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Uranreihen

Uranreihen. Zusammenfassung mehrerer eng verwandter Datierungsmethoden 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“

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Uranreihen

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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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