Der Beitrag von Thorium zur (U+TH)/He-Datierung

Diplomarbeit von Thorsten Schurse

Zusammenfassung:

Diese Arbeit untersucht den Beitrag von Thorium zur Heliumproduktion in verschiedenen Eisenerzen unterschiedlicher Lokalitäten im Hinblick auf die physikalische Altersbestimmung der Minerale mit der (U+Th)/He-Methode.

Die (U+Th)/He-Datierungsmethode beruht auf der Anreicherung von Helium in Mineralen durch Zerfälle der Uran- und Thoriumreihen. Die Eignung der untersuchten Eisenerze für die Datierungsmethode wurde in vorangegangenen Arbeiten gezeigt. Aus diesen Arbeiten sind die Uran- und Heliumkonzentrationen der untersuchten Proben bekannt. Die Thoriumkonzentrationen waren nur für einige der Proben bestimmt worden. Sie wurden a-spektroskopisch ermittelt. Die Meßungenauigkeit der Thoriumbestimmung führte zu Datierungen, die heutigen Ansprüchen nicht mehr gerecht werden. Für die übrigen Proben waren keine Thorium-Bestimmungen durchgeführt worden und zur Datierung Annahmen bezüglich ihrer Thoriumkonzentrationen gemacht worden, die überprüft werden mußten.

Aufgabe der vorliegenden Arbeit war es, zu den vorhandenen Uran- und Helium-Datensätzen Thorium-Analysen zu ergänzen bzw. zu präzisieren. Die Thorium-Konzentrationsbestimmungen dieser Arbeit erfolgten photometrisch mit Arsenazo III als Komplexbildner. Zur Vorbereitung wurden die Proben (mineralogisch reine Körnerpräparate) chemisch aufgeschlossen und das enthaltene Thorium durch Ionenchromatographie mit Anionenaustauschern separiert. Das vorhandene Meßverfahren wurde überprüft und zu großen Teilen neuentwickelt. Die Kalibrierung erfolgt jetzt mit Einwaagen eines verdünnten Thorium-Flüssigstandards NBS-SRM 3159. Die neue Zusammensetzung der Photometrie-Lösung wurde auf die Bestimmung kleinster Thoriummengen eingerichtet. Durch die Verwendung einer Blindlösung ohne Zusatz des Komplexbildners gelang es, eine früher vorhandene zeitabhängige Drift der Meßergebnisse zu beseitigen. Die Veränderungen führten zu einer Erhöhung der Präzision des Verfahrens um nahezu eine Größenordnung, wie Fehleranalysen ergaben. Für Thoriummengen nahe der Nachweisgrenze von 60 ng Thorium in 0,8 g Probeneinwaage gilt dies auch für die Steige-rung der Genauigkeit.

Für Proben mit hohen Thoriumkonzentrationen (> 0,2 mg/g) weichen die Meßergebnisse deutlich von den früheren Annahmen ab. Auch für einige der Proben mit vorhandenen früheren Thoriummessun-gen ergaben sich signifikant veränderte Werte. Mit den Meßergebnissen wurden die Th/U-Verhält-nisse und Heliumindizes der Proben neu berechnet. Mit diesen Ergebnissen wurden die Anteile an der Heliumproduktion der Proben, die auf die Thorium-Zerfallsreihe zurückgehen, ermittelt. Diese Anteile streuen über mehr als drei Größenordnungen. Für Lokalitäten mit hohen Thorium-Anteilen mußten frühere Datierungen (Einzel-Indizes und Isochronen-Datierungen) signifikant korrigiert werden. Die Genauigkeit erhöhte sich auch für die übrigen Altersangaben.

Aus den Verteilungen der Uran- und Thoriumkonzentrationswerte konnte eine Abschätzung der Thoriumgehalte für künftige Datierungen entwickelt werden. Damit bei der Datierung einer Lokalität auf Thorium-Messungen bis auf Stichproben verzichtet werden kann, muß die Lokalität neben niedrigen Th/U-Verhältnissen (maximal 0,05) auch eine kleine Streuung der Urankonzentrationen (bis ca. ± 50% um den Mittelwert) besitzen.

Inhaltsverzeichnis:

	Schlüsselbegriffe	vii
	Kurzfassung	vii
	Key Words	ix
	Abstract	ix
1.	Einleitung	1
1.1	Geochronometrie - physikalische Datierung von Gesteinen	1
1.2	Die dieser Arbeit zugrundeliegende Datierungsmethode	1
1.3	Problemstellung	2
1.4	Aufgabenstellung	2
1.5	Ansatz und Durchführung der Arbeit	3
2.	Grundlagen des Arbeitsgebiets	5
2.1	Die (U+Th)/He-Datierungsmethode	5
2.1.1	a-Zerfälle	5
2.1.2	Prinzip der Methode	6
2.1.3	Grundlegende Voraussetzungen für geophysikalische Datierungen	8
2.1.4	Störanfälligkeiten der (U+Th)/He-Datierung	9
2.1.5	Für Heliumdatierungen geeignete Minerale	11
2.2	Thorium als Bestandteil der Heliumdatierung	12
2.2.1	Kurzer Abriß der Geochemie von Thorium	12
2.2.2	Der Thorium-Beitrag zur Heliumproduktion	13
2.2.3	Th/U-Verhältnisse	15
2.2.4	Meßmethoden zur Thoriumbestimmung	17
2.3	Physik der photometrischen Konzentrations-bestimmung	19
2.3.1	Licht in Materie	19
2.3.1.1	Licht als elektromagnetische Strahlung	19
2.3.1.2	Durchgang von Strahlung durch Materie	19
2.3.1.3	Anregung von Atomen und Molekülen	21
2.3.1.4	Der absorbierte Anteil	23
2.3.1.5	Verhalten an Grenzflächen	24
2.3.2	Photometrische Konzentrationsbestimmungen	25
2.3.2.1	Prinzip der quantitativen Spektralphotometrie	25
2.3.2.2	Das Gesetz von (Bouguer-) Lambert-Beer	26
2.3.2.3	Aufbau von Photometern	29
2.4	Durchführung und Grenzen photometrischer Bestimmungen	32
2.4.1	Vorbereitung der Proben	32
2.4.2	Photometrische Messung	33
2.4.3	Genauigkeit und mögliche Verbesserungen	35
2.4.3.1	Gerätebedingte Fehler	35
2.4.3.2	Chemische Fehler	37
2.4.3.3	Sonstige Fehlerquellen	37
2.4.3.4	Kalibrierung	38
2.4.3.5	Verbesserungsmöglichkeiten	38
2.5	Grundzüge der Mineralogie der untersuchten oxidischen Eisenerze	40
2.5.1	Das Mineral Hämatit	40
2.5.2	Das Mineral Magnetit	41
2.6	Grundzüge der Mineralogie der untersuchten sulfidischen Eisenerze	43
2.6.1	Das Mineral Pyrit	43
2.6.2	Das Mineral Pyrrhotin	44
3.	Arbeiten zur Entwicklung und Verbesserung des Meßverfahrens	45
3.1	Chemischer Aufschluß	45
3.2	Separation des Thoriums	46
3.2.1	Das frühere Verfahren	46
3.2.2	Untersuchung des Verfahrens	47
3.2.3	Das abgeänderte Verfahren	48
3.3	Photometrie	56
3.3.1	Die Eigenschaften des Meßgeräts	56
3.3.2	Wahl des chemischen Verfahrens zur Thoriumbestimmung	58
3.3.3	Beschreibung der farbgebenden Reaktion	59
3.3.4	Entwicklung des Verfahrens	63
3.3.4.1	Früheres Verfahren.	63
3.3.4.2	Notwendigkeit der Neuentwicklung	64
3.3.4.3	Grundlegende Arbeiten zur Re-Implementierung des Verfahrens	66
3.3.4.4	Aufbauende Untersuchungen zur Verfahrensverbesserung	71
3.3.4.5	Das neu etablierte Standardverfahren	73
3.3.4.6	Erreichte Verbesserungen	75
3.3.4.7	Grenzen der Verfahrens	77
3.4	Genauigkeit der Thorium-Bestimmung	81
4.	Proben und Meßergebnisse	85
4.1	Das Proben-Material	85
4.1.1	Auswahl-Kriterien	85
4.1.2	Beschreibung der Proben	86
4.2	Thorium-Bestimmungen dieser Arbeit	88
4.2.1	Thorium-Konzentrationen	88
4.2.2	Th/U-Verhältnisse	90
5.	Diskussion der Thorium-Bestimmungen	93
5.1	Vergleich mit früheren Ergebnissen	93
5.1.1	Thorium-Konzentrationen	93
5.1.2	Th/U-Verhältnisse	96
5.2	Die Wertebereiche	98
5.2.1	Thorium-Konzentrationen	98
5.2.2	Th/U-Verhältnisse	99
5.3	Die Thorium-Beiträge zur Heliumproduktion	101
5.3.1	Uran-Äquivalente	101
5.3.2	Thorium-Anteile an der Heliumproduktion	104
5.4	Auswirkung auf die Altersangaben der Proben	106
5.4.1	Einzelindizes	106
5.4.2	Isochronen	116
6.	Schlußfolgerungen	121
6.1	Zusammenfassung der Ausführungen	121
6.2	Interpretation der Ergebnisse	122
6.3	Möglichkeiten zur Abschätzung von Thorium-Konzentrationen	123
6.4	Künftiges Vorgehen	124
6.5	Ausblick	127
A.	Anhang	I
A.1	Verdünnungsprotokoll für die Standardlösung	I
A.2	Rohdaten der photometrischen Messung	III
A.3	Überlegungen zu künftigen Messungen	VIII
	Literaturverzeichnis	XIII