Kosmogene Radionuklide

Die Erde steht unter kontinuierlichem Beschuss durch galaktische und solare kosmische Strahlung. Kernreaktionen, z. B. mit dem Sauerstoff oder Stickstoff in der Atmosphäre und in den Gesteinen an der Erdoberfläche, produzieren kosmogene Nuklide. Diese können genutzt werden, um eine Reihe von geologischen Prozessen zu untersuchen. Aufgrund der niedrigen Produktionsraten (wenige Atome pro Jahr und Gramm Material; siehe Tabelle 1) sind die Konzentrationen terrestrischer kosmogener Nuklide in natürlichen Materialien extrem niedrig. Mit der Beschleuniger-Massenspektrometrie (Accelerator Mass Spectrometry, AMS) können wir Konzentrationen von 10³ - 10⁵ Atomen pro Probe nachweisen!

Anwendungen

Expositionsalter und Erosionsraten. Langlebige kosmogene Radionuklide wie z. B. ¹⁰Be, ²⁶Al und ³⁶Cl werden in situ in exponiertem Gestein produziert. Die Akkumulation dieser Nuklide kann dazu genutzt werden, das Alter bestimmer geologischer Ereignisse zu bestimmen, welche frisches Gestein an die Erdoberfläche bringen, wie zum Beispiel Bergstürze, Erdbeben oder vulkanische Eruptionen. Die Expositionsdatierung von Moränenblöcken und Festgestein mit Gletscherschliff gibt Aufschluss über das Alter und die Ausdehnung vergangener Gletschervorstöße und wird dazu benutzt, die Klimaschwankungen der letzten Millionen Jahre zu rekonstrunstruieren. Nuklidkonzentrationen in Flusssedimenten spiegen die Abtragungsraten im Einzugsgebiet des Flusses wieder und quantifizieren Erosion und Sedimenttransport und -ablagerung. "Burial dating", d.h. die Datierung des Zeitpunktes, seitdem ein Objekt nicht mehr der kosmischen Strahlung ausgesetzt ist, kann zum Beispiel das Alter von Flussterrassen bestimmen, findet aber auch Anwendung in der Archäologie.

Meteorische kosmogene Nuklide. Kosmogene Nuklide, die in der Atmosphäre gebildet werden, kommen über den Wasserkreislauf in Böden und werden in feinkörnigen Sedimenten adsorbiert. Gletschereis, welches über tausende von Jahren akkumuliert wurde, aber auch See- und Meeressedimente und Tiefsee-Mangankrusten sind daher Archive von meteorischen ¹⁰Be- und ²⁶Al-Konzentrationen über diese Zeitskalen. Kosmogene Nuklide können genutzt werden, um diese Archieve zu datieren. Andererseits liefern Sediment- und Eisbohrkerne Einblicke in zeitliche Variationen von Nuklidkonzentrationen, z. B. aufgrund von Variationen der Sonnenaktivität. Kosmogene Nuklide sind daher auch für Paläoklima-Rekonstruktionen wichtig.

Eine einzugsgebietsweite Erosionsrate ("catchmentwide erosion rate"), die aus der ¹⁰Be-Konzentration im Quarz einer Flusssandprobe bestimmt wird, ist in der Regel aufschlussreicher als die Erosionsrate eines einzelnen Festgesteinsaufschlusses. riversand ist ein von unserer Gruppe entwickeltes Python Paket zur Berechnung von einzugsgebietweiten Erosionsraten aus einem digitalen Geländemodell (Geotiff) und den Umrissen der Einzugsgebiete (Polygon-Shapefile) sowie den kosmogenen Nuklidkonzentrationen im Quarz der Flusssandproben. Im Gegensatz zu bisherigen Rechnern wird die Nuklidproduktion für riversand von G. Balco's online Rechnern (hess.ess.washington.edu, stoneage.ice-d.org oder stoneage.hzdr.de) bestimmt. Die online Rechner sind weit verbreitet bei der Berechnung von punktbasierten Expositionsaltern und Erosionsraten und die Ergebnisse sind somit vollständig kompatibel.

Die Berechnung von Erosionsraten mit riversand ist für alle implementierten Produktions-Skalierungsmethoden (St, Lm, LSDn) gleichermaßen schnell (wenige Sekunden für ein Einzugsgebiet) und unabhängig von der Größe des Catchments oder der Auflösung des Geländemodells; es besteht keine Notwendigkeit, sich auf ein zeitunabhängiges Skalierungsmodell zu beschränken, um die Rechenzeiten kurz zu halten. Das Paket kann von PyPI oder github heruntergeladen werden und umfaßt auch ein kurzes Tutorium mit einem Test-Datensatz.

---

Nutzer Informationen

siehe hier

Projekte und Kollaborationen

Topography and landscape evolution Pamir, DFG project STU 525-2 (doi: 10.1016/j.qsa.2023.100135) Florian Adolphi, Alfred-Wegener-Institute Bremerhaven: Solar-induced production rate changes using 10Be in Arctic shelf sediments (Project CLOC — Cosmic Links between Ocean Sediments and Ice Cores) Nele Lehmann, Alfred-Wegener-Institute Potsdam & Helmholtz-Zentrum Hereon Geesthacht: Determination of erosion rates in the Arctic using terrestrial cosmogenic nuclides Roman Garba, Jan Kameník, Czech Academy of Sciences, Prague: Burial dating of the lower Paleolithic horizon at the Korolevo site in Transcarpathia, West Ukraine (doi: 10.1007/s10967-022-08738-8) John Jansen, Shantamoy Guha, Czech Academy of Sciences, Prague: Dating the first major Pleistocene Glaciers in the Western Alps Toshiyuki Fujioka, Cosmogenic Nuclide Dating Laboratory, National Research Centre on Human Evolution (CENIEH), Burgos, Spain: (i) Late Cenozoic incision history of Duero Basin, N Spain (ii) Formation of Galiana multilevel caves in NE Spain (iii) Fluvial terrace chronology in Guadiana River, central Spain (iv) History of Acheulian lithic industries in Iberian Peninsula

Literatur

Grundlagen

Balco, G., Stone, J.O., Lifton, N.A. and Dunai, T.J. (2008). A complete and easily accessible means of calculating surface exposure ages or erosion rates from 10Be and 26Al measurements. Quaternary Geochronology, 3(3), 174-195. https://doi.org/10.1016/j.quageo.2007.12.001 Dunai, T.J. (2010). Cosmogenic Nuclides: Principles, Concepts and Applications in the Earth Surface Sciences. Cambridge University Press. https://doi.org/10.1017/CBO9780511804519 von Blanckenburg, F., Willenbring, J.K. and Dove, P.M. (Eds.) (2014) Cosmogenic Nuclides. Elements, 10(5).

Eigene Publikatinonen (siehe auch hier)

Stübner, K., Gadoev, M., Rugel, G., Lachner, J. and Bookhagen, B. (2024). Three Pleistocene glacial advances and a warm episode during MIS-3: Towards a more complete glacial history of the Pamir mountains. Quaternary Science Advances, 13, 100135. https://doi.org/10.1016/j.qsa.2023.100135 Stübner, K., Bookhagen, B., Merchel, S., Lachner, J. and Gadoev, M. (2021). Unravelling the Pleistocene glacial history of the Pamir mountains, Central Asia. Quaternary Science Reviews, 257, 106857. https://doi.org/10.1016/j.quascirev.2021.106857 Gärtner, A., Merchel, S., Niedermann, S., Braucher, R., ASTER-Team, Steier, P., Rugel, G., Scharf, A., Le Bras, L. and Linnemann, U. (2020). Nature does the averaging—in-situ produced 10Be, 21Ne, and 26Al in a very young river terrace. Geosciences, 10(6), 237. https://doi.org/10.3390/geosciences10060237 Stolle, A., Schwanghart, W., Andermann, C., Bernhardt, A., Fort, M., Jansen, J.D., Wittmann, H., Merchel, S., Rugel, G., Adhikari, B.R. and Korup, O. (2019). Protracted river response to medieval earthquakes. Earth Surface Processes and Landforms, 44(1), 331-341. https://doi.org/10.1002/esp.4517