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3-D Atomsonden - Tomographie
3-D Atomsonden - Tomographie

LEAP-4000X ist ein dreidimensionales Atomsondenmikroskop, das nanoskalige Oberflächen-, Volumen- und Grenzflächenmaterialien-Analyse von Strukturen mit Atom-für-Atom Identifizierung und räumliche P...

NIST National Institute of Standards and Technology

Zirkon

Radiometrische Altersbestimmung (Geochronologie) mit Zirkonen



Geochronologie

ist die Wissenschaftsdisziplin, die Ereignisse der Erdgeschichte und sekundär die Entstehungszeit von Gesteinen und Sedimenten (siehe Chronostratigraphie) absolut-zeitlich datiert. Unter anderem erstellt sie aus den ermittelten Daten die geologische Zeitskala, in der Zeitintervalle identifiziert, als geochronologische Einheiten benannt und zeitlich datiert dargestellt sind.

Geochronometrie

Begriff für quantitative Zeitbestimmung (Chronometrie) in den Geowissenschaften mittels zeitabhängiger physikalischer und/oder chemischer Prozesse. Häufigster verwendeter Prozeß ist die Radioaktivität (isotopische Altersbestimmung).


Zirkon – das älteste Mineral der Welt

Mikroskopisch kleine Zirkone, die auf 4,404 Mrd. Jahre datiert wurden, sind die bisher ältesten auf der Erde gefundenen Minerale aus dem Hadaikum. Sie wurden in Westaustralien im Narryer Gneis-Terran im Yilgarn Kraton gefunden. Ihr Alter wird als das Kristallisationsalter der Zirkone interpretiert. Insbesondere seit Entdeckung des makroskopischen, 4,03 Mrd. Jahre alten Acasta-Gneises im Kanadischen Schild steht fest, dass es bereits in dieser frühen Ära – einige hundert Millionen Jahre nach der Entstehung der Erde – einen Ozean, und zumindest eine – noch nicht kratonisierte – Festlandinsel gegeben hat. Ähnlich alt, möglicherweise mit 4,28 Milliarden Jahren sogar noch älter als der Acasta-Gneis, sind die Gesteine des Nuvvuagittuq-Grünsteingürtels in der kanadischen Provinz Québec. Aus solchen frühen Kratonen des Hadaikum könnte sich dann im Archaikum der hypothetische erste Superkontinent Ur geformt haben.


Zirkone in der radiometrischen Altersbestimmung

Seit der Entwicklung der radiometrischen Altersbestimmung kommt Zirkonen besonders in der Geochronologie Bedeutung zu: sie enthalten Spuren der radioaktiven Nuklide 235U, 238U und 232Th (von 10 ppm bis zu 5 Gewichtsprozent). Alle diese Isotope zerfallen über Zerfallsreihen zu verschiedenen Bleiisotopen. Durch Messen der entsprechenden Uran-Blei- bzw. Thorium-Blei-Verhältnisse kann das Kristallisationsalter eines Zirkons bestimmt werden.

Verhältnisse stabiler Isotope geben Auskunft über die Umgebung, in der die Kristalle entstanden sind. Zirkone bewahren diese Information, da sie gegenüber geologischen Einflüssen wie Verwitterung und selbst hochgradiger Gesteinsmetamorphose äußerst resistent sind. So deuten Zirkone aus dem Narryer Gneiss-Terran, Yilgarn-Kraton, Westaustralien, mit einem Alter von 4,404 Milliarden Jahren – die ältesten Minerale, die bisher auf der Erde gefunden wurden – auf eine überraschend frühe Existenz kontinentaler Kruste und auf einen flüssigen Ozean hin. Als ältester datierter Mineralkristall Europas gilt ein 3,69 Milliarden Jahre alter Zirkon, der im Norden Norwegens gefunden wurde.

Zirkone in einer Probe Mondgestein (Brekzie 72215) wurden auf 4,417 Milliarden Jahre datiert und zeigen damit einen sich länger hinziehenden Erstarrungsprozess der Mondkruste nach Entstehung des Mondes an.


Moderne Datierungsmethoden

Die radiometrische Datierung kann noch an so kleinen Proben wie einem Milliardstel-Gramm durchgeführt werden, wenn ein Massenspektrometer verwendet wird. Das Massenspektrometer wurde in den 1940er Jahren erfunden und wird seit den 1950er Jahren in der radiometrischen Datierung eingesetzt. Es funktioniert, indem es einen Strahl ionisierter Atome aus der zu untersuchenden Probe erzeugt. Die Ionen bewegen sich dann durch ein Magnetfeld, das entsprechend ihrer Masse und Ionisierungsstärke sie zu Sensoren ablenkt, die als Faradaysche Becher bezeichnet werden. Beim Einschlag in den Bechern erzeugen die Ionen einen sehr schwachen Strom, der gemessen werden kann, um die Einschlagsrate und die relativen Konzentrationen verschiedener Atome in den Strahlen zu messen. Die Uran-Blei-Datierung ist eine der ältesten verfügbaren, und auch eine der anerkanntesten. Sie ist so weit verfeinert worden, dass die Fehler bei der Altersbestimmung etwa drei Milliarden Jahre alter Steine nicht mehr als zwei Millionen Jahre beträgt.

Die Uran-Blei-Datierung wird normalerweise mit dem Mineral Zirkon (ZrSiO4) durchgeführt, kann aber auch für andere Materialien verwendet werden. Zirkon baut Uranatome in seinem Kristallgitter an Stelle von Zirconium ein, aber kein Blei. Es hat eine sehr hohe Blockadetemperatur, ist widerstandsfähig gegenüber mechanischer Verwitterung und ist chemisch inert. Zirkon bildet auch multiple Kristallschichten während metamorphischer Ereignisse, die jeweils ein Isotopenalter des Ereignisses abbilden können. Diese können durch eine SHRIMP-Ionen-Mikrosonde bestimmt werden. Einer der großen Vorteile ist, dass jede Probe zwei Zeitmesser liefert, der eine basiert auf dem Zerfall von 235U zu 207Pb mit einer Halbwertszeit von ungefähr 700 Millionen Jahren, der andere basiert auf dem Zerfall von 238U zu 206Pb mit einer Halbwertszeit von ungefähr 4,5 Milliarden Jahren. So ergibt sich eine eingebaute Gegenprobe, die genaue Bestimmung des Alters der Probe erlaubt, auch wenn etwas Blei verloren gegangen sein sollte.


Hadaisches Alter eines post-Magma-Zirkons durch Atomsonden-Tomographie bestätigt

Der einzige physische Beweis der frühesten Phasen der Evolution der Erde kommt von Zirkonen, d.h. alte Mineralkörner, die mittels der U-Th-Pb Geochronometrie datiert werden können. Die Sauerstoffisotopenverhältnisse solcher Zirkone wurden benutzt, um zu schließen, wann die Hydrosphäre und Bedingungen entstanden. Die chemische Homogenisierung der Erdkruste und die Existenz eines Magmaozeans konnten nicht direkt datiert worden, sie müssen jedoch früher aufgetreten sein. Allerdings kann die Genauigkeit der U-Pb Zirkon-Altersbestimmung plausibel durch schlecht verstandene Prozesse der intrakristallinen Mobilität beeinflusst werden. Hier verwenden wir die Atomsonden-Tomographie (1), um individuelle Atome im ältesten konkordanten Korn der Erde zu identifizieren und zu kartieren.

Zirkon 4,4 Ga
Zirkon 4,4 Ga

Zirkon - das älteste Mineral der Welt

University of Wisconsin-Madison.
Äon Hadaikum
Äon Hadaikum

Bildung der Erdkruste im Hadaikum;
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Zdenek Burian

Dieses Korn ist ein 4,4 Ga alter hadaischer Zirkon mit Hochtemperatur-Überwuchs, welcher sich ca. 1 Ga nach dem Mineralkern gebildet hat. Isolierte Nanocluster, von etwa 10 nm, in einem Abstand von 10 bis 50 nm, sind mit inkompatiblen Elementen einschließlich radiogenen Pb mit ungewöhnlich hohen 207Pb/206Pb -Verhältnisse angereichert. Wir demonstrieren, dass die Längenskalen dieser Cluster eine U-Pb Datierung unmöglich machen , und dass sie sich bei der späterer Wiedererwärmung bildeten. Unsere Tomographiedaten bestätigen demzufolge, dass jeder Mischvorgang der silikatischen Erde vor 4.4 Ga stattgefunden haben muss, im Einklang mit der Bildung eines Magmaozeans durch einen frühen Mond-bildenden Impakt vor ca 4-4,5 Ga.


(1)

Die Atomsonde ist ein Analysegerät der Materialwissenschaften. Sie ermöglicht die Identifikation der Masse einzelner Atome, die von einer sehr scharfen Spitze aus einem elektrisch leitenden Material mittels Feldverdampfung abgelöst werden. Ist es möglich, durch Verwendung eines geeigneten Detektors, dreidimensionale Daten vieler Atome zu gewinnen, so bezeichnet man sie auch als tomographische Atomsonde (en: tomographic atom probe TAP) oder dreidimensionale Atomsonde (3DAP). Obwohl es auch Atomsonden gibt, die nur eine eindimensionale Analyse erlauben, ist gewöhnlich die tomographische Atomsonde gemeint. Anwendungsgebiete des TAP sind u.a. Untersuchungen von Clustern, Ausscheidungen, besonders in frühen Stadien, die mit Transmissionselektronenmikroskopie nicht untersuchbar sind



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