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Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften

Arbeitsgruppe Lumineszenz am LS Geomorphologie

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Projektbilder

Projekte

Radiofluoreszenz von Quarzen: Herausforderungen auf dem Weg zu einer DatierungsanwendungEinklappen

Projektleiter:  Dr. Christoph Schmidt
Projektstart:   01.09.2013
Projektnummer:  SCHM 3051/2-1 und FU 417/16-1
Externe Partner:  Prof. Dr. Markus Fuchs - externer Projektleiter Universität Gießen (Institut für Geographie)


Seit den Anfängen in den 1950er Jahren hat sich die Lumineszenzdatierung zu einer der wichtigsten physikalischen Datierungsmethoden in den Quartärwissenschaften entwickelt. Datiert wird der Zeitpunkt der letzten Belichtung bzw. der Sedimentationszeitpunkt (optically stimulated luminescence: OSL) oder Erhitzung (thermally stimulated luminescence: TL) natürlicher Minerale wie Quarze oder Feldspäte. Die Anregung des latenten Lumineszenzsignals während der Messung erfolgt im Rahmen der OSL- und TL-Datierung durch optische bzw. thermische Stimulation. Im Gegensatz dazu erfolgt die Anregung bei der Radiofluoreszenz (RF) durch ionisierende Strahlung. Untersuchungen an Feldspäten belegen eine grundsätzliche Anwendbarkeit der RF zu Datierungszwecken. Für natürliche vorkommende Quarze liegen hingegen kaum Studien vor. Im Rahmen des Projektes soll das grundlegende Potential der Radiofluoreszenzdatierung an Quarzen unter Verwendung neuster Messtechnik hinsichtlich einer möglichen Datierungsanwendung ausgelotet werden. Das Projekt versteht sich als Vorstudie und Teil einer kontinuierlichen methodischen Forschung und gliedert sich in fünf Teilziele: (1) Auswahl von Quarz-Referenzproben, welche mit Standardmethoden (z.B. ICP-MS, Röntgendiffraktometrie) mineralchemisch charakterisiert werden, (2) Untersuchung der grundlegenden RF-Charakteristik der ausgesuchten Proben, (3) Entwicklung von Softwareauswerteroutinen unter Verwendung der numerischen Programmiersprache R, (4) Mögliche Entwicklung eines Messprotokolls für die RF-Datierung, (5) Optional: Vergleich von RF-Datierungsergebnissen an Quarzen mit konventionell erzielten OSL-/TL-Altern. Die Ergebnisse dieses Projektes sollen zu einem besseren Verständnis der RF von Quarzen im Speziellen und der der Lumineszenzdatierung zu Grunde liegenden Mechanismen im Allgemeinen führen.
Gekoppelt an dieses Projekt ist ein vom DAAD geförderter projektbezogener Personenaustausch mit der East Carolina University (USA).

Lumineszenz-Chronologien spätpleistozäner Siedlungen in den rumänischen KarpatenEinklappen

Projektleiter: Dr. Christoph Schmidt
Projektstart:  01.10.2013
Projektnummer:  SCHM 3051/1-1
Geldgeber:  DFG


Die Thermolumineszenz-Datierung erhitzter Silex-Artefakte liefert die direktesten Alter paläolithischer Siedlungen, die älter sind als der Datierungsbereich der Radiokohlenstoffmethode, oder in denen kohlenstoffhaltiges Material fehlt. Besonders im Hinblick auf spätpleistozäne (jungpaläolithische und mesolithische) Fundstellen ist der Unsicherheitsbereich von TL-Daten jedoch häufig größer als für die sinnvolle zeitliche Auflösung des archäologischen Inventars gefordert. Das vorliegendeForschungsvorhaben soll deshalb dazu beitragen, sowohl Genauigkeit als auch Präzision von TL-Daten zu erhöhen. Hierbei werden zwei Ansätze verfolgt: 1) Verbesserung der Probenaufbereitungsmethoden (Magnetabscheidung und lumineszenzbasierte Detektion von radioaktiven 'hot spots' in der Probe) und 2) Erzeugen mehrerer Alter pro Artefakt unter Verwendung verschiedener TL- (und OSL-) Emissionen ('multi-emission' dating), was die Verlässlichkeit des resultierenden Artefakt-Alters erhöht. Nach der Verifikation der entwickelten Methoden an geologischem Silex-Material sollen diese auf erhitzte Artefakte hauptsächlich aus bislang undatierten mesolithischen Fundstellen der rumänischen Karpaten angewandt werden. Das erwartete mesolithische Alter soll die Messzeit reduzieren, sodass während der Projektlaufzeit eine ausreichende Zahl von Artefakten für die Erstellung von TL- und OSL-Chronologien der Fundstellen analysiert werden kann. Die Evaluierung der entwickelten Methoden soll durch einen Vergleich ihrer Ergebnisse mit denen 'konventioneller' Methoden geschehen.

RLum.Network: Ein Wissenschaftsnetzwerk zur Analyse von Lumineszenzdaten mit REinklappen

Projektleiter:  Dr. Christoph Schmidt
Projektstart:   2014
Projektnummer:  SCHM 3051/3-1
Geldgeber:  DFG
Projektmitarbeiter:  Dipl.- Inform. (FH) Manfred Fischer
Externe Partner:
    - Dr. Sebastian Kreutzer - Université Bordeaux Montaigne
    - Dr. Michael Dietze - GFZ Potsdam
    - Dr. Margret Fuchs - Alfred-Wegener-Institut Potsdam
    - Christoph Burow - Uni Köln

Thematische Einordnung
Die Lumineszenzdatierung gehört zu den wichtigsten numerischen Datierungsmethoden der modernen Quartärwissenschaft. Methodische und technische Verbesserungen der letzten Jahrzehnte ermöglichen heute komplexe und umfangreiche Datenanalysen. Ein Defizit ist jedoch in der Verfügbarkeit einer flexiblen und skalierbaren Softwarelösung zur Datenanalyse zu sehen. Mit der Veröffentlichung des Software-Pakets „Luminescence“, basierend auf der statistischen Programmierumgebung R, wurde 2012 erstmalig erfolgreich ein umfassendes Set von Routinen zur Lumineszenzdatenanalyse bereitgestellt. Die Software versteht sich zum einen als Werkzeug zur effizienten Nutzung wissenschaftlicher (personeller) Ressourcen, indem etablierte Verfahren zur Datenauswertung und -visualisierung gebündelt und nutzerfreundlich bereitgestellt werden und somit keine laborinterne, individuelle Entwicklung notwendig ist. Zum anderen soll das R-Paket „Luminescence“ helfen, durch offene Quellcodes und nachvollziehbare Rechenoperationen die Transparenz generierter Lumineszenzdaten (Alter) zu steigern und eine hohe Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit der Ergebnisse von verschiedenen Datierungslaboren zu gewährleisten. Letzteres ist gerade in Bezug auf die Parallelisierung geowissenschaftlicher und archäologischer Archive von hoher Relevanz.

Ausrichtung und Zusammensetzung des Netzwerkes
Das Netzwerk besteht aus sieben bis acht graduierten und promovierten Nachwuchswissenschaftler/Innen, welche an verschiedenen Universitäten in Deutschland tätig sind (Bayreuth, Gießen, Dresden, Freiberg, Köln) und sich im Rahmen von Qualifikationsarbeiten und der hieraus resultierenden Arbeit mit R zur Analyse von Lumineszenzdaten informell zusammengeschlossen haben. Das Produkt dieser Zusammenarbeit ist das R-Paket „Luminescence“, dessen Pflege und Weiterentwicklung von den Autoren ehrenamtlich geleistet wird. Hierzu ist zum einen breite fachliche Kompetenz in geochronologischer Hinsicht (v.a. seitens der Lumineszenzdosimetrie) nötig, zum anderen ist Expertise im Umgang mit der Programmierumgebung R unabdingbar. Die Ausbildungswege (Geologie, Geographie, Physik, Informatik) und somit das individuelle Fachwissen der Netzwerkmitglieder ergänzen sich optimal, um diesem Anspruch gerecht zu werden. Im Zuge der geplanten Netzwerktreffen sollen sowohl fachliche Aspekte (z.B. im Sinne der Theorie und Messverfahren in der Lumineszenzdatierung) diskutiert, die Pflege der Software sichergestellt als auch die Implementierung neuer Ideen in das bestehende R-Paket „Luminescence“ vorangetrieben werden.

Ziele
Die Ziele der Zusammenarbeit der Netzwerkmitglieder lassen sich grob in zwei Bereiche untergliedern:
Pflege und Weiterentwicklung des R-Pakets „Luminescence“. Hierunter fallen u.a. die Analyse und Diskussion neuer wissenschaftlicher Entwicklungen in der Lumineszenzdatierung sowie deren mögliche Implementierung in die bestehende Software, die fortwährende Dokumentation aller Neuentwicklungen zur Sicherung der Transparenz sowie die Schulung von wissenschaftlichem Nachwuchs in Bezug auf das Paket „Luminescence“. Zudem soll aus dem Netzwerk heraus eine anwenderorientierte Monographie erwachsen.
Anwendung. Dazu zählen die Arbeit mit dem Paket im eigenen wissenschaftlichen Umfeld, die weltweite Unterstützung von Anwendern mit Hilfe des Forums der bestehenden Internetseite http://www-r-luminescence.de, sowie die Präsentation neuer Funktionen auf nationalen und internationalen Tagungen, um die Reichweite der Software zu steigern. Ergänzend soll damit eine gewisse Formalisierung in der Auswertung und Präsentation von Lumineszenz-Messergebnissen erreicht werden.

Modelling quartz luminescence signal dynamics relevant for dating and dosimetryEinklappen

Projektleiter:  Dr. Christoph Schmidt
Projektstart:   1.10.2015
Projektnummer:  SCHM 3051/4-1
Geldgeber:  DFG
Projektmitarbeiter:  Johannes Friedrich
Externe Partner:
    - Prof. Dr. Markus Fuchs (Universität Gießen)
    - Dr. Regina Witt (East Carolina University/USA)
    - Dr, Sebastian Kreutzer (Université Bordeaux Montaigne/FR)


Thermolumineszenz (TL) und optisch stimulierte Lumineszenz (OSL) von Quarz haben sich zu den wichtigsten Datierungstechniken in der Archäologie und den Geowissenschaften entwickelt.
Um zuverlässige und präzise Datierungsergebnisse zu erhalten, ist ein grundlegendes Verständnis der komplexen Prozesse von Ladungsträgerbewegungen im Kristallgitter unerlässlich. Kinetische Quarz-Lumineszenz-Modelle tragen substantiell dazu bei, bestehende Theorievorstellungen mit experimentellen Befunden in Einklang zu bringen, indem die Lumineszenzeigenschaften für unterschiedliche Bedingungen in der Natur und im Labor simuliert werden. Obwohl die Vielzahl existierender Quarz-Lumineszenz-Modelle teilweise eine realistische Simulation von TL- und OSL-Signalen erlaubt, gelingt dies für das Radiofluoreszenz (RF-)Signal von Quarz bisher nicht. Das Projekt zielt darauf ab sowohl bestehende kinetische als auch stochastische (‚Monte Carlo‘) Quarz-Modelle zu vereinen und zu einem integrierten Modell weiterzuentwickeln. Ziel ist die Simulation und damit einhergehend ein umfassenderes Verständnis einer weitaus höheren Zahl beobachteter Lumineszenzphänomene von Quarz. Beispielhaft sind zu nennen die Signaldynamik der Quarz-RF, Verlagerung des Hauptemissionspeaks mit der Messtemperatur oder generell variierende Lumineszenzeigenschaften von Quarz unterschiedlicher geologischer und geographischer Herkunft oder Transportgeschichte.

Niedrigst-Temperatur-Thermochronometrie mittels ThermolumineszenzEinklappen

Projektleiter:  Prof. Ludwig Zöller
                      Dr. Christoph Schmidt
Projektstart:  2014
Projektnummer:  04359
Geldgeber:  Oberfrankenstiftung, Bayreuth


Gegenstand des Forschungsprojektes ist Grundlagenforschung zur Eignung der roten Thermolumineszenz (R-TL)-Emission von Quarz (620 nm) für die Thermochronologie im Niedrigst-Temperatur-Bereich. Zur Überprüfung von Modellannahmen sollen granitische Quarze aus der Thermalbohrung Weißenstadt (Fichtelgebirge) aus Tiefen bis 1500 m und Gesteinstemperaturen bis 40-50 °C untersucht werden. Es wird erwartet, dass das normierte natürliche R-TL-Signal nahe der Oberfläche (Jahresmitteltemperatur 5,4 °C) in Sättigung ist und folglich durch additive ionisierende Bestrahlung im Labor nicht mehr wächst. Mit zunehmender Gesteinstemperatur sollte das normierte natürliche TL-Signal aufgrund isothermalen Zerfalls (dynamisches Gleichgewicht) niedriger werden und durch ionisierende Bestrahlung im Labor zu steigern sein. Entsprechende Beobachtungen in der Literatur betreffen bisher Lumineszenz-Emissionen von Quarz mit gegenüber der R-TL um den Faktor 20-100 geringerer Sättigungsdosis. Im beantragten Projekt sollen nun erstmals die relevanten Eigenschaften der R-TL untersucht werden, deren bisher bekannte Sättigungsdosis verspricht, dass Zeiträume von einigen hunderttausend bis wenige Millionen Jahre betrachtet werden können. Für geologisch alte und „eingerumpfte“ Mittelgebirge wie das Fichtelgebirge sind derartige Zeiträume relevant, um die Entwicklung der Naturlandschaft, ihre bis heute wirksame Geodynamik und ihre Georisiken besser zu verstehen.
Nach Abschluss der Grundlagenuntersuchungen soll auf Grundlage der erarbeiteten Erkenntnisse versucht werden, eine thermochronometrische, d.h. auf der Abkühlungsgeschichte des Gesteins basierende Methode im Niedrigst-Temperatur-Bereich (30-50 °C) mit Hilfe der R-TL zu entwickeln, die die Dauer der Abtragung einer obersten ca. 1 km mächtigen Gesteinssäule quantifizieren kann. Aus unterschiedlichen ermittelten Abtragungsraten benachbarter Gebirgsschollen kann dann – bei sonst gleichen Bedingungen wie Klima und Gesteinsart - auf unterschiedliche Hebungsbeträge in jüngster geologischer Vergangenheit sowie auf Georisiken durch endogene Prozesse (z.B. Erdbebengefährdung) geschlossen werden.

Hat die Auto-Regenerierungs-Methode von Zirkonen das Potential für eine hochaufgelöste Lumineszenz-Datierung, für die holozäne Landschaftsentwicklung?Einklappen

Projektleiter: Prof. Ludwig Zöller
Projektmitarbeiter:
  - Dr. Christoph Schmidt
  - Prakrit Nopradit
  - Manfred Fischer
Projektstart: 2015
Projektnummer:
Geldgeber: BFHZ (Bayrisch-Französisches Hochschulzentrum)
Externe Partner:
  - Dr. Norbert Mercier (Université Bordeaux Montaigne, FR)
  - Dr, Sebastian Kreutzer (Université Bordeaux Montaigne/FR)


Lumineszenz-basierte Chronologien von Geo-Archiven sind von entscheidender Bedeutung für die holozäne Landschaftsentwicklung. Hauptsächlich werden hierzu die thermisch stimulierte Lumineszenz (TL) und die optisch stimulierte Lumineszenz (OSL) von Quarz und Feldspat verwendet. Das Sedimentationsalter, d.h. der Zeitpunkt der letzten Belichtung, ergibt sich aus dem Verhältnis der akkumulierten Strahlendosis im Mineral zur pro Zeiteinheit absorbierten Dosis (Dosisrate), die hauptsächlich aus der natürlichen Radioaktivität resultiert. Die Schwierigkeit, die externe Dosisrate verlässlich zu bestimmen, reduziert sowohl Genauigkeit, als auch Präzision von Lumineszenzaltern drastisch. Das wirkt sich besonders auf holozäne Proben aus, bei denen eine höhere Präzision erforderlich ist, um auch kleinste Landschaftsveränderungen auf historischen Zeitskalen verfolgen zu können. Eine alternative, aber bislang unzureichend getestete Methode basiert auf der auto-regenerierten Lumineszenz von Zirkonen. Zirkone besitzen sehr hohe Konzentrationen an U und Th (ein bis zwei Größenordnungen höher als bei typischem Sediment), und folglich eine hohe interne Dosisrate. Dies erlaubt, die sehr viel geringere externe Dosisrate bei der Altersberechnung zu vernachlässigen. Vereinfacht
besteht die Auto-Regenerierungs-Methode aus dem Messen der Lumineszenz und einem anschließenden Lagern der Zirkonprobe im Dunkeln, bis sich durch die hohe interne Strahlung von alleine wieder ein messbares Lumineszenzsignal aufgebaut hat. Das Signal nach dieser bekannten Lagerungsdauer wird dann mit dem natürlichen Signal verglichen, um das Sedimentationsalter zu ermitteln. Die Pilat-Düne wurde als ‚natürliches Labor‘ zum Testen dieser Methode ausgewählt, da sie in den letzten Jahren intensiv erforscht wurde und bereits auf Feldspat-IRSL- und C-14 Daten beruhende Referenz-Chronologien existieren. Diese Untersuchungen sind als Pilot-Projekt gedacht, um die bilaterale Zusammenarbeit beider Labore zu initiieren.


Verantwortlich für die Redaktion: Manfred Fischer

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