Geochronologie - Einführung

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1 Geochronologie - Einführung Radioaktive und radiogene Isotope: Veränderung der Isotopenhäufigkeiten durch Kernzerfall spontaner Kernzerfall induzierte Kernprozesse (durch Auftreffen von Neutronen, Protonen und anderen Teilchen auf Atomkerne) Kernzerfall: instabile Kerne wandeln sich in stabile Kerne um. Dabei wird Strahlung emittiert ( Radioaktivität ): α Zerfall: Abgabe von Helium-Kernen β - - Zerfall: Umwandlung eines Neutrons in ein Proton + Elektron; Abgabe des Elektrons β + - Zerfall: Umwandlung eines Protons in ein Neutron + Positron; Abgabe des Positrons (positiv geladenes Elektron) γ Zerfall: Abgabe elektromagnetischer Strahlung Elektronen -Einfang: Elektron (meist aus der K-Schale K-Einfang ) wird in Kern gebracht, dort Reaktion mit Proton zu Neutron. Führt oft zu Tochterprodukten mit angeregten Zustand, die durch γ Strahlung (z.b. ausgelöst durch Nachrutschen eines Elektrons aus L- in K-Schale) sich in stabile Endprodukte umwandeln. Können als γ Strahlung Erzeuger genutzt werden.

2 Geochronologie - Einführung Rutherford & Soddy: Gesetz des radioaktiven Zerfalls -dn/dt = λ N λ Zerfallskonstante (Wahrscheinlichkeit, mit der 1 Atom in bestimmter Zeit zerfällt) N Anzahl radioaktiver Atome t - Zeit N = N 0 e λt e Integrationskonstante (2,718..) Zerfallsrate hängt nur von Konzentration des Mutter- Isotops ab und wird immer geringer im Laufe der Zeit Jedes Kernzerfallsystem hat seine eigene Zerfallskonstante = Maß für Geschwindigkeit des Kernzerfalls t ½ = ln 2/λ = /λ Halbwertszeit: Zeit, nach der die Hälfte der anfänglichen Menge (N 0 ) zerfallen ist

3 Willkürliche Grenze zwischen stabilen und instabilen Kernen: Stabile Isotope: t ½ > a Instabile (radioaktive) Isotope: t ½ < a In der Natur kontinuierlicher Übergang Geochronologie nutzt i.d.r. Zerfallssysteme mit Halbwertzeiten von 10 9 bis a Geochronologie Berechnung der Zeit t N = N 0 e λt N 0 = N + D D = N (e λt 1)

4 Konzentrationsbestimmung Mutterisotop Konzentrationsbestimmung Tochterisotop Konzentrationsbestimmung durch Isotopenverdünnung (Fehler 1 %) Notwendige Arbeitsschritte: chemischer Aufschluss Trennung der Elemente an Ionenaustauschersäulen massenspektrometrische Messung der Mutter- und Tochterisotope

5 Massenspektrometer TIMS ThermoIonenMassenSpektrometer Feststoff-MS ICP-MS

6 87 Rb 87 Sr + β - (λ = a -1 )

7 Rb Sr Alkali-Metall Alkali-Erden Atomradius 1.48 Å 1.13 Å ersetzt K ersetzt Ca

8 D = N (e λt 1) 87 Sr = 87 Rb (e λt 1) bei Sr i = 0 87 Sr = 87 Sr i + 87 Rb (e λt 1) 87 Sr ( 87 Sr ) 87 Rb = + (e λt 1) 86 Sr 86 Sr i 86 Sr Y = b + m X [ ] 1 87 Sr/ 86 Sr ( 87 Sr/ 86 Sr) i λ 87 Rb/ 86 Sr t = ln + 1

9 ( 87 Sr/ 86 Sr) i e λt 1

10 Isochronendiagramm: Mehrere Proben notwendig Voraussetzung für Datierung mit Isochronensystemen: geschlossenes System gleiche Initialverhältnisse Datierung von Ereignissen (Prozessen), die zur Homogenisierung der 87 Sr/ 86 Sr-Verhältnisse führen

11 Datierung von: 1) Magmatischen Gesteinen 2) Metamorphen Gesteinen

12 Isochronendiagramm Neueinstellung des Systems

13 Schließungstemperaturen closure or blocking temperature Definition: Schließungstemperaturen ( o C) von wichtigen gesteinsbildenden Mineralen für die Rb-Sr- und Ar-Datierungsmethode Minerale Rb-Sr-System Ar-System Hornblende Muskowit Biotit K-Feldspat Plagioklas a b, c, k e e, j, k b, c, d, k c, f, h c, i 175 h c, d, k, l c, g, h, k a Brabander and Giletti (1995); b Jäger et al. (1967); c Burbank and Anderson (2001); d Del Moro et al. (1982); e Giletti (1991); f Harrison (1981); g Harrison et al. (1985); h Berger and York (1981); i Harrison and McDougall (1982); j Baxter and DePaolo (2000); k Baxter et al. (2002); l Harrison et al. (2009). Diskussion: - Folgen für Datierung (Prozesse, Alter)

14 Mineral- oder Gesamtgesteins-Isochronen?

15 3) Sedimentgesteinen - an authigenen Mineralen (z.b. Tonminerale) Probleme: a) Überprägungsprozesse ( Öffnung des Systems) b) detritische Minerale z.b. in Glimmern Rekonstruktion der Liefergesteine, -gebiete und Abtragungsrichtungen; kompliziert bei gemischten Abtragungsquellen

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17 Geradenanpassung mittels linearer Regression Berechnung der Isochrone - Fehlerdiskussion Fehler der Altersbestimmung hängt ab: Fehler x Fehler y Spreizung der Werte in x-achse - Datenpunkte werden nicht nur nach Abweichung der y-werte von Geraden gewichtet, sondern der y-werte und der x-werte: Σ(ac 2 /ab 2 ) = Minimum - Datenpunkte, die weiter weg von Isochrone fallen, wird geringeres Gewicht beigemessen MSWD mean standard weighted deviation Möglichst klein (< 1)

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19 Mischungslinien: 2-Komponenten-Mischung - mit relevantem Alter - ohne relevantes Alter

20 Sr-Isotopengeochemie Primordiales (ursprüngliches) 87 Sr/ 86 Sr-Verhältnis der Ur-Erde aus basaltischen Achondriten abgeleitet (Bildung aus Silikatschmelzen ähnlich wie Planeten) BABI Basaltic Achondrite Best Initial: = LUNI 87 Sr/ 86 Sr i des Mondes = Alter: 4.5 Ga (wie Meteoriten) Basalte in Mond-Maren: Ma durch Meteoritenbombardement

21 Schematische Entwicklung der 87 Sr/ 86 Sr-Verhältnisse im Sonnennebel

22 Differenzierung von Krusten- und Mantelgesteinen Oberer Mantel: 87 Sr/ 86 Sr i = ± Kruste: 87 Sr/ 86 Sr i >> z.b. Granitherkunft, Assimilation von Krusten- Material, evt. regionale Tendenzen Liefergebiete von Sedimenten, stratigraphische Variationen im Sedimentbecken heutiger Ozean: 87 Sr/ 86 Sr =

23 Sr/ Sr i a FOZO Canada Fennoscandia Greenland?? BABI 4 bulk Earth Rb/Sr = Time (Ga) Development line for the Canadian and Fennoscandian depleted mantle, Rb/Sr ~ Tichomirowa M., Grosche G., Götze J., Belyatski B.V., Savva E.V., Keller J., Todt W. (2006): The mineral isotope composition of two Precambrian carbonatite complexes from the Kola Alkaline Province alteration versus primary magmatic signatures. Lithos, 91,

24 Basalte

25 Sr input: a) Eintrag der Flüsse aus Verwitterung der Gesteine b) Mantel -Sr an Mittelozeanischen Rücken Nicht so bedeutend: c) Grundwassereintrag: Sr aus Karbonaten

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27 Praxis - Anwendungsbeispiele 1. Metamorphe Gesteine Krentz (1985)

28 Krentz (1985)

29 Krentz (1985)

30 Tichomirowa et al. (2001)

31 2. Magmatische Gesteine Gerstenberger (1987)

32 Gerstenberger (1989)

33 Rb-Zufuhr während der Auto- Metasomatose a) um den gleichen Faktor d.h. relativ b) um den gleichen absoluten Betrag Gerstenberger (1989)

34 Veränderung der Isochronen durch Rb-Zufuhr: a) um den gleichen Faktor, d.h. relativ Zurückstellung der Isochrone (zurückgedreht) 87 Sr/ 86 Sr i unverändert Alter jünger b) um den gleichen absoluten Betrag Alter unverändert zu niedrige 87 Sr/ 86 Sr i Gerstenberger (1989)

35 Glimmer-Isochronen Gerstenberger (1989)

36 Granit Ehrenfriedersdorf Köhler (1995)

37 Köhler (1995)

38 Köhler (1995)

39 Isochronendiagramm zurückberechnet auf Ma Köhler (1995)

40 Table 4 Rb/Sr data of sample KE 561 (Erla granite) Tab. 4 Rb/Sr-Daten der Probe KE 561 (Erla) A) Individual data analysis Nr # material Rb (ppm) Sr (ppm) 87 Rb/ 86 Sr error (%) 87 Sr/ 86 Sr error (%) Granit Erla 1 whole rock (a) quartz (a) feldspar-1 (a) feldspar-2 (b) chlorite-1 (a) chlorite-2 (b) chlorite-3 (b) muscovite-1 (a) muscovite-2 (a) muscovite-3 (b) muscovite-4 (b) muscovite-5 (b) biotite-1 (a) biotite-2 (a) biotite-3 (a) B) calculated isochrons used sample Nr n isochron age error MSWD 87 Sr/ 86 Sriniti al error 1, 3, 4, 5, 6, 7, 13, 14, without quartz and all muscovites 1, 3, 4, 13, 14, without quartz, all muscovites and all ch 1, 3, 13, 14, without (b) quartz, all muscovites, all chlorit (a) analyzed at the Freiberg isotope laboratory, weights are between mg (b) analyzed at the isotope laboratory of the FU Berlin, weights are between 2-4 mg Analysis 3-4, 5-7, 8-12, and are from the same mineral separates, but analyzed at different times and using different weights

41 Granit Erla 1: WR 2: qu 3, 4: fsp 5 7: chl 8 12: mu 13 15: bt Tichomirowa & Leonhardt (2010)

42 Tichomirowa & Leonhardt (2010) 1: WR 2: topaz 3, 4: fsp 5 10: mica

43 mean value of method U/Pb U/Pb Pb/Pb Rb/Sr Rb/Sr Ar/Ar TIMS chem. Zircon evap. WR mineral Eibenstock - Nejdek Pluton 321 ± 4 1, 2 monazite, one single analysis 316 ± 3 1 monazite+xenotime+uraninite 314 ± 9 8 uraninite; (EIB + TLH + SATZ + PBH) 320 ± 8 3 n = ± 1 ms n = ± 14 9 n = ± samples; Eibenstock + Nejdek; interpreted as YIC 323 ± samples; Eibenstock + Nejdek; interpreted as YIC 311 ± samples (WR + feldspar); Eibenstock + Nejdek; interpreted as between OIC and YIC 320 ± samples; Eibenstock + Bergen; interpreted as OIC 332 ± samples; Eibenstock + Nejdek; interpreted as OIC 305 ± 4 5 abstract; 11 samples, original data not published 293 ± 9 4 dark mica, 5 samples 303 ± 8 5 abstract, 3-point isochron (WR-Bt-PLg) original data not published 310 ± 5 Rb-Sr model age using biotite ± 5 ms (KE 551) 8 point isochron; see Table 5

44 Die verwendeten Abbildungen sind aus: - Faure G. (1986): Principles of Isotope Geology, J. Wiley & Sons (eds), New York, 589 pp. - Stosch H.-G. (1999): Einführung in die Isotopengeochemie, Vorlesungsscript, 226 S. im Internet zu finden: - Gerstenberger H. (1987): Beiträge zur Aufklärung der Genese der variszisch-postkinematischen Granite des Erzgebirges anhand radiogeochronologischer, isotopengeochemischer und elementgeochemischer Daten. Unveröff. Habilitationsschrift - Gerstenberger H. (1989): Autometasomatic Rb enrichments in highly evolved granites causing lowered Rb-Sr isochron intercepts. Earth Planet. Sci. Lett. 93, Köhler R. (1995): Isotopen- und REM-Untersuchungen an einem Kleinbereichsprofil im Kontakt Granit Gneisglimmerschiefer der Zinnerzlagerstätte Ehrenfriedersdorf - Krentz O. (1985): Rb/Sr-Altersdatierungen an Parametamorphiten des westlichen Erzgebirgsantiklinoriums, DDR. Z. geol. Wiss.13/4, Tichomirowa M., Berger H.-J., Koch E.A., Belyatski B.V., Götze J., Kempe U., Nasdala L., Schaltegger U. (2001): Zircon ages of high-grade gneisses in the Eastern Erzgebirge (Central European Variscides) constraints on origin of the rocks and Precambrian to Ordovician magmatic events in the Variscan foldbelt. Lithos 56, Tichomirowa M, Leonhardt D. (2010): New age determinations (Pb/Pb zircon evaporation, Rb/Sr) on the granites from Aue-Schwarzenberg and Eibenstock, Western Erzgebirge, Germany. Z. geol. Wiss. 38,