Helyben keletkező kozmogén izotópos mintaelőkészítő laboratórium

A helyben keletkező kozmogén izotópos mintaelőkészítő laboratórium kialakítása Intézetünkben 2013-ban kezdődött meg. 2016 óta a laboratórium felkészült kvarc tartalmú kőzet- és üledék-minták helyben keletkező kozmogén 10Be és 26Al koncentrációjának gyorsító tömegspektrométeres (AMS) méréséhez történő előkészítésére.

A litoszférában helyben keletkező kozmogén izotópok - egy geokronológiai eszköz a negyedidőszak földtani és geomorfológiai kutatásában

A litoszférában helyben keletkező kozmogén izotópos (Terrestrial in situ produced Cosmogenic Nuclides, TCN) módszer alkalmas kőzetfelszínek, üledékek, valamint jellegzetes felszínformák kitettségi korának, betemetettségi korának és lepusztulási rátájának meghatározására. A módszer sokoldalúan alkalmazható 102-106 éves időtartományban, változatos litológiai feltételek mellett. A teljes negyedidőszakot és pliocén egy részét lefedi, így az elmúlt évtizedek műszeres fejlesztéseinek nyomán ma már a negyedidőszak kutatás geokronológiai eszköztárában alapvető szerepet játszik. A földtani és felszínalaktani kutatásokban legelterjedtebb helyben keletkező kozmogén radioaktív izotópok a 10Be (t1/2 : 1,387 Ma), az 26Al (t1/2: 705 ka), a 36Cl (t1/2: 301 ka), és a 14C (t1/2: 5700 a). Ezek mellett két stabil nemesgáz, a 3He és a 21Ne, alkalmazása is jelentős. A radioaktív izotópok koncentrációja 3-4 felezési idő elteltével egyensúlyba kerül, ami meghatározza a módszer alkalmazhatósági tartományát.

A módszerről bővebben: Gosse and Phillips (2001); Dunai (2010); Granger et al. (2013); és magyar nyelven: Ruszkiczay-Rüdiger (2004).

Kitettségi kor meghatározás

A kitettségi kor az az időtartam, amit a kőzet a kozmikus sugárzásnak kitett helyzetben eltöltött. A mért TCN koncentráció alkalmas a vizsgált felszínforma kialakulási idejének meghatározására (1) ha a vizsgált felszínforma kialakulása pillanatszerű az azóta eltelt időhöz képest és (2) ha kialakulása után nem érte számottevő lepusztulás vagy üledék felhalmozódás. Gyakori példák glaciális felszínformák, folyóteraszok és lávafolyások kitettségi korának meghatározása.

Lepusztulási ráta meghatározás

Amennyiben a vizsgált kőzetfelszín egyenletesen pusztul, a felhalmozódó TCN koncentrációja bizonyos idő elteltével szekuláris egyensúlyba kerül. Az egyensúlyi koncentráció annál kisebb, minél gyorsabb a lepusztulás. Ilyen esetben a TCN koncentráció a lepusztulási ráta kiszámítására használható. Alkalmazható fedetlen vagy talajjal fedett felszínek lepusztulási rátájának közvetlen meghatározására és teljes vízgyűjtők átlagos lepusztulásának számszerűsítésére.

Betemetődési kor meghatározás

Ellentétben a kitettségi kor és eróziós ráta meghatározásával, a betemetődési kor meghatározása a radioaktív kozmogén izotópok bomlásán alapul. Vagyis, jelenleg betemetett helyzetű, de korábban kozmikus sugárzásnak kitett kőzetek és üledékek mintázhatók és a betemetődés (kozmikus sugárzástól való leárnyékolás) időpontja datálható olyan kozmogén izotóp-párok használatával, melyek felezési ideje eltérő. Klasszikus példa a barlangi üledékek datálása 26Al/10Be izotóp-párral.

Irodalom

  • Dunai, T.J. 2010. Cosmogenic Nuclides. Principles, Concepts and Applications in the Earth Surface Sciences. Cambridge Univ Press, New York, p. 187.
  • Gosse, J.C. and Phillips F.M. 2001. Terrestrial in situ cosmogenic nuclides: theory and application. Quaternary Science Reviews, 20. pp. 1475-1560.
  • Granger, D.E., Lifton, N.A., Willenbring, J. 2013. A cosmic trip: 25 years of cosmogenic nuclides in geology. GSA Bulletin, 125, 1379-1402.
  • Ruszkiczay-Rüdiger, Zs. 2004. Kitettségi kor és eróziós ráta meghatározásának módszere helyben keletkező kozmogén izotópokkal. Földt. Közl. 134/2. pp. 257-279.

A mintaelőkészítő laboratórium bemutatása

A labor alkalmas kvarc-tartalmú kőzet- és üledék-minták helyben keletkező kozmogén 10Be és 26Al koncentrációjának gyorsító tömegspektrométeres (AMS) méréséhez történő előkészítésére.

A földtani kutatásokban leggyakrabban használt helyben keletkező kozmogén izotóp a 10Be. Népszerűségének fő oka (1) a cél-ásvány, a kvarc gyakori előfordulása, (2) alacsony természetes 9Be koncentrációk, (3) szabványos kémiai feltáró folyamat, (4) jó AMS pontosság, (5) a mélységgel viszonylag egyszerűen változó keleletkezési ráta.

A helyben keletkező kozmogén 26Al izotópot leggyakrabban a 10Be izotóppal párban alkalmazzák. Az 26Al - izotóp-pár népszerűsége a földtudományi alkalmazásokban annak köszönhető, hogy e két izotóp ugyanazon kőzetmintából kinyerhető, a 26Al/10Be keletkezési ráta relatíve pontosan ismeret, valamint a két izotóp felezési ideje jelentősen eltérő. Emiatt jól használhatók összetett kitettségi történetek megfejtésére, illetve betemetődési kor és lepusztulási ráta meghatározására. A laborban a mintaelőkészítés Ruszkiczay-Rüdiger et al. (2021) által leírt eljárást követi.

Mintaelőkészítés kvarc tartalmú kőzetek helyben keletkező kozmogén 10Be és 26Al izotóp koncentrációjának méréshez

Kőzetminták fizikai kezelése

A beérkező kőzetminták törése/őrlése Intézetünkben 2017. júliustól új beszerzésű (IF-004-2017) Fritsch pofástörővel (Pulverisette 1, Model 2, Premium Line) történik. (Korábban a minták őrlése Retsch BB200 pofástörővel az ELTE TTK Központi Kutató és Műszercentrum Lézerdiffrakciós szemcseelemző laboratóriumában történt). A minták szitálása Retsch AS200 vibrációs szita-rázógép segítségével a CSFK, Földrajzi Intézet, Kőzet és talajvizsgáló Laboratóriumában. A minták mész és szerves anyag tartalmának eltávolítása után a nem tiszta kvarc anyagú minták esetén kémiai kezelést megelőzően kvarcot nehézfolyadék és alakszeparáló berendezés segítségével elválasztjuk a többi ásványtól (pl. földpátok, nehézásványok, csillámok).

A minták kémiai kezelése

A minták kémiai maratását (HCl-H2SiF6)követően a tiszta kvarcot 9Be hordozó jelenlétében folysavban (HF) feloldjuk. Párologtatást követően a folysavat salétromsavval (HNO3), majd sósavval (HCl) helyettesítjük. A 10Be kinyerése ioncserélő gyanta oszlopokkal történik (Dowex 1x8 és 50Wx8) (Merchel and Herpers, 1999). Az Al és Be hidroxidok 800 °C-on történő hevítésével kapjuk a gyorsító tömegspektrométeres méréshez szükséges tiszta BeO-ot és Al2O3-ot. A minták kémiai előkészítése Brown et al. (1991) és Merchel és Herpers (1999) módszerével történik. A kvarc szeparátumok maratását (HCl-H2SiF6) követően a tiszta kvarcot 9Be hordozó jelenlétében folysavban (HF) feloldjuk. Párologtatást követően a folysavat sósavval (HCl) helyettesítjük. Szükség esetén az 27Al hordozót is hozzáadjuk a mintához, majd a Be és Al leválasztása és tisztítása ioncserélő gyanta oszlopokkal (Dowex 1x8 és 50Wx8) és az Al- és Be-hidroxidok pH-szelektív kicsapatásával történik. Az Al és Be hidroxidok 900 °C-on történő hevítésével kapjuk a gyorsító tömegspektrométeres méréshez szükséges tiszta BeO-ot és Al2O3-ot. Ezeket Nb ill. Ag porral keverve réz katódokba préseljük a gyorsító tömegspekrtométeres méréshez.

Mérések

A minták 27Al koncentrációjának meghatározása (26Al mérésre előkészített minták esetén) külső laborokban történik:

  1. ATOMKI Hertelendi Ede Környezetanalitikai Laboratóriumában (Agilent MP-AE S 4100)
  2. CEREGE-ben (Aix en Provenece, Franciaország) ( ICP-OES; Thermofisher ICAP 6500)
  3. BOKU (Bécs, Ausztria) ( Optima 8300 ICP-OES)

A BeO és Al2O3 minták 10Be/9Be ill. 26Al/27Al arányának gyorsító tömegspektrométeres (AMS) mérése Franciaországban (ASTER, the French National Facility, CEREGE, Aix en Provence; Arnold et al., 2010), illetve Ausztriában (VERA, Vienna Environmental Research Accelerator, Faculty of Physics, University of Vienna; Steier et al., 2019) történik tudományos együttműködés keretében. A franciaországi méréseket az INSU/CRNS, a Francia Felsőoktatási Minisztérium, az IRD és a CEA támogatják. A bécsi méréseket a RADIATE Transnational Access pályázatai (19001687-ST, 19001688-ST, 20002322-ST, 22002703-ST) tették lehetőve.

Irodalom

  • Arnold, M., Merchel, S., Bourlès, D.L., Braucher, R., Benedetti, L., Finkel, R.C., Aumaître, G., Gottdang, A., Klein, M., 2010. The French accelerator mass spectrometry facility ASTER: improved performance and developments. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 268, 1954–1959.
  • Brown, E.T., Edmond, J.M., Raisbeck, G.M., Yiou, F., Kurz, M.D., Brook, E.J. 1991. Examination of surface exposure ages of Antarctic moraines using in-situ produced 10Be and 26Al, Geochim. Cosmochim. Acta 55:2269-2283
  • Merchel, S., Herpers, U., 1999. An Update on Radiochemical Separation Techniques for the Determination of Long-Lived Radionuclides via Accelerator Mass Spectrometry, Radiochimica Acta 84, 215-219.
  • Ruszkiczay-Rüdiger, Zs., Neuhuber, S., Braucher, R., Lachner, J., Steier, P., Wieser, A., Braun, M., ASTER Team 2021. Comparison and performance of two cosmogenic nuclide sample preparation procedures of in situ produced 10Be and 26Al. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 329(3), 1523-1536.
  • Steier, P., Martschini, M., Buchriegler, J., Feige, J., Lachner, J., Merchel, S., Milchmayr, L., Priller, A., Rugel, G., Schmidt, E., Wallner, A., Wild, E.M., Golser, R., 2019. Comparison of methods for the detection of 10Be with AMS and a new approach based on a silicon nitride foil stack. International Journal of Mass Spectrometry, 444, 116175.

Alkalmazások

  1. Szél által lepusztított felszínek kor- és lepusztulási rátájának meghatározása helyben keletkező kozmogén izotópos mélységprofilokkal.
    • Ruszkiczay-Rüdiger, Zs., Braucher, R., Csillag, G., Fodor, L., Dunai, T.J., Bada, G., Bourlés, D., Müller, P. 2011. Dating pleistocene aeolian landforms in Hungary, Central Europe, using in situ produced cosmogenic . Quaternary Geochronology, 6, pp. 515-529.
    • Sebe, K., Csillag, G., Ruszkiczay-Rüdiger, Zs. , Fodor, L., Thamó-Bozsó, E., Müller, P., Braucher, R. 2011. Wind erosion under cold climate: A Pleistocene periglacial mega-yardang system in Central Europe (Western Pannonian Basin, Hungary). Geomorphology, 134, pp. 470-482.
  2. Duna Győr-tatai, majd gerecsei szakaszán található felhalmozódásos teraszok korának és lepusztulási rátájának meghatározása mélységprofilokkal és 26Al/10Be betemetettségi korokkal, lumineszcens kor-adatokkal kiegészítve. A geokronológiai adatok felhasználása a terület kiemelkedési ütemének számszerűsítésére.
    • Ruszkiczay-Rüdiger, Zs., Braucher, R., Novothny, Á., Csillag, G., Fodor, L., Molnár, G., Madarász, B., & ASTER Team 2016a. Tectonic and climatic forcing on terrace formation: coupling in situ produced 10Be depth profiles and luminescence approach, Danube River, Hungary, Central Europe. Quaternary Science Reviews 131, 127-147.
    • Ruszkiczay-Rüdiger, Zs., Csillag, G., Fodor, L., Braucher, R., Novothny, Á., Thamó-Bozsó, E., Virág, A., Pazonyi, P., Timár, G., ASTER Team 2018. Integration of new and revised chronological data to constrain the terrace evolution of the Danube River (Gerecse Hills, Pannonian Basin). Quaternary Geochronology 48, 148-170.
    • Ruszkiczay-Rüdiger, Z., Balázs, A., Csillag, G., Drijkoningen, G., & Fodor, L. 2020a. Uplift of the Transdanubian Range, Pannonian Basin: How fast and why? Global and Planetary Change, 103263. 1-17.
  3. A Duna bécsi-medencei szakaszán a teraszok betemetettségi kor meghatározása és mintaelőkészítési protokollok laboratórium-közi összehasonlítása.
    • Ruszkiczay-Rüdiger, Zs., Neuhuber, S., Decker, K., Braucher, R., Fiebig, M., Braun, M., Lachner, J., ASTER Team 2017. Isochron burial dating of the Haslau terrace of the Danube (Vienna Basin) and interlaboratory comparison of sample preparation in Vienna and Budapest. Geophysical Research Abstracts 18, EGU2017-6239
    • Ruszkiczay-Rüdiger, Zs., Neuhuber, S., Braucher, R., Lachner, J., Steier, P., Wieser, A., Braun, M., ASTER Team 2021. Comparison and performance of two cosmogenic nuclide sample preparation procedures of in situ produced 10Be and 26Al. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 329(3), 1523-1536.
  4. Glaciális felszínformák 10Be izotópos kitettségi kor meghatározása a Déli-Kárpátokban és a Balkán-félsziget központi részén.
    • Ruszkiczay-Rüdiger, Zs., Kern, Z., Urdea, P., Braucher, R., Madarász, B., Schimmelpfennig, I., ASTER Team 2016b. Revised deglaciation history of the Pietrele- Stânişoara glacial complex, Retezat Mts, Southern Carpathians, Romania. Quaternary International, 415, 216-229. doi:10.1016/j.quaint.2015.10.085
    • Ruszkiczay-Rüdiger, Zs., Kern, Z., Temovski, M., Madarász, B., Milevski, I., Braucher, R., ASTER Team. 2020b. Last deglaciation in the central Balkan Peninsula: geochronological evidence from the Jablanica Mt. (North Macedonia). Geomorphology, 351. 106985. doi: 10.1016/j.geomorph.2019.106985. 1-13.
    • Ruszkiczay-Rüdiger, Zs., Kern, Z., Urdea, P., Madarász, B., Braucher, R., ASTER Team 2021. Limited glacial erosion during the last glaciation in mid-latitude cirques (Retezat Mts, Southern Carpathians, Romania). Geomorphology, 107719.
    • Ruszkiczay-Rüdiger, Zs., Temovski, M., Kern, Z., Madarász, B., Milevski, I., Lachner, J., & Steier, P. 2022. Late Pleistocene glacial advances, equilibrium-line altitude changes and paleoclimate in the Jakupica Mts (North Macedonia). CATENA, 216, 106383.

A labor vezetése alatt futó kutatás: "A Balkán-félsziget negyedidőszaki fejlődéstörténetének vizsgálata glaciális és barlangi képződmények geokronológiai adatai alapján Macedóniában" (GeoCosMa) NKFIH FK 124807 (2017-2022).

Támogatók

A labor kiépítésének megkezdését és a munka elindítását az OTKA PD 83610 pályázat tette lehetővé. A labor további felszerelése, és működtetése a Magyar Tudományos Akadémia "Lendület" programja (LP2012-27/2012) és infrastruktúra pályázatai (MTA INFRA-2017/103 és -2018/065) segítségével történt. A kutatásokat az OTKA PD 83610, at NKFIH FK 124807, valamint az OMAA 90öu17 és 98öu17 pályázatai támogatták.

Elérhetőség