Geochronologie - Einführung - tu-freiberg.de · The mineral isotope composition of two Precambrian carbonatite complexes from the Kola Alkaline Province – alteration versus primary

Geochronologie - Einführung

Isotopengeochemie und Geochronologie M. Tichomirowa

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.

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 = N0 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 = 0.6931/λ

Halbwertszeit: Zeit, nach der die Hälfte der anfänglichen Menge (N0) zerfallen ist

Willkürliche Grenze zwischen stabilen und instabilen Kernen: • Stabile Isotope: t ½ > 1016 a • Instabile (radioaktive) Isotope: t ½ < 1016 a In der Natur – kontinuierlicher Übergang

Geochronologie nutzt i.d.R. Zerfallssysteme mit Halbwertzeiten von 109 bis 1011 a

Geochronologie – Berechnung der Zeit t

N = N0 e –λt

N0 = N + D D = N (e λt – 1)

→ Konzentrationsbestimmung Mutterisotop → Konzentrationsbestimmung Tochterisotop

Konzentrationsbestimmung durch „Isotopenverdünnung“ (Fehler ≤ 1 %)

Notwendige Arbeitsschritte: • chemischer Aufschluss • Trennung der Elemente an Ionenaustauschersäulen • massenspektrometrische Messung der Mutter- und Tochterisotope

Massenspektrometer

TIMS – ThermoIonenMassenSpektrometer – Feststoff-MS

(LA)-ICP-MS (Rb-Sr-Datierung)


Rb/Sr - Methode

87Rb → 87Sr + β- (λ = 1.42 · 10-11 a-1) Nebel et al., 2011: λ = 1.393 · 10-11 a-1


Rb/Sr - Methode

Alkali-Metall Alkali-Erden Atomradius 1.48 Å 1.13 Å ersetzt K ersetzt Ca

Rb Sr


Rb/Sr - Methode

D = N · (e λt – 1) 87Sr = 87Rb · (eλt – 1) bei Sri = 0 87Sr = 87Sri + 87Rb · (eλt – 1)

( ) 87Sr 87Sr 87Rb — = — + — · (eλt – 1) 86Sr 86Sr 86Sr i

t = ln + 1 1 87Sr/86Sr – (87Sr/86Sr)i λ 87Rb/86Sr [ ]

Y = b + m · X


Rb/Sr - Methode

(87Sr/86Sr)i

eλt – 1


Rb/Sr - Methode

Isochronendiagramm: Mehrere Proben notwendig

Voraussetzung für Datierung mit Isochronensystemen: • geschlossenes System • gleiche Initialverhältnisse

→Datierung von Ereignissen (Prozessen), die zur Homogenisierung der 87Sr/86Sr-Verhältnisse führen


Rb/Sr - Methode

Datierung von: 1) Magmatischen Gesteinen

2) Metamorphen Gesteinen


Rb/Sr - Methode Isochronendiagramm – Neueinstellung des Systems


Rb/Sr - Methode

Schließungstemperaturen – closure or blocking temperature

Definition:

Diskussion: - Folgen für Datierung (Prozesse, Alter)

Schließungstemperaturen (oC) von wichtigen gesteinsbildenden Mineralen für die Rb-Sr- und Ar-Datierungsmethode

Minerale Rb-Sr-System Ar-System

Hornblende Muskowit Biotit K-Feldspat Plagioklas

550-650a 450-550b, c, k 250-350b, c, d, k 625-800e 505-800e, j, k

500-700c, f, h 325-425c, d, k, l 280-375c, g, h, k 150-200c, i 175h

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).


Rb/Sr - Methode Mineral- oder Gesamtgesteins-Isochronen?


Rb/Sr - Methode

3) Sedimentgesteinen

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


Rb/Sr - Methode


Rb/Sr - Methode

Berechnung der Isochrone - Fehlerdiskussion Geradenanpassung mittels linearer Regression 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(ac2/ab2) = Minimum - Datenpunkte, die weiter weg von Isochrone fallen, wird geringeres Gewicht beigemessen MSWD – mean standard weighted deviation → Möglichst klein (< 1)


Rb/Sr - Methode


Rb/Sr - Methode Mischungslinien: 2-Komponenten-Mischung

- mit relevantem Alter - ohne relevantes Alter


Rb/Sr - Methode Sr-Isotopengeochemie

Primordiales (ursprüngliches) 87Sr/86Sr-Verhältnis der Ur-Erde aus basaltischen Achondriten abgeleitet (Bildung aus Silikatschmelzen – ähnlich wie Planeten) BABI – Basaltic Achondrite Best Initial: = 0.69896

LUNI – 87Sr/86Sri des Mondes = 0.69892 Alter: 4.5 Ga (wie Meteoriten) Basalte in Mond-Maren: 3.9 – 3.1 Ma durch Meteoritenbombardement


Rb/Sr - Methode

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


Rb/Sr - Methode Differenzierung von Krusten- und Mantelgesteinen

Oberer Mantel: 87Sr/86Sri = 0.704 ± 0.002 Kruste: 87Sr/86Sri >> 0.704 →z.B. Granitherkunft, Assimilation von Krusten- Material, evt. regionale Tendenzen →Liefergebiete von Sedimenten, stratigraphische Variationen im Sedimentbecken →heutiger Ozean: 87Sr/86Sr = 0.70906


Rb/Sr - Methode

Tim e (Ga)012345

CanadaFennoscandiaGreenland

0.7060

0.7050

0.7040

0.7030

0.7020

0.7010

0.7000

0.6990

0.6980

?

bulk E ar thR b/S r = 0.03

D ev elopm ent l ine for theC anadian and F ennos c andiandepleted m antle , R b/S r ~ 0.02

FOZO

BABI

a

87 86Sr/ Sri

?

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, 229-249.


Rb/Sr - Methode

Basalte


Rb/Sr - Methode

Sr input: a) Eintrag der Flüsse aus Verwitterung der Gesteine b) „Mantel“-Sr an Mittelozeanischen Rücken Nicht so bedeutend: c) Grundwassereintrag: (z.B. Sr aus Karbonaten)


Rb/Sr - Methode


Rb/Sr - Methode Praxis - Anwendungsbeispiele

1. Metamorphe Gesteine

Krentz (1985)


Rb/Sr - Methode

Krentz (1985)


Rb/Sr - Methode

Krentz (1985)


Rb/Sr - Methode

Tichomirowa et al. (2001)


Rb/Sr - Methode

2. Magmatische Gesteine

Gerstenberger (1987)


Rb/Sr - Methode



Rb/Sr - Methode


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


Rb/Sr - Methode

Veränderung der Isochronen durch Rb-Zufuhr: a) um den gleichen Faktor, d.h. relativ → Zurückstellung der Isochrone (zurückgedreht) → 87Sr/86Sri unverändert → Alter jünger

b) um den gleichen absoluten Betrag → Alter unverändert → zu niedrige 87Sr/86Sri



Rb/Sr - Methode Glimmer-Isochronen



Rb/Sr - Methode

Köhler (1995)

Granit Ehrenfriedersdorf


Rb/Sr - Methode Köhler (1995)


Rb/Sr - Methode

Köhler (1995)


Rb/Sr - Methode

Isochronendiagramm zurückberechnet auf 303.7 Ma

Köhler (1995)


Rb/Sr - Methode

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: http://agk-gaussberg.agk.uni-karlsruhe.de/ftp/Isotopengeochemie/Isotop25.pdf - Gerstenberger H. (1987): Beiträge zur Aufklärung der Genese der variszisch-postkinematischen Granite des Erzgebirges anhand radiogeochronologischer, isotopengeochemischer und element- geochemischer Daten. Unveröff. Habilitationsschrift - Gerstenberger H. (1989): Autometasomatic Rb enrichments in highly evolved granites causing lowered Rb-Sr isochron intercepts. Earth Planet. Sci. Lett. 93, 65-75. - 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 Erzgebirgs- antiklinoriums, DDR. Z. geol. Wiss.13/4, 443-462.

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