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Oberflächenexpositionsdatierung Die auch bekannt als TCN Datierung Terrestrial Cosmogenic Nuklides und unter ihrer engli

Oberflächenexpositionsdatierung

Die Oberflächenexpositionsdatierung, auch bekannt als TCN-Datierung (Terrestrial Cosmogenic Nuklides) und unter ihrer englischen Bezeichnung Surface Exposure Dating, ist eine geochronologische Methode zur Erforschung von Landschaftsentwicklungen und Prozessen an der Erdoberfläche. Sie wird beispielsweise genutzt zur Altersbestimmung von Lavaströmen, Meteoriteneinschlägen, Rutschungen, Erosionsprozessen und Gletscherbewegungen.

Entstehung von Radionukliden durch kosmische Strahlung an Gesteinoberflächen

Im Vergleich zu anderen Methoden der Geochronologie, die eine absolute Altersbestimmung ermöglichen, wird mit Hilfe von quantitativ bestimmten Radionukliden eruiert, wann ein Gestein oder eine Gesteinsoberfläche das erste oder letzte Mal oder für welche Zeitdauer kosmischer Höhenstrahlung an oder nahe der Erdoberfläche ausgesetzt war und der Zeitraum unter bestimmten Annahmen berechnet.

Im Fall der Untersuchung von prähistorischen Gletscherbewegungen kann, nachdem ein Gletscher die Gesteinsoberfläche freigegeben hat, bestimmt werden, wie lange die neue Oberfläche der kosmischen Strahlung ausgesetzt war, also seit wann der Gletscher sich zurückgezogen hat.

Grundlage Bearbeiten

Durch die Bestimmung der Konzentrationen von kosmogenen Radionukliden (z. B. 10Be, 26Al, 36Cl) in Oberflächengesteinen wird ermittelt, wie lange die untersuchte Oberfläche der kosmischen Strahlung ausgesetzt war. Damit können im einfachsten Fall ein Mindestexpositionsalter oder bei geeigneten Messkombinationen das Expositionsalter, also die Dauer der Exposition, und die Erosionsrate bestimmt werden.

Der maximale Zeitraum, der mit Expositionsdatierungen abgedeckt werden kann, beträgt ca. 3 Halbwertszeiten des untersuchten Radionuklids, das bedeutet für die Aluminium-Beryllium-Methode und Chlor-Methode eine ungefähre maximale Reichweite von 4,5 Millionen Jahren. Für stabile Edelgase gibt es keinen Maximalzeitraum; so können bei geologisch außerordentlich stabilen Landschaften Expositionsalter von mehreren 10 Ma bestimmt werden (z. B. Atacama-Wüste, Antarktis).

Aluminium-Beryllium-Methode Bearbeiten

Mit der Aluminium-Beryllium-Methode datierter Schädel von „Mrs. Ples“ (Australopithecus africanus) aus Sterkfontein/Südafrika

Die Altersbestimmung über das Aluminiumisotop 26Al und das Berylliumisotop 10Be im Mineral Quarz basiert auf dem (bekannten) Verhältnis von 26Al und 10Be, die beide durch kosmische Strahlung (Neutronen-Spallation, Myonen-Einfang) an der Oberfläche von Steinen/Mineralen entstehen. Das Verhältnis ist abhängig u. a. von der Höhenlage, der geomagnetischen Breite, der Strahlungsgeometrie und einer möglichen Schwächung der Strahlung durch Abschirmungen (Verbringung, Bedeckung). Die spezifischen Strahlungsbedingungen und damit das Verhältnis von 26Al zu 10Be müssen vor der Altersbestimmung festgelegt bzw. abgeschätzt werden können.

Ab dem Zeitpunkt, zu dem das in Frage kommende Material vor der kosmischen Strahlung abgeschirmt wurde (z. B. durch Einlagern in eine Höhle), nimmt der Anteil der beiden Radionuklide durch radioaktiven Zerfall unterschiedlich schnell ab, sodass sich aus dem Verhältnis dieser Radionuklide zum Zeitpunkt der Untersuchung und dem angenommenen (bekannten) Gleichgewichtsverhältnis unter Bestrahlung und Kenntnis der jeweiligen Halbwertszeiten (siehe auch Nuklidkarte) das Alter abschätzen lässt.

Diese Methode wurde auch zur Bestimmung des Alters von fossilen Hominiden-Knochen aus Sterkfontein genutzt. Allerdings können die Knochen nicht direkt untersucht werden, sondern es werden die sie umgebenden Quarz enthaltenden Sedimente herangezogen.

10Be wurde auch genutzt, um den endgültigen Rückzug der eiszeitlichen Gletscher in Mecklenburg-Vorpommern in der Weichselkaltzeit vor etwa 14.000 bis 15.000 Jahren zeitlich zu bestimmen.

Chlor-Methode Bearbeiten

Mit der Chlor-Methode datierter Lavafluss westlich von Carrizozo/New Mexico, USA

Die Nutzbarkeit des Chlorisotops 36Cl basiert darauf, dass 36Cl nahezu vollständig durch die Einwirkung kosmischer Strahlung auf die Gesteinsoberfläche entsteht. Der Hauptbildungsprozesse sind die Spallation von 39K und 40Ca und die Aktivierung von 35Cl durch thermische Neutronen. Ausgehend von einem Ausgangsverhältnis von 36Cl zu stabilem Cl zu Beginn der Exposition des Gesteins an der Erdoberfläche wird unter Berücksichtigung der Halbwertzeit des 36Cl aus dem real vorhandenen Verhältnis der beiden Chlor-Isotope zurückgerechnet.

Auch die Anwendbarkeit der Chlor-Methode ist abhängig von der Genauigkeit der Bestimmung des Ausgangsverhältnisses der beiden Isotope. U. a. Höhenlage und die geographische Breite sind dabei zu berücksichtigen.

Altersbestimmungen von jungen vulkanischen Gesteinen von mehreren hundert bis zu mehreren Millionen Jahren sind möglich. So wurde beispielsweise das Alter eines Lavastroms in New Mexico auf 5.200 Jahre datiert.

Randbedingungen Bearbeiten

Damit eine Datierung plausible Ergebnisse liefert, muss sichergestellt werden, dass die untersuchte Oberfläche nicht signifikant durch Erosion modifiziert wurde und nicht durch zwischenzeitliche Bedeckung (Schnee, Bodenbildung etc.) dem direkten Einfluss der kosmischen Strahlung (teilweise) entzogen wurde, oder die Erosionsrate und Phasen zwischenzeitlicher Bedeckung müssen durch unabhängige Beobachtungen bekannt sein.

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. B. Heuel-Fabianek: Natürliche Radioisotope: die „Atomuhr“ für die Bestimmung des absoluten Alters von Gesteinen und archäologischen Funden. In: Strahlenschutz Praxis. 1/2017, S. 31–42.
  2. Joerg M. Schaefer, Alexandru T. Codilean, Jane K. Willenbring, Zheng-Tian Lu, Benjamin Keisling: Cosmogenic nuclide techniques. In: Nature Reviews Methods Primers. Band 2, Nr. 1, 10. März 2022, ISSN 2662-8449, S. 1–22, doi:10.1038/s43586-022-00096-9 (nature.com [abgerufen am 12. März 2022]).
  3. ↑ Expositionsdatierung. In: CologneAMS. Universität Köln, 11. Mai 2020, abgerufen am 3. Februar 2022.
  4. B. Heuel-Fabianek: Altersbestimmung mit Silizium? In: Strahlenschutz Praxis. 3/2003, S. 69.
  5. T. C. Partridge, D. E. Granger, M. W. Caffee, R. J. Clarke: Lower Pliocene Hominid Remains from Sterkfontein. In: Science. Vol. 300, Nr. 5619, 25. April 2003, S. 607–612.
  6. A. Börner, V. Rinterknecht, D. Bourles, R. Braucher: Erste Ergebnisse von Oberflächenexpositionsdatierungen an glazialen Großgeschieben durch in-situ gebildetes kosmogenes Beryllium-10 in Mecklenburg-Vorpommern (Nordostdeutschland)? In: Z. geol. Wiss. (Berlin). Vol. 41, 2013, S. 123–143.
  7. F. M. Phillips, B. D. Leavy, N. O. Jannik, D. Elmore, P. W. Kubik: The accumulation of cosmogenic chlorine-36 in rocks: A method for surface exposure dating. In: Science. Vol. 231, 1986, S. 41–43.
  8. N. W. Dunbar: Cosmogenic 36Cl -determined age of the Carrizozo lava flows, south-central New Mexico. In: New Mexico Geology. Volume 21, No. 2, Mai 1999.

Literatur Bearbeiten

  • G. Balco, J. O. Stone, N. A. Lifton, T. J. Dunai: A complete and easily accessible means of calculating surface exposure ages or erosion rates from 10Be and 26Al measurements. In: Quaternary Geochronology. Band 3, 2008, S. 174–195.
  • D. Lal, J. R. Arnold: Tracing quartz through the environment. In: Proceedings of the Indian Academy of Sciences-Earth and Planetary Sciences. Band 94, Nr. 1, 1985, S. 1–5.
  • T. E. Cerling, H. Craig: Geomorphology and in situ cosmogenic isotopes. In: Annual Review of Earth and Planetary Sciences. Band 22, 1994, S. 273–317.
  • S. Tschudi: Surface exposure dating: A geologist’s view with examples from both hemispheres. Dissertation der Philosophisch-naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Bern, 2000. (ams.ethz.ch, PDF; 1,8 MB).
  • M. G. Zreda, F. M. Phillips, D. Elmore, P. W. Kubik, P. Sharma, R. I. Dorn: Cosmogenic chlorine-36 production rates in terrestrial rocks. In: Earth and Planetary Science Letters. Band 105, 1991, S. 94–109.

Weblinks Bearbeiten

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Die Oberflachenexpositionsdatierung auch bekannt als TCN Datierung Terrestrial Cosmogenic Nuklides und unter ihrer englischen Bezeichnung Surface Exposure Dating ist eine geochronologische Methode zur Erforschung von Landschaftsentwicklungen und Prozessen an der Erdoberflache Sie wird beispielsweise genutzt zur Altersbestimmung von Lavastromen Meteoriteneinschlagen Rutschungen Erosionsprozessen und Gletscherbewegungen 1 2 Entstehung von Radionukliden durch kosmische Strahlung an GesteinoberflachenIm Vergleich zu anderen Methoden der Geochronologie die eine absolute Altersbestimmung ermoglichen wird mit Hilfe von quantitativ bestimmten Radionukliden eruiert wann ein Gestein oder eine Gesteinsoberflache das erste oder letzte Mal oder fur welche Zeitdauer kosmischer Hohenstrahlung an oder nahe der Erdoberflache ausgesetzt war und der Zeitraum unter bestimmten Annahmen berechnet Im Fall der Untersuchung von prahistorischen Gletscherbewegungen kann nachdem ein Gletscher die Gesteinsoberflache freigegeben hat bestimmt werden wie lange die neue Oberflache der kosmischen Strahlung ausgesetzt war also seit wann der Gletscher sich zuruckgezogen hat Inhaltsverzeichnis 1 Grundlage 2 Aluminium Beryllium Methode 3 Chlor Methode 4 Randbedingungen 5 Einzelnachweise 6 Literatur 7 WeblinksGrundlage BearbeitenDurch die Bestimmung der Konzentrationen von kosmogenen Radionukliden z B 10Be 26Al 36Cl in Oberflachengesteinen wird ermittelt wie lange die untersuchte Oberflache der kosmischen Strahlung ausgesetzt war Damit konnen im einfachsten Fall ein Mindestexpositionsalter oder bei geeigneten Messkombinationen das Expositionsalter also die Dauer der Exposition und die Erosionsrate bestimmt werden Der maximale Zeitraum der mit Expositionsdatierungen abgedeckt werden kann betragt ca 3 Halbwertszeiten des untersuchten Radionuklids das bedeutet fur die Aluminium Beryllium Methode und Chlor Methode eine ungefahre maximale Reichweite von 4 5 Millionen Jahren 3 Fur stabile Edelgase gibt es keinen Maximalzeitraum so konnen bei geologisch ausserordentlich stabilen Landschaften Expositionsalter von mehreren 10 Ma bestimmt werden z B Atacama Wuste Antarktis 3 Aluminium Beryllium Methode Bearbeiten nbsp Mit der Aluminium Beryllium Methode datierter Schadel von Mrs Ples Australopithecus africanus aus Sterkfontein SudafrikaDie Altersbestimmung uber das Aluminiumisotop 26Al und das Berylliumisotop 10Be im Mineral Quarz basiert auf dem bekannten Verhaltnis von 26Al und 10Be die beide durch kosmische Strahlung Neutronen Spallation Myonen Einfang an der Oberflache von Steinen Mineralen entstehen Das Verhaltnis ist abhangig u a von der Hohenlage der geomagnetischen Breite der Strahlungsgeometrie und einer moglichen Schwachung der Strahlung durch Abschirmungen Verbringung Bedeckung Die spezifischen Strahlungsbedingungen und damit das Verhaltnis von 26Al zu 10Be mussen vor der Altersbestimmung festgelegt bzw abgeschatzt werden konnen 4 Ab dem Zeitpunkt zu dem das in Frage kommende Material vor der kosmischen Strahlung abgeschirmt wurde z B durch Einlagern in eine Hohle nimmt der Anteil der beiden Radionuklide durch radioaktiven Zerfall unterschiedlich schnell ab sodass sich aus dem Verhaltnis dieser Radionuklide zum Zeitpunkt der Untersuchung und dem angenommenen bekannten Gleichgewichtsverhaltnis unter Bestrahlung und Kenntnis der jeweiligen Halbwertszeiten siehe auch Nuklidkarte das Alter abschatzen lasst Diese Methode wurde auch zur Bestimmung des Alters von fossilen Hominiden Knochen aus Sterkfontein genutzt 5 Allerdings konnen die Knochen nicht direkt untersucht werden sondern es werden die sie umgebenden Quarz enthaltenden Sedimente herangezogen 10Be wurde auch genutzt um den endgultigen Ruckzug der eiszeitlichen Gletscher in Mecklenburg Vorpommern in der Weichselkaltzeit vor etwa 14 000 bis 15 000 Jahren zeitlich zu bestimmen 6 Chlor Methode Bearbeiten nbsp Mit der Chlor Methode datierter Lavafluss westlich von Carrizozo New Mexico USADie Nutzbarkeit des Chlorisotops 36Cl basiert darauf dass 36Cl nahezu vollstandig durch die Einwirkung kosmischer Strahlung auf die Gesteinsoberflache entsteht Der Hauptbildungsprozesse sind die Spallation von 39K und 40Ca und die Aktivierung von 35Cl durch thermische Neutronen 7 Ausgehend von einem Ausgangsverhaltnis von 36Cl zu stabilem Cl zu Beginn der Exposition des Gesteins an der Erdoberflache wird unter Berucksichtigung der Halbwertzeit des 36Cl aus dem real vorhandenen Verhaltnis der beiden Chlor Isotope zuruckgerechnet Auch die Anwendbarkeit der Chlor Methode ist abhangig von der Genauigkeit der Bestimmung des Ausgangsverhaltnisses der beiden Isotope U a Hohenlage und die geographische Breite sind dabei zu berucksichtigen Altersbestimmungen von jungen vulkanischen Gesteinen von mehreren hundert bis zu mehreren Millionen Jahren sind moglich So wurde beispielsweise das Alter eines Lavastroms in New Mexico auf 5 200 Jahre datiert 8 Randbedingungen BearbeitenDamit eine Datierung plausible Ergebnisse liefert muss sichergestellt werden dass die untersuchte Oberflache nicht signifikant durch Erosion modifiziert wurde und nicht durch zwischenzeitliche Bedeckung Schnee Bodenbildung etc dem direkten Einfluss der kosmischen Strahlung teilweise entzogen wurde oder die Erosionsrate und Phasen zwischenzeitlicher Bedeckung mussen durch unabhangige Beobachtungen bekannt sein 3 Einzelnachweise Bearbeiten B Heuel Fabianek Naturliche Radioisotope die Atomuhr fur die Bestimmung des absoluten Alters von Gesteinen und archaologischen Funden In Strahlenschutz Praxis 1 2017 S 31 42 Joerg M Schaefer Alexandru T Codilean Jane K Willenbring Zheng Tian Lu Benjamin Keisling Cosmogenic nuclide techniques In Nature Reviews Methods Primers Band 2 Nr 1 10 Marz 2022 ISSN 2662 8449 S 1 22 doi 10 1038 s43586 022 00096 9 nature com abgerufen am 12 Marz 2022 a b c Expositionsdatierung In CologneAMS Universitat Koln 11 Mai 2020 abgerufen am 3 Februar 2022 B Heuel Fabianek Altersbestimmung mit Silizium In Strahlenschutz Praxis 3 2003 S 69 T C Partridge D E Granger M W Caffee R J Clarke Lower Pliocene Hominid Remains from Sterkfontein In Science Vol 300 Nr 5619 25 April 2003 S 607 612 A Borner V Rinterknecht D Bourles R Braucher Erste Ergebnisse von Oberflachenexpositionsdatierungen an glazialen Grossgeschieben durch in situ gebildetes kosmogenes Beryllium 10 in Mecklenburg Vorpommern Nordostdeutschland In Z geol Wiss Berlin Vol 41 2013 S 123 143 F M Phillips B D Leavy N O Jannik D Elmore P W Kubik The accumulation of cosmogenic chlorine 36 in rocks A method for surface exposure dating In Science Vol 231 1986 S 41 43 N W Dunbar Cosmogenic 36Cl determined age of the Carrizozo lava flows south central New Mexico In New Mexico Geology Volume 21 No 2 Mai 1999 Literatur BearbeitenG Balco J O Stone N A Lifton T J Dunai A complete and easily accessible means of calculating surface exposure ages or erosion rates from 10Be and 26Al measurements In Quaternary Geochronology Band 3 2008 S 174 195 Mark D Kurz Edward J Brook Surface exposure dating with cosmogenic nuclides In Dating in exposed and surface contexts 1994 S 139 159 D Lal J R Arnold Tracing quartz through the environment In Proceedings of the Indian Academy of Sciences Earth and Planetary Sciences Band 94 Nr 1 1985 S 1 5 T E Cerling H Craig Geomorphology and in situ cosmogenic isotopes In Annual Review of Earth and Planetary Sciences Band 22 1994 S 273 317 S Tschudi Surface exposure dating A geologist s view with examples from both hemispheres Dissertation der Philosophisch naturwissenschaftlichen Fakultat der Universitat Bern 2000 ams ethz ch PDF 1 8 MB M G Zreda F M Phillips D Elmore P W Kubik P Sharma R I Dorn Cosmogenic chlorine 36 production rates in terrestrial rocks In Earth and Planetary Science Letters Band 105 1991 S 94 109 Weblinks BearbeitenInformationen der Geologischen Vereinigung e V uber kosmogene Nuklide in den Geo und Umweltwissenschaften Angaben zu geeigneten Mineralen und Gesteinen der Universitat Koln Methode zur Datierung von Bergsturzen CRONUS Earth Online Kalkulator fur die Aluminium Beryllium Methode Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Oberflachenexpositionsdatierung amp oldid 236996934