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Spaltspurenanalyse

Englisch

  • Fission track analysis (FTA)
  • Fission track dating = Spaltspurendatierung
  • Fission track annealing = Spaltspuren-Wärmebehandlung
  • Fission track length distribution = Spaltspuren-Längenverteilung
  • Fission track density = Spaltspurendichte

Die Spaltspurenanalyse ist eine wichtige Alters-Datierungsmethode für die Bestimmung der thermischen Geschichte von Gesteinen und Glas, welche (stark vereinfacht) auf der Zählung zerfallener Atome beruht.

Anwendungsgebiete in der Geologie

(Fragen: Wie alt ist das Gestein? Wann waren bestimmte Temperaturen erreicht?)

Untersuchung der Abkühlungs- und Hebungsgeschichte unterschiedlicher Teile der Erdkruste, des Alters und der Geschwindigkeit der Bewegung an großen Störungen, der Temperaturbereiche rheologischer Übergänge und der Rekonstruktion der Entwicklung orogener Gürtel (resp. der tektonischen Geschichte an konvergenten Plattengrenzen) sowie zur Herkunft von Sedimenten, zur Modellierung der Temperaturgeschichte sedimentärer Becken und der kontinentalen Abtragung.

Anwendung in der Mineralogie

In der Mineralogie wird bei der Analyse von Wachstumszonen die Spaltspurendichte in Kristallen bestimmt.

Anwendung in der Archäometrie

(Frage: Wann fanden bestimmte archäologische Ereignisse statt?)

Altersbestimmung von Artefakten aus Obsidian, resp. alten Gläsern durch Bestimmung der Anzahl spontaner und induzierter Spaltspuren.


Was sind Spaltspuren?

Spaltspuren enstehen durch spontane Kernspaltung von <sup>238</sup>U (Halbwertzeit). Gewisse Mineralien (Bs. Apatit) enthalten 238U-atome in ihrem Kristallgitter. Zerfallen diese Uranatome, so zerstören sie in ihrer Umgebung das Kristallgitter, in welchem sie liegen. Bedingt durch den kontinuierlichen Zerfall der Uranatome werden auch ständig Spaltspuren (bzw. Zerstörungsspuren) erzeugt.

Diese Spaltspuren befinden sich in einem bestimmten Abstand zum früheren Atom. Allerdings verheilen (am Beispiel Apatit) die zerstörten Kristallgitter über 100oC wieder rasch, sodaß es kaum oder keine sichtbaren Spaltspuren gibt. Zwischen 60oC und 100oC verkürzen sich die Spaltspuren . Dadurch kann ihre Länge als Altersindikator bestimmt werden. Unter 600C verheilen die Spaltspuren nicht mehr und ihre Abstände beiderseits des früheren Atoms bleiben stabil.

Durch Zählen der Spaltspuren kann man herausfinden, wieviel 238U zerfallen ist. Das Spaltspurenalter wird über eine Zerfallsgleichung errechnet

D* / N = (e λ - 1 )

(wobei D* = Anzahl der zerfallenen Atome (Spaltspuren), N = Anzahl der Elternatome 238U, T = Zeit, λ = Zerfallsrate des 238U ist)


Stabilität von Spaltspuren

Spaltspuren kommen nur unterhalb einer mineralspezifischen Temperatur vor (Bsp.: Apatit 110oC ). Bei höherer Temperatur verkürzen sich die Spuren und verschwinden über längere Zeiträume gänzlich. Dabei verheilt das Kristallgitter und die Atome nehmen ihre Ausgangsposition im Kristallgitter wieder ein. Unterhalb von 60oC in Apatit sind die Spuren stabil; zwischen 60oC und 110oC werden die Spuren mit der Zeit in diesem Temperaturbereich verkürzt.

Längenverteilung der Spaltspuren

Durch die Längenmessung der Spaltspuren im Kristall können Rückschlüsse auf die Temperaturabhängigkeit der Spaltspurenerwärmung gezogen werden. Somit kann an einem Gestein mit Spaltspurendaten dessen thermische Geschichte ermittelt werden (Bsp.: Gestein an der Erdoberfläche heute mit 60oC, Gestein in etwa 5 km Tiefe in der Erdkruste (vor ca. 150 mio Jahren) 110oC ).

Ausnahmen sind Gesteine, die sehr schnell abkühlen (wie bei einem Vulkanausbruch), in diesem Fall ist das Spaltspurenalter i.d.R. gleich dem Entstehungsalter.


Beschreibung der Methode

Die Spaltspurenanalyse ist eine seit ca. 1960 angewandte geochronologisch / thermochronologisch - archäometrische Untersuchungsmethode. Das Verfahren beruht auf der Längenverteilung der Spaltspuren, wodurch die Temperaturgeschichte modelliert werden kann. Die Spaltspurenanalyse liefert detaillierte Informationen der Niedrigtemperatur-thermalen Geschichte von Gesteinen; e.g. unter 120oC für Spuren in Apatit und 350oC für Zirkon.

Zur Sichtbarmachung von Spaltspuren werden Kristalle (Bsp.: Apatit) mit Säure angeätzt. Die Säure greift den zerstörten Gitterteil an, dadurch werden Spaltspuren sichtbar gemacht. Diese Spaltspuren können gezählt werden. Sie sind proportional zum Alter des Mineralkorns, seit es das letzte Mal über 100oC warm war. Die Längenverteilung wird benutzt, um die Abkühlungsgeschichte zwischen 60oC und 100oC zu ermitteln. (Quelle: Geodynamik-Vorlesung für Anfänger, Univ. Graz, 2005)


Link

Altersbestimmung


Literatur / Ref. /zitiert

  • Gallagher, K., Brown, R., Johnson, C.; 1998; Fission track analysis and its applications to geological problems; Ann. Rev. of Earth and Planetary Sciences; Vol. 26, 519-572
  • Stöckhert, B. (Leiter und Koordinator), 2004; Spaltspurenanalyse und thermotektonische Modellierung der Erdkruste; Forschungsprojekt der RU Bochum;
  • Weber, U.; 2004; Ganz spontan - die Kernspaltung als geologische Uhr; Max-Planck-Instit. f. Kernphysik; Forschungsstelle Archäometrie

Quellangaben


Einordnung