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Overview of Uranium Series Dating Methods

Explore uranium series dating methods analyzing 238U and 235U decay imbalances. Discover various methods, isotopes, equilibrium, disturbances, nature's impacts, historical observations, advancements in dating techniques, materials, complications, latest progress, and fundamental concepts.

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Overview of Uranium Series Dating Methods

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Presentation Transcript

  1. Uranreihen • Zusammenfassung mehrerer eng verwandter Datierungsmethoden • Gehen von Ungleichgewichten in Zerfallsreihen von 238U und 235U aus • Z.B. 230Th/234U, 231Pa/235U, 234U/238U„Ionium“ • 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 kabis ca. 350 ka (mit TIMS u. U. bis bis ca. 500 ka)

  4. Uranreihen • 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) • 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

  5. Uranreihen • Komplikationen: • 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))

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

  7. Uranreihen - Grundlagen • Störung des Gleichgewichts: • Chemische Prozesse (Verwitterung, Ausfällung), • Physikalisch (Adsorption) • Biologisch (z.B. Kalkausscheidung) • U ist z.B. leicht löslich (bes. in oxidierendem Milieu), Th nicht • Systemöffnung mit ± vollständiger Fraktionierung • Erneute Schließung des Systems: Wiedereinstellung des Gleichgewichts ~t1/2,T (s.o.) • t1/2 von 230Th: 75,4 ka; 234U: 245 ka; 231Pa: 32,8 ka • Gut datierbar: Tochter-/Mutternuklidpaare mit t1/2,N >> t1/2,T • t1/2 soll dem zu datierenden Zeitraum ähnlich sein. • Anfangsgehalt von T soll vernachlässigbar klein sein.

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

  9. Uranreihen - Grundlagen • 3 Komponenten von T, wenn das System noch nicht im Gleichgewicht ist: [T]= [Tü]+ [Td]+ [Tk]

  10. Uranreihen - Grundlagen * Einfachste Lösung: bei t0 nur T oder nur N vorhanden!

  11. Uranreihen - Grundlagen • 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. • Gleichung wird lösbar, wenn • [T]0 oder [N]00 oder • [Tk] bekannt • Uranreihen-Datierungsverfahren in 2 Gruppen: • 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)

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

  13. Uranreihen - Grundlagen • Probleme: • 1) Kenntnis der initialen Aktivitäten von [Tü]0 und [Tk] 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).

  14. Uranreihen - Nachweistechniken • Alpha-Spektrometrie; Präzision <1% erfordert >104 Zählimpulse und daher bis wochenlange Zählzeiten • TIMS (Thermo-Ionisations-Massenspektrometrie)Präzision <1% erreichbar bei ca. 10 ng des Nuklids

  15. Uranreihen - Nachweistechniken

  16. 234U/230Th Mallick 2000

  17. 234U/230Th

  18. 234U/230Th

  19. 234U/230Th

  20. 234U/230Th

  21. 234U/230ThMallick 2000 Mallick 2000

  22. 234U/230ThMallick 2000

  23. 234U/230ThMallick 2000

  24. 234U/230ThMallick 2000

  25. 234U/230ThMallick 2000

  26. 234U/230ThMallick 2000

  27. 234U/230ThMallick 2000

  28. 231Pa/235U • Pa chemische dem Th verwandt • Ähnliche Grundlagen und Probleme wie bei 234U/230Th, • Allerdings entfällt 234U/238U-Problem • Reichweite einige ka bis 150 ka (max. 200 ka), da t1/2=32,8 ka. • Seltener angewandt als 234U/230Th, (235U nur 0,73% von U) • U-Gehalte >3µg/g erforderlich • Materialien i. W. gleich wie für 234U/230Th • Vorteilhaft: Kombination 234U/230Th und 231Pa/235U, da Pa sehr empfindlich für Systemöffnung • Übereinstimmung der Alter Modellannahmen nicht verletzt; • Z. B. „Ramesch-Interglazial“, ca. 35 ka (Nagel & Rabeder 1991)

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

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

  31. 210Pb • t1/2 nur 22,3 a • Bildung über sehr kurzlebige Zwischenglieder aus 222Rn • Abregnen aus Atmosphäre nach Verweildauer von Tagen bis Monaten, Eintrag in Böden und Sedimente • Datierungsvoraussetzungen: • Konstanter Eintrag über einige HWZ, • Abzug Ra-gestützter Detrituskomponenten, • 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) • 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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