Kosmogene Nuklide

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. …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. …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 nachv=(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

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

10. …Kosmogene Nuklide… • Zu beachten: • 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 10-10 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 30-40 ka, nach spezieller Anreicherung von 14C unter günstigen Umständen bis 75 ka • B) AMS: 40-50 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 12000 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“, 100-200 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” 1950-1964: 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. www.calib.org ) • 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 12330 a BP alten Korallen 2130 a geg. U/Th, LGM ca. 3500 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