Kosmogene Nuklide „Primärstrahlung“ bis 1022eV

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1 Kosmogene Nuklide „Primärstrahlung“ bis 1022eV
Sekundäre kosmische Strahlung Kernreaktionen mit Atomen in Atmosphäre und in Gesteinshülle Kosmogene Nuklide Datierungsrelevant: Stabil: 3He, 21Ne Radioaktiv:3H, 10Be, 14C, 26Al, 32Si, 36Cl, 39Ar, 41Ca, 81Kr

2 Kosmogene Nuklide… Bei Produktion in Gesteinen: „mittlere Absorptionsweglänge“ L=Reichweite, bei der Anzahl der Teilchen auf 1/e (=36,8%) abnimmt Angegeben in [g/cm3] („Flächenmasse“) Daraus über Dichte ρ [g/cm3] Dicke zu berechnen („mitlere Reichweite“) Flächenmasse für kosmische Korpuscularstrahlung ca. 150g/cm3 (bei lockerem Boden mit ρ=1,5: 100 cm) Produktion an Gesteinsoberfläche ca. 100 mal kleiner als in Atmosphäre

3 …Kosmogene Nuklide… Abschirmung kosm. Strahlung durch Erdmagnetfeld („Breiteneffekt“): am magn. Äquator stärkste, an magn. Polen schwächste Abschirmung Breiteneffekt (und Höheneffekt) bei atmosphärisch gebildeten kosmogenen Nukliden wegen Durchmischung schnell ausgeglichen, nicht bei in situ gebildeten. Bildung in situ hauptsächlich durch Kernreaktion mit Si 3He, 10Be, 26Al, 36Cl, 41Ca un Gesteinen.

4 Produktionstiefenprofil: P(d) =P0*e-d/L
…Kosmogene Nuklide… Produktionstiefenprofil: P(d) =P0*e-d/L Aufbau der produzierten Nuklide: Stabile: N=P*t Instabile: N=(1-eλt)*P/λ

5 …Kosmogene Nuklide… Bei plötzlicher Exponierung (Bergsturz, Gletscherexaration, Ein-schlagkrater, Caldera…) kann Bestrahlungsalter t datiert werden: A) stabil: t=N/P B) Instabil: t=-ln(1-λ*N/P)/λ Nach einigen HWZ Gleichgewichtspegel Ng=P/λ Wagner 1995

6 Ng=P/(λ+v/L) mit v=Abtragungsrate [g/cm2/a]
…Kosmogene Nuklide… Bei gleichzeitiger Erosion: Reduktion von Ng (weil zunehmend Oberfläche in Bereich mit vorher geringerer P verlegt wird): Ng=P/(λ+v/L) mit v=Abtragungsrate [g/cm2/a] Abtragungsrate bestimmbar nach v=(P/Ng-λ)*L Bestrahlungsalter oder Abtragungsraten bestimmbar, je nach Gegebenheiten; oder es liegt Kombination aus beiden vor

7 …Kosmogene Nuklide… Wird bei Sedimentation Probe der Bestrahlung entzogen (zu große Tiefe), Datierung von Zerfallsalter möglich (Sedimentationsalter): N=Ng*e-λt

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9 …Kosmogene Nuklide… Junge Hebungsgeschichte: Ermöglicht potenziell Rekonstruktion starker junger Hebung; allerdings Beeinträchtigung durch zeitweise Überdeckung durch Schnee und Eis.

10 Zu beachten: …Kosmogene Nuklide…
Da Produktionsraten in Atmosphäre viel höher, Kontamination durch Ausregnen. Für in situ-Datierung nur Proben aus nicht absorbierenden Gesteinen bzw. Mineralen, z. B. Quarz, verwenden.

11 …Kosmogene Nuklide… Nachweistechnik: kosmogene Nuklide oft nur durch AMS nachweisbar (seit 1977). Nachweisgrenze bis 10-12 Z.B. für 14C: konventionell (ß-Zählung) in 1 Woche Zählzeit (5g C) oft nur 10-6 der 14C-Atome (gerade zerfallend), mit AMS alle C-Atome gezählt, 1mg C ausreichend. Messgenauigkeit 0,3% für 14C, 1-3% für andere (noch verbesserbar)

12 …Kosmogene Nuklide… Erlanger AMS

13 Radiokohlenstoff (14C) Ständige Nachbildung in Atmosphäre, Gleichgewicht Über Austausch in Biosphäre und Hydrosphäre Bei Unterbindung des Austauschs (z.B. Tod des Organismus) Zerfall von 14C mit t1/2=5730 a Datierung organischer Reste (Holz, Knochen, Humus, Molluskenschalen), Eis, Grundwässer, Ozeanwässer u.a., 300 a – 40 ka Oft „terminus post quem“, d.h. datierter Zeitpunkt liegt vor dem interessierenden (Einbettung in Sediment, Gebrauch durch Menschen…)

14 14C 100%C = 98,98%12C+1,11%13C+Spuren von 14C (ca. 10-12 von 12C)
ß-Zerfall (max. 158 keV), t1/2=5730 a Bildung vorwiegend in Stratosphäre (12-15 km) 14N (n,p)14C Breitenabhängige und zeitliche Schwankungen der Produktion In situ-Produktion an Gesteinen vernachlässigbar klein t=8033*ln(14C0/14C) (falls 14C0 konstant) 1% Abnahme von 14C entspricht ca. 80 a

15 14C Nachweis: A) Konventionell durch Beta-Zählung oder Flüssigkeits-Szintillations-Zählung, Obergrenze ka, nach spezieller Anreicherung von 14C unter günstigen Umständen bis 75 ka B) AMS: ka (60 ka), erhofft werden 75 ka generell. Vorteil: sehr kleine Probenmengen, dadurch gezielte und selektive Datierung einzelner Komponenten möglich Bessere Ausscheidung von Kontamination Erste 14C-Alter durch Arnold & Libby (1949), Libby (1952; Nobelpreis für Chemie 1960).

16 14C, Kohlenstoffkreislauf n. Libby
Wagner 1995

17 14C

18 14C, Probleme und Komplikationen
14C0-Variationen der Atmosphäre, Kalibrierung A) natürlich (langfristige und kurzfristige) B) anthropogene

19 14C, Kalibrierung Schon in 1950er Jahren deutlich, dass 14C-Alter oft kleiner als unabhängig datierte Alter. 14-Messungen an Baumringen jahrtausende alter Borstenkiefern in Kalifornien; kein gesetzmäßiger Altersunterschied Kalibrierung nötig Heute über Dendrochronologie bis a möglich Darüber hinaus (mit geringerer Genauigkeit) bis 30 ka über U-Reihen (TIMS) Neuerdings Modelle bis >50 ka (z.B. über gewarvte Sedimente)

20 14C

21 14C Geyh 2006

22 14C

23 14C

24 14C

25 14C Bis zu 3,5 ka Unterschied im LGM (20 ka)40% höherer 14C0-Gehalt; auch in jüngerer Dryas dramatische Unterschiede

26 14C Ca. 40 ka cal BP: Einwanderung des moder-nen Menschen in Europa

27 14C Mögliche Ursachen langfristiger Schwankungen:
1. Änderung des Erdmagnetfeldes (Stärkeres Dipolfeldstärkere Ablenkung kosmischer Partikelgeringere 14C-Produktion 2. KlimaänderungÄnderung der ozeanischen ZirkulationÄnderung der C-Bilanz zwischen Ozean und Atmosphäre (Freisetzung von „altem“ C; 94% von C im Ozean!) 3. Mögliche primäre Oszillation der kosmischen Strahlung

28 14C

29 14C Mögliche Ursachen kurzfristiger Schwankungen:
1. „Suess-Wiggles“, a, wohl infolge Änderung der Sonnenaktivität („Sonnenwind“); hohe Aktivität mit hohen Sonnenfleckenzahlen verringern 14C-Produktions-rate („de Vries-Effekt“) bis 2%; Hohe Sonnenaktivität ~ Klimaerwärmung? “Kleine Eiszeit” (17./18. Jh.) ~ “Maunder-Minimum” Zudem 11a/22a-Zyklus der 14C-Produktion (Sonnenflecken-Zyklus) 2. „Suess-Effekt“, Freisetzung von fossilem C im Industriezeitalter, Verdünnung 14C/12C um 0,03%/a Überhöhung von Altern ab 1850 3. “Kernwaffeneffekt” : teilw. Verdoppelung des atm. 14C, heute noch +20%; „Markierung“ von Wässern

30 14C Isotopenfraktionierungs-Effekt:
Fraktionierung 12C,13C,14C bei chemischen Reaktionen, z.B. Photosynthese Für 12C/14C doppelt wie für 13C/14C, 13C/12C als Proxy für 14C/12C-Fraktionierung, da 13C stabil Angabe in Bezug auf Standard S (Belemnit PDB): 13C=1000*[(13C/12C)P – (13C/12C)S]/ (13C/12C)S in ‰ Proben gleichen Alters, aber verschied. 13C besitzen verschiedene 14C-Alter! Scheinbar Verjüngung von 14C-Alter mit steigendem 13C: 16a/ ‰ 13C Internationale Vereinbarung: Konventionelle 14C-Alter werden auf 13C-Wert von Holz (-25 ‰) bezogen! Fraktionierungskorrigierte Alter: 14Ck=14Cm*[1-2(13C +25)/1000] (14Cm ist gemessener Wert) 14Ck in Altersgleichung einsetzen! Korrektur meist <80 a, bei marinen Kalken und Organismen bis 400 a. 13C auch als Proxy für Paläotemperatur oder Paläoniederschlag.

31 14C, Isotopen-Fraktionierung

32 14C Reservoir-Effekt: Verarmung an 14C in C-Reservoiren mit langsamer Durchmischung (bez. auf t1/2) oder Austausch mit Nachbarreservoiren  Erhöhung des scheinbaren 14C-Alters Ozeanische Tiefenzirkulation besonders langsam (ca. 2 ka), Tiefenwasser bis 1,7 ka zu hohe Alter („mariner Reservoireffekt“, bes. bei Aufwallung, im Mittel 400 a) Marine Organismen übernehmen Isotopensignatur des Meerwassers, Messung rezenter Muscheln aus Untersuchungsgebiet (vor 1950) zur Korrektur. 14C-Alter an Baumringen der Südhemisphäre ca. 30 a „älter“ als gleichaltrige der N-Hemisphäre. Stärkere Verdunstung und damit Verdünnung durch altes CO2?

33 14C Hartwassereffekt Bei Karbonatlösung Aufnahme von altem C
Scheinbare Alterserhöhung Süßwassermollusken und Faulschlämme bis einige 100 a zu alt Korrekturen wegen zeitlicher Schwankungen kaum möglich. Auch bei aktiven Vulkanen durch CO2-exhalation sowie bei Zersetzung von Kalk durch Huminstoffe

34 14C, konventionell und kalibriert
Unterscheidung in Konventionelles kalibriertes Alter (Dendrochronologie) Wird zunächst berechnet, unter verschiedenen Modell- annahmen

35 14C, konventionell A) Bezugsjahr 1950 („BP“ bzw. „AD“ oder „BC“) Achtung bei Umrechnung: das Jahr „0“ gibt’s nicht! B) 14C-Anfangskonzentration wird als zeitlich konstant genommen C) Berechnung mit Libby-HWZ (5568 a, um 3% zu klein) D) Isotopenfraktionierung auf Holz bezogen (-25‰) Konv. Alter systematisch um 3% zu klein! Berücksichtigen auch nicht zeitliche 14C-Schwankungen! Auf eindeutige Angaben achten! (BP oder BP cal); sonst Vergleich nicht möglich! Altersverfälschungen werden durch Kalibration ausgeglichen

36 14C, kalibriert Durch international anerkannte Eichkurven (z.B. ) Bezeichnung als cal BP, cal BC oder cal AD Übereinstimmung (Fehler ca. 13a) von europäischen Eichen und kalifornischen Borstenkiefern, im Präboreal und früher auch europäische Kiefern Kein monotoner Verlauf der Kalibrierungskurve Bei 7300 a cal 800a Differenz, bei 11300a schon 1100a, Bei a BP alten Korallen 2130 a geg. U/Th, LGM ca a Differenz, bei 35 ka BP möglicherweise 5 ka. Durch Suess-Wiggles u. U. auch 2 Lösungen möglich (s.o. Abb. 49 aus Wagner)

37 14C, kalibriert, Verfahren

38 14C, kalibriert, Wiggle-Matching

39 14C: Grundwasser

40 14C, „caveat“ Kontamination. A) mit totem C: Erhöhung des scheinbaren Alters B) mit rezentem C: Verjüngung des scheinbaren Alters Quellen für rezenten C: Wurzeln, Huminsäureninfiltration, Bioturbation, Probenaufbereitung (bes. alte Proben gefährdet!) Maximalalter: laborabhängig. Wird erreicht, wenn [14C]- [14CUgr]≤2σ; Angabe durch >x±y ka Altholzproblem bei Holzkohle (bis einige 100 a) Höchstes gemessenes Alter: 74,7 (+2,7/-2.0) ka von „St. Pierre-Interstadial“, Früh-Wisconsin, USA

41 Tritium (3H) Erzeugung durch Spallation an N, O in Atmosphäre
Zudem anthropogen durch Kernindustrie und Bomben (Hauptmenge frühe 1960er) HWZ=12,43 a, 3H, ß3He, Emax=18.6 keV System weitgehend offen. Bomben-Tritium als Markierungssignal im hydrologischen Kreislauf (heute in Europa schon von 3H aus kerntechnischen Anlagen übertroffen) Hges=1H (99,985%) + 2H (0,015%) (Deuterium) Breitenabhängige Produktion ca. 0,25 3H-Atome/cm2s 3H/H in hohen Breiten 25*1018, in äquatorialen 4*1018, über Ozeanen höher als über Kontinenten

42 Tritium (3H) In Tiefenwässern (Ozeane, Seen) Speicherung der Tochter 3He 3H-3He: Abtauchalter: t=17,9*ln [1+ (3H-4He*1,39*10-6)/3H] Gestört durch Wasservermischung und Entgasung Schnee: Über Antarktis durch winterliche Auflösung der Tropopause verstärkter winterlicher 3H-Eintrag durch Auszählung jährlicher 3H-Minima genauer Schneelagenzählung

43 3He Erzeugung in Gesteinen der Erdoberfläche Stabil, daher 3He~t
250 a bis 1 Ma datierbar 3He aus Zerfall von 3H sowie in situ kosmogen 3He und 4He auch als Urhelium seit Gebinn der Erde. Im Erdmantel 3He/ 4He einige 10-4 bis 1,3*10-5, nahe Urhelium-Verhältnis In Kruste durch -Zerfälle 3He/ 4He ca. 2*10-8, in Atmosphäre 1,39*10-6 In Tiefen bis 3m Spallation an schweren Kernen (s.o.) Produktionsrate in Hawai (37°N, 0 m NN) 125±30 3He-Atome/cm3 Probleme: zeitliche Variabilität der Produktion, kosmogener Beitrag muss durch Subtraktion ererbter Beiträge von Gesamtkonzentration ermittelt werden. Datierung von Lavaströmen