Systems über zu datierenden Zeitraum, z.B. Umkristallisation von Karbonaten (s.o.; kann häufig unter Mikroskop erkannt werden hohe Ortsauflösung der Analyse notwendig). 2) Geschlossenheit des Systems über zu datierenden Zeitraum, z.B. Umkristallisation von Karbonaten (s.o.; kann häufig unter Mikroskop erkannt werden hohe Ortsauflösung der Analyse notwendig).

14 Uranreihen - Nachweistechniken Alpha-Spektrometrie; Präzision 10 4 Zählimpulse und daher bis wochenlange Zählzeiten Alpha-Spektrometrie; Präzision 10 4 Zählimpulse und daher bis wochenlange Zählzeiten TIMS (Thermo-Ionisations-Massenspektrometrie) Präzision <1% erreichbar bei ca. 10 ng des Nuklids TIMS (Thermo-Ionisations-Massenspektrometrie) Präzision <1% erreichbar bei ca. 10 ng des Nuklids

15 Uranreihen - Nachweistechniken

16 234 U/ 230 Th Mallick 2000

17 234 U/ 230 Th

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21 234 U/ 230 Th 234 U/ 230 Th Mallick 2000 Mallick 2000

22 234 U/ 230 Th 234 U/ 230 Th Mallick 2000

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28 231 Pa/ 235 U Pa chemische dem Th verwandt Pa chemische dem Th verwandt Ähnliche Grundlagen und Probleme wie bei 234 U/ 230 Th, Ähnliche Grundlagen und Probleme wie bei 234 U/ 230 Th, Allerdings entfällt 234 U/ 238 U-Problem Allerdings entfällt 234 U/ 238 U-Problem Reichweite einige ka bis 150 ka (max. 200 ka), da t 1/2 =32,8 ka. Reichweite einige ka bis 150 ka (max. 200 ka), da t 1/2 =32,8 ka. Seltener angewandt als 234 U/ 230 Th, ( 235 U nur 0,73% von U) Seltener angewandt als 234 U/ 230 Th, ( 235 U nur 0,73% von U) U-Gehalte >3µg/g erforderlich U-Gehalte >3µg/g erforderlich Materialien i. W. gleich wie für 234 U/ 230 Th Materialien i. W. gleich wie für 234 U/ 230 Th Vorteilhaft: Kombination 234 U/ 230 Th und 231 Pa/ 235 U, da Pa sehr empfindlich für Systemöffnung Vorteilhaft: Kombination 234 U/ 230 Th und 231 Pa/ 235 U, da Pa sehr empfindlich für Systemöffnung Übereinstimmung der Alter Modellannahmen nicht verletzt; Übereinstimmung der Alter Modellannahmen nicht verletzt; Z. B. Ramesch-Interglazial, ca. 35 ka (Nagel & Rabeder 1991) Z. B. Ramesch-Interglazial, ca. 35 ka (Nagel & Rabeder 1991)

29 230 Th- und 231 Pa-Überschüsse 230 Th- und 231 Pa aus Meerwasser schnell ausgefällt 230 Th- und 231 Pa aus Meerwasser schnell ausgefällt Einlagerung in Tiefseesedimente (Adsorption an Tone) Einlagerung in Tiefseesedimente (Adsorption an Tone) Produktionsraten konstant Produktionsraten konstant Überschuss in Tiefseetonen Überschuss in Tiefseetonen Substraktion von 230 Th- und 231 Pa-Beiträgen aus detritischem U nötig Substraktion von 230 Th- und 231 Pa-Beiträgen aus detritischem U nötig Bestimmbar: Alter und Sedimentationsraten von Tiefseesedimenten, Wachstunsraten von Mn-Knollen Bestimmbar: Alter und Sedimentationsraten von Tiefseesedimenten, Wachstunsraten von Mn-Knollen 230 Th: bis 350 ka; 231 Pa: bis 150 ka; Präzision 10-20% 230 Th: bis 350 ka; 231 Pa: bis 150 ka; Präzision 10-20%

30 230 Th- und 231 Pa-Überschüsse 230 Th- und 231 Pa-Überschüsse gegenüber 238 U und 235 U auch in MORB-Basalten beobachtet (Ungleichgewichte durch partielle Magmenaufschmelzung) 230 Th- und 231 Pa-Überschüsse gegenüber 238 U und 235 U auch in MORB-Basalten beobachtet (Ungleichgewichte durch partielle Magmenaufschmelzung) Unter bestimmten Voraussetzungen Rift-Basalte datierbar. Unter bestimmten Voraussetzungen Rift-Basalte datierbar. In Auvergne Anwendung auf Lavaströme. In Auvergne Anwendung auf Lavaströme.

31 210 Pb t 1/2 nur 22,3 a t 1/2 nur 22,3 a Bildung über sehr kurzlebige Zwischenglieder aus 222 Rn Bildung über sehr kurzlebige Zwischenglieder aus 222 Rn Abregnen aus Atmosphäre nach Verweildauer von Tagen bis Monaten, Eintrag in Böden und Sedimente Abregnen aus Atmosphäre nach Verweildauer von Tagen bis Monaten, Eintrag in Böden und Sedimente Datierungsvoraussetzungen: Datierungsvoraussetzungen: Konstanter Eintrag über einige HWZ, Konstanter Eintrag über einige HWZ, Abzug Ra-gestützter Detrituskomponenten, Abzug Ra-gestützter Detrituskomponenten, Dann: Ablagerungsalter und Sedimentationsraten bis 200a bestimmbar (z.B. Seen, Moore; aber Problem der Pb-Mobilität!) Dann: Ablagerungsalter und Sedimentationsraten bis 200a bestimmbar (z.B. Seen, Moore; aber Problem der Pb-Mobilität!) Materialien: Gletschereis, Korallen, Küsten- und Seesedimente, Torfe, Bleierze (sehr jung; Unterscheidung jünger/älter ca. 100 a) Materialien: Gletschereis, Korallen, Küsten- und Seesedimente, Torfe, Bleierze (sehr jung; Unterscheidung jünger/älter ca. 100 a) Anwendung in Erosionsforschung Anwendung in Erosionsforschung

32 Regeln für alle U-Reihen-Methoden Bei Probennahme beachten: - Detritische Komponenten vermeiden (z.B: keine mit Ton verunreinigten Kalksinter) - Möglichst kompaktes Material, undurchlässig für Grundwasser (sonst Gefahr für U- und Th- Austausch, z.B. keine porösen Knochen) Proben mit diagenetischen Veränderungen und Verwitterungsspuren vermeiden (Systemöffnung)


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