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Uranreihen Uranreihen Zusammenfassung mehrerer eng verwandter Zusammenfassung mehrerer eng verwandter Datierungsmethoden Datierungsmethoden Gehen von Ungleichgewichten in Gehen von Ungleichgewichten in Zerfallsreihen von Zerfallsreihen von 238 238 U und U und 235 235 U aus U aus Z.B. Z.B. 230 230 Th/ Th/ 234 234 U, U, 231 231 Pa/ Pa/ 235 235 U, U, 234 234 U/ U/ 238 238 U U „Ionium“ „Ionium“ In geschlossenen Systemen Einstellung In geschlossenen Systemen Einstellung eines Gleichgewichts mit der Zeit, d.h. eines Gleichgewichts mit der Zeit, d.h. alle radioaktiven Zerfallsglieder besitzen alle radioaktiven Zerfallsglieder besitzen gleiche Aktivität [Bq/kg] gleiche Aktivität [Bq/kg]

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UranreihenUranreihen

Zusammenfassung mehrerer eng verwandter Zusammenfassung mehrerer eng verwandter DatierungsmethodenDatierungsmethoden

Gehen von Ungleichgewichten in Zerfallsreihen Gehen von Ungleichgewichten in Zerfallsreihen von von 238238U und U und 235235U ausU aus

Z.B. Z.B. 230230Th/Th/234234U, U, 231231Pa/Pa/235235U, U, 234234U/U/238238UU „Ionium“„Ionium“

In geschlossenen Systemen Einstellung eines In geschlossenen Systemen Einstellung eines Gleichgewichts mit der Zeit, d.h. alle radioaktiven Gleichgewichts mit der Zeit, d.h. alle radioaktiven Zerfallsglieder besitzen gleiche Aktivität [Bq/kg]Zerfallsglieder besitzen gleiche Aktivität [Bq/kg]

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UranreihenUranreihen

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UranreihenUranreihen

Nach Störung des Gleichgewichts: Wiedereinstellung ~tNach Störung des Gleichgewichts: Wiedereinstellung ~t Zeitpunkt der Störung datierbarZeitpunkt der Störung datierbar In Natur Störung durch geochemische Fraktionierung (Löslichkeit In Natur Störung durch geochemische Fraktionierung (Löslichkeit

bei Verwitterung und Transport, Mineralneubildung…)bei Verwitterung und Transport, Mineralneubildung…) Erste Beobachtung von Ra- und Erste Beobachtung von Ra- und 230230Th-Überschüssen in marinen Th-Überschüssen in marinen

Sedimenten bereits 1908 Sedimenten bereits 1908 Datierungsversuche (1942) Datierungsversuche (1942) Entwicklung der Methoden mit verbesserten Nachweistechniken Entwicklung der Methoden mit verbesserten Nachweistechniken

((-Spektrometrie) seit Mitte 1950er-Spektrometrie) seit Mitte 1950er Da Korallen und Tiefseetonen Archive quartärer Klimageschichte, Da Korallen und Tiefseetonen Archive quartärer Klimageschichte,

U-Reihen wesentliche Stütze der QuartärchronologieU-Reihen wesentliche Stütze der Quartärchronologie Massenspektrometrische Messung (TIMS) Massenspektrometrische Messung (TIMS) viel geringere viel geringere

Probenmengen (1/100) und höhere Präzision (Edwards et al. Probenmengen (1/100) und höhere Präzision (Edwards et al. 1986/87, <1% Fehler) 1986/87, <1% Fehler) weltweiter Aufschwung weltweiter Aufschwung

Zeitraum von wenigen a bis >500 ka heute datierbarZeitraum von wenigen a bis >500 ka heute datierbar Faustregel: bis 5 HWZ (da HWZ von Faustregel: bis 5 HWZ (da HWZ von 230Th230Th =75,4 ka =75,4 kabis ca. 350 ka bis ca. 350 ka

(mit TIMS u. U. bis bis ca. 500 ka)(mit TIMS u. U. bis bis ca. 500 ka)

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UranreihenUranreihen

Materialien:Materialien: Mind. 0,1 µg/g U nötig (typische Werte: Löss und Mind. 0,1 µg/g U nötig (typische Werte: Löss und

geochem. Krustenmittel ca. 3 ppm, Sand 0,8-2 geochem. Krustenmittel ca. 3 ppm, Sand 0,8-2 ppm, Ton ca. 5 ppm, Granit ca. 20 ppm, Kalkstein ppm, Ton ca. 5 ppm, Granit ca. 20 ppm, Kalkstein und –sinter bis 0,5 ppm)und –sinter bis 0,5 ppm)

Marin: Tiefseesedimente, Korallenriffe, Marin: Tiefseesedimente, Korallenriffe, Manganknollen, u. U. MolluskenschalenManganknollen, u. U. Molluskenschalen

Terrestrisch: Sinterkalke von Höhlen und Quellen Terrestrisch: Sinterkalke von Höhlen und Quellen (u.a. Travertine), pedogene Kalke, Mergel und (u.a. Travertine), pedogene Kalke, Mergel und Kalke aus Seen, fossile Zähne und Knochen Kalke aus Seen, fossile Zähne und Knochen (problematisch wegen U-Aufnahme), (problematisch wegen U-Aufnahme), Molluskenschalen, Torfe >50 cmMolluskenschalen, Torfe >50 cm

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UranreihenUranreihen

Komplikationen:Komplikationen: Probenkontamination und Systemöffnung (z.B. Probenkontamination und Systemöffnung (z.B.

Rekristallisation, Umkristallisation)Rekristallisation, Umkristallisation) Beprobung mit Datierer oder in enger Beprobung mit Datierer oder in enger Absprache!Absprache!

Jüngste Fortschritte:Jüngste Fortschritte:a) Messtechnik (TIMS)a) Messtechnik (TIMS)b) gezielte Mikroprobentechnik (mg-Proben aus b) gezielte Mikroprobentechnik (mg-Proben aus unbedenklichsten Fraktionen unbedenklichsten Fraktionen Mineralogie (z.B. Mallick 2000)) Mineralogie (z.B. Mallick 2000))

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Uranreihen - GrundlagenUranreihen - Grundlagen Gesamt-U aus 99,3% Gesamt-U aus 99,3%

238238U und 0,7% U und 0,7% 235235UU Zerfall zu radioaktiven Zerfall zu radioaktiven

Töchtern bis zu stabilem Töchtern bis zu stabilem 206206Pb bzw. Pb bzw. 207207PbPb

„„Gleichgewicht“:Gleichgewicht“:Aktivität [N]=dN/dt=-Aktivität [N]=dN/dt=-λλ*N*N

[T]=[N] bei Gleichgew.[T]=[N] bei Gleichgew. T/T/t1/2,Tt1/2,T=N/=N/t1/2, Nt1/2, N

d.h. Konzentrationen d.h. Konzentrationen ~1/t~1/t1/21/2

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Uranreihen - GrundlagenUranreihen - Grundlagen Störung des Gleichgewichts:Störung des Gleichgewichts: Chemische Prozesse (Verwitterung, Ausfällung),Chemische Prozesse (Verwitterung, Ausfällung), Physikalisch (Adsorption)Physikalisch (Adsorption) Biologisch (z.B. Kalkausscheidung)Biologisch (z.B. Kalkausscheidung) U ist z.B. leicht löslich (bes. in oxidierendem Milieu), Th U ist z.B. leicht löslich (bes. in oxidierendem Milieu), Th

nichtnicht Systemöffnung mit ± vollständiger FraktionierungSystemöffnung mit ± vollständiger Fraktionierung Erneute Schließung des Systems: Wiedereinstellung des Erneute Schließung des Systems: Wiedereinstellung des

Gleichgewichts ~tGleichgewichts ~t1/2,T1/2,T (s.o.) (s.o.) tt1/21/2 von von 230 230Th: 75,4 ka; Th: 75,4 ka; 234234U: 245 ka; U: 245 ka; 231231Pa: 32,8 kaPa: 32,8 ka

Gut datierbar: Tochter-/Mutternuklidpaare mit tGut datierbar: Tochter-/Mutternuklidpaare mit t1/2,N1/2,N >> t >> t1/2,T1/2,T tt1/21/2 soll dem zu datierenden Zeitraum ähnlich sein. soll dem zu datierenden Zeitraum ähnlich sein. Anfangsgehalt von T soll vernachlässigbar klein sein.Anfangsgehalt von T soll vernachlässigbar klein sein.

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Uranreihen - GrundlagenUranreihen - Grundlagen

Wagner 1995

Calzit, Aragonit, Torf

Tiefseeton

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Uranreihen - Uranreihen - GrundlagenGrundlagen

3 Komponenten von 3 Komponenten von T, wenn das System T, wenn das System noch nicht im noch nicht im Gleichgewicht ist: Gleichgewicht ist: [T]= [T[T]= [Tüü]+ [T]+ [Tdd]+ [T]+ [Tkk]]

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Uranreihen - GrundlagenUranreihen - Grundlagen

*

Einfachste Lösung: bei t0 nur T oder nur N

vorhanden!

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Uranreihen - GrundlagenUranreihen - Grundlagen

Vorige Gleichung zunächst nicht lösbar!Vorige Gleichung zunächst nicht lösbar! Die 3 Komponenten sind für die Datierung getrennt zu erfassen, Die 3 Komponenten sind für die Datierung getrennt zu erfassen,

am besten durch mineralogische und chemische Trennungen, da am besten durch mineralogische und chemische Trennungen, da die Komponenten oft an verschiedene Minerale gebunden sind.die Komponenten oft an verschiedene Minerale gebunden sind.

Gleichung wird lösbar, wennGleichung wird lösbar, wenn [T][T]0 0 oder [N]oder [N]000 oder0 oder [T[Tkk] bekannt] bekannt

Uranreihen-Datierungsverfahren in 2 Gruppen:Uranreihen-Datierungsverfahren in 2 Gruppen: A) StörungA) Störung [T]/[N]<1 [T]/[N]<1

(Tochterdefizit, z.B. U-Einbau in Karbonat, kein Th),(Tochterdefizit, z.B. U-Einbau in Karbonat, kein Th), B) [T]/[N]>1 B) [T]/[N]>1

(Tochterüberschuss, z.B. Tiefseeton; Töchter zusätzlich zum (Tochterüberschuss, z.B. Tiefseeton; Töchter zusätzlich zum Gleichgewichtszustand)Gleichgewichtszustand)

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Uranreihen - WiederholungUranreihen - Wiederholung

Wagner 1995

Calzit, Aragonit, Torf

Tiefseeton

Fall B

Fall A

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Uranreihen - GrundlagenUranreihen - Grundlagen

Probleme:Probleme: 1) Kenntnis der initialen Aktivitäten von 1) Kenntnis der initialen Aktivitäten von

[T[Tüü]]00 und [T und [Tkk] bzw. ihrer Konzentrationen;] bzw. ihrer Konzentrationen;Abschätzungen oder Modellannahmen Abschätzungen oder Modellannahmen nötig.nötig.

2) Geschlossenheit des Systems über zu 2) Geschlossenheit des Systems über zu datierenden Zeitraum, datierenden Zeitraum, z.B. Umkristallisation von Karbonaten (s.o.; kann häufig z.B. Umkristallisation von Karbonaten (s.o.; kann häufig unter Mikroskop erkannt werden unter Mikroskop erkannt werden hohe Ortsauflösung der hohe Ortsauflösung der Analyse notwendig).Analyse notwendig).

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Uranreihen - Uranreihen - NachweistechnikenNachweistechniken

Alpha-Spektrometrie; Alpha-Spektrometrie; Präzision <1% erfordert >10Präzision <1% erfordert >1044 Zählimpulse und daher bis Zählimpulse und daher bis wochenlange Zählzeitenwochenlange Zählzeiten

TIMS TIMS (Thermo-Ionisations-Massenspektrometrie)(Thermo-Ionisations-Massenspektrometrie)

Präzision <1% erreichbar bei ca. 10 Präzision <1% erreichbar bei ca. 10 ng des Nuklidsng des Nuklids

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Uranreihen - Uranreihen - NachweistechnikenNachweistechniken

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234234U/U/230230ThTh

Mallick 2000

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234234U/U/230230ThTh

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234234U/U/230230ThTh Mallick 2000

Mallick 2000

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234234U/U/230230ThTh Mallick 2000

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234234U/U/230230ThTh Mallick 2000

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231231Pa/Pa/235235UU

Pa chemische dem Th verwandtPa chemische dem Th verwandt Ähnliche Grundlagen und Probleme wie bei Ähnliche Grundlagen und Probleme wie bei 234234U/U/230230Th,Th, Allerdings entfällt Allerdings entfällt 234234U/U/238238U-ProblemU-Problem Reichweite einige ka bis 150 ka (max. 200 ka), da tReichweite einige ka bis 150 ka (max. 200 ka), da t1/21/2=32,8 =32,8

ka.ka. Seltener angewandt als Seltener angewandt als 234234U/U/230230Th, (Th, (235235U nur 0,73% von U)U nur 0,73% von U) U-Gehalte >3µg/g erforderlichU-Gehalte >3µg/g erforderlich Materialien i. W. gleich wie für Materialien i. W. gleich wie für 234234U/U/230230ThTh Vorteilhaft: Kombination Vorteilhaft: Kombination 234234U/U/230230Th und Th und 231231Pa/Pa/235235U, da Pa sehr U, da Pa sehr

empfindlich für Systemöffnungempfindlich für Systemöffnung Übereinstimmung der Alter Übereinstimmung der Alter Modellannahmen nicht verletzt;Modellannahmen nicht verletzt; Z. B. „Ramesch-Interglazial“, ca. 35 ka (Nagel & Rabeder Z. B. „Ramesch-Interglazial“, ca. 35 ka (Nagel & Rabeder

1991) 1991)

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230230Th- und Th- und 231 231Pa-Überschüsse Pa-Überschüsse

230230Th- und Th- und 231 231Pa aus Meerwasser schnell ausgefälltPa aus Meerwasser schnell ausgefällt Einlagerung in Tiefseesedimente (Adsorption an Tone)Einlagerung in Tiefseesedimente (Adsorption an Tone) Produktionsraten konstantProduktionsraten konstant Überschuss in TiefseetonenÜberschuss in Tiefseetonen Substraktion von Substraktion von 230230Th- und Th- und 231 231Pa-Beiträgen aus Pa-Beiträgen aus

detritischem U nötigdetritischem U nötig Bestimmbar: AlterBestimmbar: Alter und Sedimentationsraten von und Sedimentationsraten von

Tiefseesedimenten, Wachstunsraten von Mn-KnollenTiefseesedimenten, Wachstunsraten von Mn-Knollen 230230Th: bis 350 ka; Th: bis 350 ka; 231231Pa: bis 150 ka; Präzision 10-20%Pa: bis 150 ka; Präzision 10-20%

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230230Th- und Th- und 231 231Pa-Überschüsse Pa-Überschüsse

230230Th- und Th- und 231 231Pa-Überschüsse gegenüber Pa-Überschüsse gegenüber 238238U und U und 235235U auch in MORB-Basalten beobachtet U auch in MORB-Basalten beobachtet (Ungleichgewichte durch partielle (Ungleichgewichte durch partielle Magmenaufschmelzung)Magmenaufschmelzung)

Unter bestimmten Voraussetzungen Rift-Basalte Unter bestimmten Voraussetzungen Rift-Basalte datierbar.datierbar.

In Auvergne Anwendung auf Lavaströme.In Auvergne Anwendung auf Lavaströme.

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210210PbPb

tt1/21/2 nur 22,3 a nur 22,3 a Bildung über sehr kurzlebige Zwischenglieder aus Bildung über sehr kurzlebige Zwischenglieder aus 222222RnRn Abregnen aus Atmosphäre nach Verweildauer von Tagen bis Abregnen aus Atmosphäre nach Verweildauer von Tagen bis

Monaten, Eintrag in Böden und SedimenteMonaten, Eintrag in Böden und Sedimente Datierungsvoraussetzungen:Datierungsvoraussetzungen: Konstanter Eintrag über einige HWZ,Konstanter Eintrag über einige HWZ, Abzug Ra-gestützter Detrituskomponenten,Abzug Ra-gestützter Detrituskomponenten, Dann: Ablagerungsalter und Sedimentationsraten bis 200a Dann: Ablagerungsalter und Sedimentationsraten bis 200a

bestimmbar (z.B. Seen, Moore; aber Problem der Pb-Mobilität!)bestimmbar (z.B. Seen, Moore; aber Problem der Pb-Mobilität!) Materialien: Gletschereis, Korallen, Küsten- und Seesedimente, Materialien: Gletschereis, Korallen, Küsten- und Seesedimente,

Torfe, Bleierze (sehr jung; Unterscheidung jünger/älter ca. 100 Torfe, Bleierze (sehr jung; Unterscheidung jünger/älter ca. 100 a)a)

Anwendung in Erosionsforschung Anwendung in Erosionsforschung

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Regeln für alle U-Reihen-MethodenRegeln für alle U-Reihen-Methoden

Bei Probennahme beachten:Bei Probennahme beachten: - Detritische Komponenten vermeiden (z.B: - Detritische Komponenten vermeiden (z.B:

keine mit Ton verunreinigten Kalksinter)keine mit Ton verunreinigten Kalksinter) - Möglichst kompaktes Material, - Möglichst kompaktes Material,

undurchlässig für Grundwasser (sonst undurchlässig für Grundwasser (sonst Gefahr für U- und Th-Austausch, z.B. keine Gefahr für U- und Th-Austausch, z.B. keine porösen Knochen)porösen Knochen)

Proben mit diagenetischen Veränderungen Proben mit diagenetischen Veränderungen und Verwitterungsspuren vermeiden und Verwitterungsspuren vermeiden (Systemöffnung)(Systemöffnung)