Uran-Thorium-Chronologie
Die U-Th-Datierung basiert auf der Analyse der Aktivität der Isotopen-Verhältnisse von Mutter (Uran) und Tochter (Thorium). Dieses Verhältnis wird verwendet, um den Zerfall des Elternteils und die anschließende Produktion der Tochter im Laufe der Zeit anzunähern. Dies wird unter Verwendung von Massenspektrometrie vervollständigt, indem sowohl die Ausgangs- (234U), als auch die Tochter- (230Th) Zerfallsprodukte in einer gegebenen Probe gemessen werden. Wenn Uran zerfällt, durchläuft es eine Reihe von Zerfallsschritten (beginnend mit 238U), bis es schließlich ein stabiles Isotop erreicht (endet mit 206Pb, siehe unten).
Die U-Th-Datierung misst die Aktivitätsverhältnisse von Eltern- (Uran) und Produkt- (Thorium) Isotopen, indem der Zerfall des Elternteils in die Tochter im Laufe der Zeit berechnet wird.
U-Th-Datierungen von Karbonat-Proben können durchgeführt werden, wenn folgende Bedingungen erfüllt sind:
- Entstanden im datierbaren Bereich der U-Th-Systematik
(bis 500 ka), - Enthält eine ausreichende Konzentrationen der Neben
isotope 234U und 230Th für eine hochpräzise Isotopenverdünnungsanalyse
, - Einbau vernachlässigbarer oder bekannter Mengen von anfänglichen
(Überschuss) 230Th zum Zeitpunkt der Hinterlegung und - Seit der
Primär-Ablagerung in Bezug auf U- und Th-Isotope geschlossen geblieben.
Uranverlust und vererbtes 230Th in offenen Systemen können zu falschen Schlussfolgerungen führen. Proben mit einer relativ niedrigen anfänglichen U/Ca- und Urankonzentration neigen dazu, Uran nach der Ablagerung und durch diagenetische Prozesse aufzunehmen – was zu abweichenden Altern führt.
Weiterlesen:
U-Th-Datierung
Die U-Th-Methode wird verwendet, um Karbonat-Materialien auf bis zu 500.000 Jahre zu datieren. Moderne Proben liefern aufgrund ihrer niedrigen 230Th-Konzentrationen und Methodenbeschränkungen keine zuverlässigen U-Th-Daten. Zu den häufigsten Probenarten gehören Höhlenkunst, Tropfsteine und Flusssteine, Korallen und Muscheln.
Höhlenkunst
Die Uran-Thorium-Analyse kann Informationen über das ungefähre Datum von Höhlenmalereien liefern, indem sie die dünnen Kalzitschichten datiert, die sich entlang der Oberseite des Kunstwerks gebildet haben. Dabei kann diese Analyse ein Mindestalter, auch terminus ante quem genannt, liefern. Darüber hinaus kann in Fällen, in denen die tragende Kalzitschicht unter der Malerei zugänglich ist, auch ein Höchstalter (terminus post quem) festgelegt werden (Pons-Branchu et al. 2014). Die Ergebnisse können auch verifiziert werden, indem die U-Th-Daten mit 14C verglichen werden, zusätzlich zur Analyse mehrerer Schichten entlang der Kunstwerkoberfläche, aufgrund der offenen Systemnatur von Karbonatkrusten (Sauvet et al. 2015).
(Bildnachweis: Arash Sharifi)
Höhlenablagerungen: Speläothem und Höhlenablagerungen
Die Analyse stabiler Isotope in Speläothemen kann Informationen über Umweltveränderungen im Laufe des Wachstums von Speläothemen liefern. Chronologien, die diesen paläoklimatischen Aufzeichnungen zugrunde liegen, beruhen auf einer genauen Datierung durch die U-Th- und/oder 14C-Methode, die eine Beziehung zwischen Distanz (Wachstum) und Alter herstellt. Stalagmiten (nach oben wachsende Speläotheme) werden häufig gegenüber Stalaktiten (nach unten wachsende Speläotheme) aufgrund der regelmäßigeren Wachstumsebene mit einer klareren inneren Struktur bevorzugt (Spötl & Boch, 2019). Während sowohl U-Th-, als auch 14C -Methoden verwendet werden können, um Speläotheme zu datieren, kann der Reservoireffekt von Kohlenstoff und chemischen Verunreinigungen aus Speläothemen zu erheblichen Altersunsicherheiten (mehrere tausend Jahre) in 14C-datierten im Vergleich zu U-Th-datierten Serien führen (Goslar et al. 2000 ).
(Bildnachweis: Arash Sharifi)
Korallen
Korallen können mithilfe der U-Th-Analyse bis zu 500.000 Jahre vor der Gegenwart datiert werden. Es wurde gezeigt, dass Korallen Uran und Thorium gewinnen und verlieren, was zu einer Altersverzerrung führt. Wenn der U-Gewinn mit Th-Verlust gepaart ist, haben die Proben eine Tendenz zu jüngeren Altersgruppen, wohingegen U-Verlust gepaart mit Th-Zunahme, die Proben eine Tendenz zu höheren Altersgruppen haben (Andersen et al. 2009). Dennoch können systematische Korrekturen mit einem Screening-Ansatz angewendet werden (z. B.Thompson et al., 2003). Die Rekonstruktion von Umweltveränderungen im Laufe der Zeit erfordert eine robuste Chronologie. Die U-Th-Datierung von Korallen liefert zuverlässige Altersangaben jenseits des 14C-Bereichs. Diese Proben können weiter analysiert werden, um viele Rekonstruktionen der Paläoumwelt zu liefern, darunter: Nass-/Trockenphasen (Yehudai et al. 2017), Mortalität/Erholung von Korallenriffsystemen (Clark et al. 2017), Meerwassertemperatur (DeCarlo et al. 2016) und pH (Stewart et al. 2016; Pauly et al. 2015).
Muscheln
Die U-Th-Datierung wird seit Jahrzehnten ausgiebig für Muschelproben verwendet. Dieses Verfahren beruht darauf, dass die Probe während der Formation Uran eingebaut hat und eine begrenzte Thoriumzufuhr aus externen Quellen (geschlossenes System) aufweist, wodurch das gesamte Thorium in der Struktur ein Produkt des U-Th-Zerfalls ist. Nicht alle Ablagerungsumgebungen können solche Voraussetzungen erfüllen, in diesem Fall kann die „Isochron-Datierung“ von Schalen angewendet werden, indem mehrere Schalen aus demselben Zeithorizont mit unterschiedlichen Niveaus des detritischen Th-Eintrags datiert werden (Bischoff & Fitzpatrick, 1991), um das anfängliche Niveau von U-Th für eine Datierung zu erhalten (z.B. Placzek et al. 2006). Während die offene Systemnatur von Schalensystemen die Datierung schwierig macht, bietet die U-Th-Analyse das Potenzial, Schalen über die Zeitspanne der 14C-Datierung (ca. 40.000 cal BP) hinaus zu datieren.
(Bildnachweis: Arash Sharifi)
Verweise
Andersen, M.B., Gallup, C.D., Scholz, D., Stirling, C.H. and Thompson, W.G., (2009). U-series dating of fossil coral reefs: consensus and controversy. Pages News, 17, pp.54-56.
Bischoff, J.L. and Fitzpatrick, J.A., (1991). U-series dating of impure carbonates: an isochron technique using total-sample dissolution. Geochimica et Cosmochimica Acta, 55(2), pp.543-554. DOI: 10.1016/0016-7037(91)90011-S
Clark, T.R., Roff, G., Zhao, J.X., Feng, Y.X., Done, T.J., McCook, L.J. and Pandolfi, J.M., (2017). U-Th dating reveals regional-scale decline of branching Acropora corals on the Great Barrier Reef over the past century. Proceedings of the National Academy of Sciences, 114(39), pp.10350-10355. DOI: 10.1073/pnas.1705351114
DeCarlo, T.M., Gaetani, G.A., Cohen, A.L., Foster, G.L., Alpert, A.E. and Stewart, J.A., (2016). Coral Sr‐U thermometry. Paleoceanography, 31(6), pp.626-638. DOI: 0.1002/2015PA002908
Goslar, T., Hercman, H. and Pazdur, A., (2000). Comparison of U-series and radiocarbon dates of speleothems. Radiocarbon, 42(3), pp.403-414. DOI: 10.1017/S0033822200030332
Pauly, M., Kamenos, N.A., Donohue, P. and LeDrew, E., (2015). Coralline algal Mg-O bond strength as a marine p CO2 proxy. Geology, 43(3), pp.267-270. DOI: 10.1130/G36386.1
Placzek, C., Patchett, P.J., Quade, J. and Wagner, J.D., (2006). Strategies for successful U‐Th dating of paleolake carbonates: An example from the Bolivian Altiplano. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 7(5). DOI: 10.1029/2005GC001157
Pons-Branchu, E., Bourrillon, R., Conkey, M.W., Fontugne, M., Fritz, C., Gárate, D., Quiles, A., Rivero, O., Sauvet, G., Tosello, G. and Valladas, H., (2014). Uranium-series dating of carbonate formations overlying Paleolithic art: interest and limitations. Bulletin de la Société préhistorique française, pp.211-224. DOI: 10.3406/bspf.2014.14395
Sauvet, G., Bourrillon, R., Conkey, M., Fritz, C., Gárate-Maidagan, D., Vilá, O.R., Tosello, G. and White, R., (2017). Uranium–thorium dating method and Palaeolithic rock art. Quaternary International, 432, pp.86-92. DOI: 10.1016/j.quaint.2015.03.053
Spötl, C. and Boch, R., (2019). Uranium series dating of speleothems. In Encyclopedia of caves (pp. 1096-1102). Academic Press.
Stewart, J.A., Anagnostou, E. and Foster, G.L., (2016). An improved boron isotope pH proxy calibration for the deep-sea coral Desmophyllum dianthus through sub-sampling of fibrous aragonite. Chemical Geology, 447, pp.148-160. DOI: 10.1016/j.chemgeo.2016.10.029
Thompson, W.G., Spiegelman, M.W., Goldstein, S.L. and Speed, R.C., (2003). An open-system model for U-series age determinations of fossil corals. Earth and Planetary Science Letters, 210(1-2), pp.365-381. DOI: 10.1016/S0012-821X(03)00121-3
Yehudai, M., Lazar, B., Bar, N., Kiro, Y., Agnon, A., Shaked, Y. and Stein, M., (2017). U–Th dating of calcite corals from the Gulf of Aqaba. Geochimica et Cosmochimica Acta, 198, pp.285-298. DOI: 0.1016/j.gca.2016.11.005
Korallenbild: https://www.pexels.com/photo/corals-920161/