Krajina v kvartéru (podzimní semestr 2016) Datovací metody kvartérních procesů a událostí Daniel Nývlt (daniel.nyvlt@seznam.cz) Datovací metody Absolutní X datování Radiometrické (radioizotopové) metody (terigenni radionuklidy, kosmogenní radionuklidy) Radiační dozimetrické metody (luminiscence, racemizace aminokyselin, elektronová spinová rezonance, štěpné stopy) Kvalitativní a srovnávací metody (přírůstkové metody - varvy, letokruhy, led molekulární hodiny, stratigrafické vzta vání pedogeneze izotopické signály superpozice Kosmogenní radionuklidy - radiogenní izotopy vznikající štěpením atomových jader vlivem vysokoenergetického kosmického záření. Působením primárního kosmického záření (vysoce energetické nukleony s energií >1 GeV: 89 % protony, <10 % alfa částice, 1 % jádra těžších prvků; <1 % beta částice) na atomy vzduchu (H, N, O, Ar, Cl) v horních vrstvách atmosféry vznikají kosmogenní radionuklidy (např. 3He, 10Be, 14C, 36CI, 39Ar), které se zabudovávají např. do biosféry nebo hydrosféry. Atmosférická i in situ produkce kosmogenních radionuklidů je závislá na magnetickém poli Země. Jejich produkce vzrůstá s nadmořskou výškou a magnetickou (zeměpisnou) šířkou. Geografický severní pól Magnetický severní pól částice (Ze, v, m) Magnetický jižní pól Geografický jižní pól B.p.c = (m.v.c)/Ze.sina Radiouhlík-14C Uhlík má dva stabilní (12C - 98,9 % a 13C -1,1 %) a jeden radiogenní (14C) izotop rozpadající se na 14N s emisí (3 záření. Radiouhlík vzniká v atmosféře na hranici troposféry a stratosféry a především ve vyšších geomagnetických šířkách při srážkách vysokoenergetických neutronů s molekulou dusíku (N2). p R O D U K C E kosmické zářen' D I S T R I V troposféře je v důsledku proudění b „téměř" homogenně rozšířen a c reaguje s kyslíkem za vzniku 14C02. E Ten se dostává fotosyntézou do rostlin a dále potravním řetězcem do zvířat a člověka (globální cyklus uhlíku). Z atmosféry se dostává také do mořské i sladké vody, proto je zabudováván do vlastních těl také o vodními organismy. p D neutron -► • jádro produkty štěpení proton oxidace fotosyntéza rovnovážná koncentrace: — =1012 ,2C rozpad: 14C-»-uN + e + v" poločas rozpadu: 5730 let 1 gram-► ~10 rozpadů za minutu Radiouhlík - 14C Poločas rozpadu (přeměny) izotopu 14C je 5730 ± 40 let (tzv. cambridgeský poločas rozpadu). Původní poločas rozpadu použitý W. F. Libbym (1949) byl 5568 ± 30 let. SAMPLES OF KNOWN AGE } TREE RING (580 A.D.) g,2h I ■ o I E □ S uj 10- o M PTOLEMY (200 ±150 B.C) TAYINAT(675±50BjC) $ REDWOOD (979 ±52 &C.) CURVE CALCULATED FROM PRESENT DAY POINT AND HALF LIFE OF RADIOCARBON 5568 ±50 YEARS SESOSTRIS (1800 BC) ZOSER(2700 Í75B.C) SNEFERU (2625±75B.C) 75 - 50 - CO radiouhlíkové stáří (v tisících let BP) - -100 - -200 o H -300 O N — -400 Q T~ 50 - -500 - -600 O CM O —\ -700 5* - -200 - -900 -1000 W.F. Libby - Nobel Prize winner 1960 - „Seldom has a single discovery in chemistry had such an impact on the thinking in so many fields of human endeavor" Nobel Committee (1960) Radiouhlíkové datování Jaký materiál datujeme? dřevo, rašelinu, organické jezerní sedimenty, karbonáty, zbytky rostlin, uhlíky, ulity měkkýšů, korály, C02 rozpuštěné ve vodě, kosti, papír, látky, kůže, pigmenty... Co v něm datujeme? organický uhlík (kolagen, karbonáty, huminové kyseliny, celulóza, lignin) Jakou událost datujeme? úmrtí daného organismu, tedy okamžik, kdy přestává do svého těla zabudovávat izotopy uhlíku a radiogenní uhlík se začíná rozpadat a mění se tak poměr izotopů uhlíku Čemu je nutné zabránit? druhotnému ovlivnění (kontaminaci) mladším nebo starším organickým uhlíkem. Kontaminace může vzniknout v důsledku přírodních procesů nebo během vzorkování a skladování vzorku. Jak starý materiál lze odatovat? běžně osminásobek poločasu rozpadu, tedy ~ 45 tisíc let, max. 60-65 tisíc let Jakými metodami měříme aktivitu radiogenního uhlíku? tandemový urychlovač ostřící magnet ostřící prvek oddělovač vstupní magnet napájeni ostřící prvky^ C "C, ^ ceziovy , iontový zdroj Faradayovy detektory detektor iontů Princip hmotové spektrometrie. vzorek Konvenční metoda radiouhlíkového datování založená na detekci a měření (3 záření (počtu radioaktivních přeměn) atomů 14C. Měříme to nejčastěji kapalinově scintilačním měřením (LSC) nebo dříve též plynovým proporcionálním měřením (GPC). Hmotová spektrometrie pomocí urychlovače (AMS) přímo počítá atomy jednotlivých izotopů uhlíku (12C, 13C a 14C), vzhledem k časovým možnostem jsou stanovovány poměry izotopů uhlíku, nikoliv jejich absolutní hodnoty. A co kvalita měření a mezilaboratorní srovnání výsledku? Pro zajištění srovnatelnosti dat jsou používány referenční standardy, jako je kyselina šťavelová (HOx1 a 2; N.I.S.T. SRM 4990 B a C). Standardy jsou průběžně měřeny mezi jednotlivými vzorky a každá laboratoř dlouhodobě sleduje analytickou reprodukovatelnost měřených vzorků. Pravidelně probíhají mezinárodní srovnávání vybraných rad i o karbonových laboratoří. To spíše ukazuje na kvalitu laboratoří a na nevýznamné rozdíly v získaných stářích mezi konvenčními a AMS metodami. Co z laboratoře dostanete? laboratorní kód vzorku konvenční radiouhlíkové stáří BP s interní chybou ± 1a - co to znamená? - je přepočteno za použití původního Libbyho poločasu rozpadu 14C (5568 let): - je vztaženo k modernímu radiouhlíkovému standardu (HOx1, HOx2, ANU sacharóza nebo jinému), - byla provedena korekce na izotopickou frakcionaci (513C) daného vzorku normalizací k poměru 12C/13C v karbonátu standardu VPDB, - standardně udáváno BP (konvenčně před rokem 1950 AD/CE/n.l.), - udávaná ± hodnota je směrodatnou odchylkou, což je interní chyba měření vzorku v dané laboratoři, konvenčně ± 1a - obecně podhodnocená hodnota odrážející pouze statistickou chybu měření, neodráží množství dalších faktorů zvyšujících chybu, jako je rozdílný poločas rozpad a chyby vznikající při přípravě vzorků. - je nutné jej vždy udávat, i když budete pro své interpretace využívat kalibrované stáří; protože toto je číslo, které se nemění, ale kalibrační sety se neustále zpřesňují a konvenční radiouhlíkové stáří tak může být kdykoliv v budoucnu přepočteno podle jakéhokoliv jiného kalibračního setu... Kalibrace radiouhlíkových dat Prvotním přiblížením bylo uvažováno, že produkce radiogenního uhlíku je stálá v čase a v prostoru a že mezi jeho produkcí a rozpadem je tedy v přírodě dlouhodobá dynamická rovnováha. Avšak již v roce 1958 de Vries studiem letokruhů ukázal, že stáří získaná jako konvenční radiouhlíková stáří neodpovídají stářím ročních přírůstků. Produkce radiogenního uhlíku v atmosféře je totiž v čase a prostoru nerovnoměrná (dochází ke kvaziperiodickým změnám atmosférické aktivity 14C v periodách od 200 do 2300 let, myšleno na krátkých časových škálách). Ta souvisí především se změnami intenzity kosmického záření pronikajícího do atmosféry v důsledku změn geomagnetického pole a solární aktivity a s některými pozemskými procesy (především změny mořského proudění). Co je to kalibrace radiouhlíkových dat a jsou i další důvody pro kalibraci? Je to proces, kdy pomocí nezávislých datovacích metod provádíme transformaci konvenčního radiouhlíkového stáří na stáří reálné, často nepřesně označované jako kalendářní, protože bychom správně měli počítat v tropických letech trvajících 365,242192129 dne. - používání původního poločasu rozpadu (podhodnocen o ~3 %) pro udržení kontinuity a srovnání konvenčních radiouhlíkových stáří a vlastní chyba v jeho stanovení, - u mořských vzorků potenciální ovlivnění rezervoárem 14C v důsledku nehomogenního rozšíření různě starého uhlíku v mořské vodě, - obdobně izotopicky rozdílná směs izotopů uhlíku se uvolňuje při tání ledovců a permafrostu (bublinky vzduchu, C02 zamrzlé přímo v ledu), - v důsledku eroze karbonatických nebo organogenních hornin a jejich ukládání v jezerech a mořích se mění frakcionace izotopů uhlíku v těchto pánvích, - vulkanická aktivita dodává do atmosféry množství lehkého uhlíku, - od průmyslové revoluce významný vliv člověka na frakcionaci uhlíku v atmosféře (spalování fosilních paliv ředí radiogenní uhlík v atmosféře dodáváním izotopicky lehčí směsi uhlíku bez 14C - tzv. Suessův efekt; naopak termonukleární výbuchy zvyšují podíl radiogenního uhlíku v atmosféře na hodnoty, které nemají v přírodní historii obdoby). Jaké jsou nejčastější metody kalibrace radiouhlíkového stáří? Dendrochronologická kalibrace - přímé srovnání letokruhů datovaných radiouhlíkovou metodou a jejich přesného stáří stanoveného dendrochrologicky - dnes kalibrace po stáří 13.900 cal. let BP podle nejdelší dendrochronologické řady (dubová a borovicová křivka z Německa a Švýcarska). Varvová chronologie, mělkomořské laminované sedimenty, speleotémy Srovnání s jinými datovacími metodami Jaký kalibrační datový set použít? INTCAL- International Calibration (od roku 1986) - kompozitní kalibrační set vycházející především z dendrochrologického záznamu, pro období >13,9 cal. ka BP využívá laminovaných sedimentů (mořských - korály u Tahiti, pánev Cariaco, vrty v severním Atlantiku a jezerních - jezero Suigetsu, Japonsko) a srovnání s datováním produkty rozpadové řady uranu. Postupně dochází k zpřesňování a prodlužování dosahu kalibračních křivek -INTCAL93 (12 ka cal. BP) - INTCAL13 (50 ka cal. BP). Kromě těchto globálních kalibračních setů existují specifické kalibrační sety pr urcita prostredí ci časti Zeme: Marine13 - kalibrační set pro mořské vzorky, který automaticky počítá s globálním mořským rezervoárem 14C pro dané období SHCal13 (datový set založený na kombinaci dendrochronologie terestrického materiálu a mořské chronologie pouze z jižní polokoule) Fairbanks05 - kalibrace pleistocénních dat založená na U/Th datování korálů CalPal-2007-Hulu - kalibrační set pro posledních 60 ka. Pro pleistocénní stáří je založený na U/Th datovaných speleotémách z jeskyně Hulu v Číně, jejichž záznam je astronomicky laděn na záznam 5180 z jádra NGRIP. To jsou kalibrační sety, ale jaký kalibrační program mi stáří přepočítá? CALIB - oficiální program INTCAL komunity, verze 7 zahrnuje především datové sety INTCAL13, Marine13, SHCal13 a některé další OxCal - často používaný program evropskými radiouhlíkovými laboratořemi využívající bayesiánský pravděpodobnostní přístup pro výpočet kalibrovaného stan CalPal 2007 - program propojený s různými paleoklimatickými záznamy Možnost výběru různých kalibračních setů (avšak nejnovější je INTCAL04). Verze CalPal-Online není vhodná, protože počítá jinak chyby Kalibrovaná data jsou obdobně jako konvenční radiouhlíková data vztahována k roku 1950 AD/CE/n.l. (cal. BP; kal, BP) V humanitních vědách lpících na kalendářním zápisu jsou data vztahována ke křesťanskému letopočtu a mohou tak být cal. AD/CE/n.l. a nebo kal. BC/př.n.l. Po roce 2000 jsou mnohdy kalibrovaná data vztahována k roku 2000 AD/CE/n.l (cal. b2k; kal. b2k). Kalibrace radiouhlíkových dat - příklady výstupů kalibračních programů OxCALv4.1.X CALIB7 0>;Calv4.1 5 BronK Ramsey (2010); r.b Almospheric data frora Reimer Rt al (2009); 29.0 Z9.5 30.0 i-r cal. ka BP | n| Spán *126D |e| Spon 4410 | n| w.0 Cal BP -'.,t.H-'U i-d BP Li 7270 cdBP 346ŮO L-d BP LíéHů cd BP 5pa«l -43S0 | 4 Spf»n =3030 14 Lipan =21^0 | a| 4D4S0 CflIBF 31720 CdBP -24670 CdBP 51270 cdBP -27150 cdBP Spsr, *i}74 r.d bp 32300 Cd BP - 27260 cd BP WlllorHJDrl 330<0 . U14UU C -26470 cd BP - JůIifMJ cd BP - SflFiDa cd B P tipem 4UC-HU | a| Spem -711 □ jdj Spon =4240 I4 uu íu | li Spař -1610 14 3pl*i -1030 14 iipan flltiftJ |a| spem -7nnn j 4 Spwi -5020 14 Spon =6540 |4 iipan =31ť-iU 14 Grcoln ol dl. 1893 Sluvor at d. 1333 Mhh trt d . 1994 Sbwvt rf d iaa3 GRiP £0 y«ar iJlďO «dun JDl-inson S L al d líUU 1 fTRIP Jíl y*ipr rldl-SO vpéljik b*rk in i?? k Chronrtoív \s a9Ců«ja o* GRIP3O01 HCil OHkHta ÍOr fttKflI SůurC* rrf 41 40 HEJ M M 11 M I 11 I Pl P| M M 11 A co s daty po roce 1950 AD? CALIBomb - kalibrační program využívající různé datové soubory pro kalibraci dat mladších než 1950 AD (http://calib. qub. ac. uk/CALIBomb/frameset. html) Několik kalibračních setů, pro naše jsou území vhodné sety: Levin - měsíční průměry troposférického 14C02 (1959- 2007 AD), vhodné pro střední zeměpisné šířky severní polokoule NH_zone1 - kompilace měsíčních průměrů troposférického 14C02 pro oblast s. od 40° s.š. (1955-2000 AD) 1.6 _ 1.4 _ 1.2 1.0 0.8 l 1960.0 1965.0 1970.0 1975.0 1980.0 1985.0 1990.0 cal AD Radiouhlíková vs. kalibrovaná data Jaké jsou rozdíly mezi konvenčním radiokarbonovým stářím a kalibrovaným (reálným, kalendářním) stářím? ■ n \yyyj 30000 3ÜÜ0O cal EP Figuře 4 IntCalOS calibration cume and aze-comected A]4C {/io) with l-standaid deviatou euvelope^ Co znamená výsledek kalibrace? 99,74 % 95,44 % Protože radiokarbonové datování je výsledkem opakovaného měření, je rozdělení jednotlivých jeho výsledků vyjádřeno normálním (Gaussovým) rozdělením. A proto jsou získaná konvenční radiouhlíková i kalibrovaná stáří vyjadřována jako průměr ± jedna (dvě) směrodatná odchylka. Proto stáří 5000 ± 50 kal. let BP (s chybou 1a) neznamená, že skutečné stáří vzorku leží mezi 4950 a 5050 lety BP. Ale znamená to, že existuje 68,3% pravděpodobnost (1a), že stáří se pohybuje v tomto intervalu. Zároveň ale platí, že je 31,7% pravděpodobnost, že stáří v tomto intervalu neleží. Z tohoto důvodu je vždy objektivnější prezentovat výsledky s chybou 2a, kde je 95,4% pravděpodobnost, že dané staří do prezentovaného intervalu _ spadá. 68,26 % Co to jsou radiouhlíková plata (radiocarbon plateaus)? Časové změny v produkci atmosférického 14C způsobují tzv. radiouhlíková plata, ta odrážejí období snížené aktivity radiogenního uhlíku. Pro období >25 ka BP dochází k velkým fluktuacím koncentrací atmosférického 14C, což se nepříznivě projevuje i na přesnosti radiouhlíkového datování v tomto období. 1 DO 0 5 DO 6 DO l V 4DC < 2DC - O = -200 - -433 III 1 1 1 1 1 ~ Ji 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 \ ij III 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 III 11000 z. 3 o -o Cti 10000 - 9000 -1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1- 1DD00 20DD0 30QQD 4D000 Calendar/GISF2 age [yr BP} 50DCD _L _l_I_I_I_I_I_I_I_L_ _l_I_L_ 12 500 12 000 11500 11 000 Calendar years BP 10 500 Co to je „wiggle matching" a k čemu se používá? Kalibrace jednotlivého data je téměř vždy spojená s významnou ztrátou jeho přesnosti. Je to proto, že kalibrační křivka není hladká a jsou známé změny v produkci radiouhlíku v čase. Pokud ale odatujete více dobře časově zařazených bodů této křivky, můžete tato radiouhlíková data lépe přizpůsobit tvaru časové funkce. Tato technika je označována jako „wiggle matching". Nejjednodušší je použití letokruhů stromů - přesně známe časový rozdíl mezi dvěma letokruhy a jejich radiouhlíková data mohou být přesně přizpůsobena průběhu kalibrační křivky. Nejlepší přizpůsobení výsledku kalibrační křivce musí být statisticky testováno. Obdobně mohou takto být datovány laminované sedimenty, tefra nebo i rašeliniště, pro než máme nezávislá data o stáří. Standardně se používá x2 test, ten minimalizuje vážené sumy kvadrátů měřených bodů kalibrační křivky. V některých případech je možné, že získáte více lokálních minim, obecně však pro více než 2 měření existuje jediné nejstabilnější řešení. Dalšími rozvinutějšími statistickými metodami je simulace Monte Carlo, mimo klasickou statistiku lze využít bayesiánský pravděpodobnostní přístup. Těchto přístupů je obecně využíváno ke zpřesňování kalibračních křivek. Co je důležité si uvědomit při interpretaci radiouhlíkových dat? - radiouhlíkovým datování nedatujeme stáří sedimentu, stanovujeme stáří organickéh materiálu, které může být mnohdy starší nebo naopak mladší, než je vlastní sediment, - optimální pro datování sedimentace dané vrstvy jsou ulity měkkýšů v životní pozici, případně řasovo-sinicové povlaky v jezerech, -je důležité vědět o možnosti resedimentace daného materiálu (např. kmeny stromů v holocenních říčních sedimentech - mají kořeny? jsou opracované?), -je nutné vyloučit možnost druhotného ovlivnění („omlazení") vzorku pedogenními a biologickými procesy, - u jezerních a mořských vzorků je nutné počítat s rezervoárem 14C v důsledku přínosu „izotopicky staršího" uhlíku erozí a transportem z daného povodí, - naopak provířením nezpevněných sedimentů vlněním, příbojem a proudy dochází k míchání různě starého materiálu, - pokud datujeme shořelý dřevěný srub - nezískáme stáří požáru, ale stáří uříznutí stromu, ze které je konstrukce postavena (což může být rozdíl mnoha desetiletí i několika století), tedy daný objekt je vždy mladší (tedy jeho stavba a samozřejmě jeho zánik požárem) - pozor na hroby, člověk dělá nepředvídatelné věci, protože ukládá své pozůstalé pod zem (viz např. paleolitická žena ze Svitávky, která je slovanského stáří), Kosmogenní radionuklidy Sekundární radiací mezonů K a tt (rozpadajících se na miony) a zejména energetických nukleonů (nejčastěji neutronů s energií >10 MeV) vznikají přímo na zemském povrchu in situ tvořené kosmogenní radionuklidy (TCN -terrestrial in situ cosmogenic nuclides: 3He, 10Be,21 Ne, 26AI, 36CI, 41Ca). f_______, , \ i 1 1 ' /*TM0»jW o2 In situ produkce kosmonuklidů: 3He:75-100at»g1»a 1 10Be:4-7at*g-1*a 1 21 Ne: 18-21 aťg^a1 26AI: 30-36 at«g-1«a 1 36CI:8-10at»g-1«a 1 c^o2 °^N2 ^ |l0Be' 140 * royonncmtnt 2' t\j'r>.?ř\CZ n V V jakém materiálu kosmogenní nuklidy vznikají, tedy jaký materiál můžeme analyzovat? 3He - olivín, pyroxen, amfibol, granát 10Be - křemen, olivín, magnetit, plagioklas, pyroxen 21Ne - křemen, olivín, granát, plagioklas 26AI - křemen 36CI - K-živce, kalcit, plagioklas, chlorit, fluidní inkluze v křemení Jaké jsou výhody a nevýhody použití jednotlivých nuklidů? nuklid ^ _ lOgg - hojnost křemene, -jednoduchá příprava vzorků, - dobře známé chemické chování _ atmosférický 10Be a 10B je křemene, potenciálním kontaminantem, nutné - odolnost křemene vůči chem. zvetrávaní, speciální detektory k „odlovení" bóru, - vzorky mohou být připravovány zároveň i _ má nejnižší produkci, takže datování pro 26AI a21 Ne, mladých procesů není možné - obdobně může být využit i olivín, - dlouhý poločas rozpadu (1,387 Ma; vhodný pro datování dlouhých expozic) Produkce 10Be v krystalové mřížce křemene sekundární radiace (>10 MeV) energetické nukleony 10Be atm T%= 1.387 ± 0,012 Ma Příprava vzorků před AMS měřením srazem oxidace umístění do katody rozpouštění v HCI a HoSiR extrakce 10Be čisté SiO, rozpouštění v H F (částečné a celkové) + spike 9Be ASTER 5MV (CEREGE, Aix-en-Provence) Rychlost in situ produkce 10Be dC ďt Pxexp(-^) + sxdC-A,xC o L dx J K. přírůstek úbytek In situ produkce 10Be je ovlivněná zastíněním reliéfem bez zastínění -r~ 30 40 50 60 sklon svahu (°) 70 80 e=o° zastínění de ciel v. Masqu 0 In situ produkce 10Be je ovlivněná pokryvem sněhu výška sněhu (cm) For stable nuclides (e.g. 21Ne): cone, at surface production rote at surface For radionuclides (2dAI, 10Be) (1-e-^) Production at scale vel, high latitude -1-1-1-1-r 1 2 3 Exposure time/Ma 5 e Využití in situ tvořených kosmonuklidů pro datování Nejzákladnější předpoklady: - nulová eroze povrchu, - žádný zděděný podíl kosmogenního nuklidu z předchozí expozice, - jednoduchá historie expozice povrchu (bez překrytí např. sněhem) Vzhledem k tomu, že výše zmíněné předpoklady téměř nikdy neplatí (téměř vždy je každý povrch erodován) je nutné brát takto získané stáří jako minimální. stáří expozice daného povrchu trocha matematiky pro vlastní výpočet délky expozice povrchu x P0 x exp(- — ) C(x,t) = (1-X) x n X + X l-exp(-t x (4- +M) n n + x P0 xexp(- —) (X) x x + X l-exp(-t x(-+ X)) 100 1 000 10 000 100 000 1 000 000 10 000 000 délka expozice (v letech) Banánový graf Při měření obou nuklidů 10Be a 26AI můžeme s výhodou využít jejich rozdílné in situ produkce. 26AI vzniká 6x rychleji a zároveň se 2x rychleji rozpadá. Linie na vnější straně banánu je izotopovou trajektorií vzorku trvale exponovaného na povrchu, tedy s nulovou erozí povrchu. Naopak u vzorků pocházejících z povrchu erodovaného (dlouhodobě) rovnovážnou rychlostí eroze leží body na vnitřní straně banánu. Tenké linie jsou trajektoriemi vzorků, které odpovídají daným (dlouhodobým) rychlostem eroze. Vzorky, které byly pohřbené, budou ležet pod banánem. Vzorky, které nebyly pohřbené bude uvnitř banánu. o < .■ J 10* 'J Q) CD < (D tOO ky 200 ky 400 Ky Saturation P = 7jN 10( 10' Be (atoms g~1) steady state erosion •■■...... lil Ir "M 1 —-■ Él É -A-.....»É.-.-k. 0.1 1 3 [10Be] x '\0Ů atoms/grarnm (quartz) Výpočet expozičního stáří povrchu kosmogenními radionuklidy CRONUS-Earth online calculators (http://hess.ess.washington.edu/math/) CosmoCalc (An Excel Add-In for cosmogenic nuclide calculations) (http://sites.google.com/site/cosmocalc/) Aplikace kosmogenních radionuklidů \\\\\\\\ \\\\\\\\ \\\\\\\> (J) glacial chronologies (alpine, ice-sheets) (5) catchment wide denudation rates (2) fluvial chronologies (terraces, incision) (9) volcanic eruption chronologies (l^) desert chronologies (6) burial chronologies (caves, terraces, paleosols) ^ alluvial fan chronologies (3) shoreline chronologies (J) landslide chronologies £|| archeology (terraces, lacustrine, marine) ® hillslope rates ® ^ ^ chr0nol°gieS ® pedogenic chronologies Terigenní radionuklidy Produkty rozpadové řady 238U - uran-thoriová metoda je založená na stanovení stáří na základě stupně ustavené rovnováhy mezi rozpadem dceřinného izotopu 230Th a mateřského izotopu 234U, - protože je poločas rozpadu dceřinného izotopu kratší, než je poločas rozpadu izotopu mateřského, odpovídá v případě dlouhodobé rovnováhy množství rozpadů 230Th za jednotku času množství rozpadů 234U za stejný čas, - pokud však systém není uzavřený (např. dochází k úniku radonu difúzí nebo ochuzování o vybrané izotopy zvetrávaním a erozí) taková rovnováha nemůže být ustavena, - uran je rozpustný ve vodě a proto jakýkoliv materiál, který se z takovéto vody vysráží bude obsahovat uran (typicky 0,01- 100 ppm), proto je tato metoda vhodná k datování mořských (korálů) i pevninských karbonátů (speleotém), - horní datovatelný limit je ~ 500 ka. aplikace - datování korálů, rychlosti jejich přírůstku, glacieustatické změny mořské hladiny (využití pro kalibrační křivku Fairbanks05) - datování přírůstků speleotém čínské jeskyně Hulu (využití pro kalibrační křivku CalPal-2007-Hulu) - Cailxabon cuve (this study) --Calilxabon curve uncertainty • coral data (this study) + Floating Tree Ring (Friedrichetal.,2004) — Tree Ring (Rameretal., 20G4) V aplikace - datování přírůstků speleotém v severním Norsku - teplotní záznam 5180 podpořený U/Th datováním pro posledních 10,4 ka (SG93) další materiál vhodný k datování: vulkanity, železité konkrece, škeble, travertiny fosfáty - pokusy s datováním reziduálních karbonátů v rašelinách, jezerních sedimentech nebo v zubech, či kostech (např. datování Choukuotienu) H cn Os O 5 i 3 - 2 - 1 - 0 J OISP2 Temperature Curve (11 point running mean) SG93 Temperature Curve (5 point running mean) ŕ 1 ľ 0 r-1 L-2 U o (N C/5 i i i1 ľ i i i i "i 0 1000 2000 i ! ' ' i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i \ i i i i i i i i 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 Years, cal.BP o — 3 i3 2.0 CO C.2 04 0.6 0.8 23CTh/234U activity ratio 1.0 Figure 3,7 Variation of234U/238U and 230Jh/234U activity ratios with time in a closed system where there is no initial 230Th present. The near vertical lines are lines of contant age tisochronsl while the near horizontal lines show changes in nuclide activity with time for different initial 234U/23BU activity ratios (after Heijnis, 1995) Produkty rozpadové řady 235U - uran-protaktiniová metoda (231Pa/235U) je také použitelná pro datování mladých událostí lze také užít poměru, - protaktinium (obdobně jako thorium) není na rozdíl od uranu rozpustné ve vodě, - stejné aplikace jako u uran-thoriové metody, tedy vhodné k datování mořských (korálů) i pevninských karbonátů (speleotém), - dosah metody ~ 200 ka 0.75 n 0.70 - 0.65 0.60 la 0.55 oľ 0.50 0.45 0.40 concordia Barbados corals (Mortlock el al., 2005; Ihis study) Araki corals (this study) 0.20 235U Series 235y 7.13x10B Years 231Th 25.6 h 22 Years 227Th 18.2 d [230Th/234U] activity ratia Datování pomocí izotopů s krátkým poločasem rozpadu 137Cs (poločas rozpadu 30 let), vhodné pro jezerní sedimenty, rašeliny - vzniká v důsledku termojaderných výbuchů,v prostředí se významněji objevuje kolem roku 1954, maximum v roce 1963/1964 a pro Evropu 1986 a nejnověji pro rok 2011. _ pt»it Kfrehs luft (lepili TOC[%| MSflO'mMtg'l "C IBqJcj'l » i» 2oo m m wo m » w 1» »o im Varvě and 210Pb age (yr bp) 50 100 150 _L_ 210Pb (poločas rozpadu 22,26 let), vzniká rozpadem 222Rn a rozpadá se na 206Pb, které je již stabilní - použitelnost pro posledních ~ 200 let, pro jezerní sedimenty, rašeliny - dva modely pro výpočet stáří: 1) konstantní počáteční koncentrace (CIC) 210Pb v rámci celého profilu, což v průběhu času vede k monotónnímu úbytku koncentrací 210Pb směrem do hloubky Bohužel změny v rychlosti sedimentace v dané pánvi obvykle neumožní konstantní počáteční koncentraci 210Pb. 2) Proto je častěji využíván druhý model, který předpokládá konstantní rychlost přísunu (CRS) 210Pb během posledních 150-200 let. varvě Stronciové datování mořských organismů a sedimentů Poměr 87Sr/86Sr v biogenně a chemogenně vzniklých mořských organismech a sedimentech se během fanerozoika mění. Poměr 87Sr/86Sr v mořské vodě je závislý na poměrech 87Sr/86Srv horninách, které jsou do moří erodovány a kterými sladká voda ještě na pevninách protéká. Intenzivní vulkanická aktivita během některých období přináší do oceánu materiál s nízkým poměrem 87Sr/86Sr, proti tomu působí snos hornin kontinentální kůry s vysokým poměrem 87Sr/86Sr do oceánů v obdobích bez významnější vulkanické aktivity. Pro mladší kenozoikum vhodná metoda datování schránek mořských V ■ ■ F V O mekkýsu. 0,70950 0,70900 0,70850 c/> (O 00 c/> 00 0,70800 0,70750 0,70700 0,70650 Don't believe this - it's an artefact of sparse data These are probably artefacts of age models o V v 0 100 200 300 400 Numerical Age, Ma 500 Přepočet poměru 87Sr/86Sr pomocí SIS Look-Up Table (Excel) 0,70920 0,70915 W 0,70910 o o í° 0,70905 0,70900 0,70895 si v. Pleistocene Pliocene 1.77 to 5.32 2 3 4 Numerical Age, Ma 0,70910 0,70900 0,70890 0,70880 £ 0,70870 8 0,70860 £ 0,70850 » 0,70840 0,70830 0,70820 0,70810 --0,70800 \- 10 15 20 Numerical Age, Ma s i * * * 1 \ ) 1 i Miocene 5.32 to 23.8 25 MINIMA and MAXIMA Lower confidences limit on age Upper confidences limit on age 87 86 Sr Sr to scate Age limits, but no preferred age. Use triangular probability diagram to compute age probability distributions. AGE, Ma Rekonstrukce vývoje pobřeží severního Peru od pliocénu Datování interglaciálních fází s otevřenou mořskou hladinou v Antarktidě (sv. miocén-kvartér) glacier fluctuations PC05-B PC04-2 PC05-2 PC05-S Radiační dozimetrické datovací metody (metody založené na ozáření) Luminiscenční datovací metody Luminiscenční metody datování jsou založeny na principu, že materiály přirozeně obsahující radiogenní nuklidy, jako je U, Th nebo 40K, nebo které leží v těsně blízkosti jiných materiálů obsahujících tyto radionuklidy jsou vystavovány nízké úrovni radiace. Tím dochází v krystalové mřížce k ionizaci atomů a volné elektrony se mohou uchytit ve volných místech (dírách) v krystalové mřížce. Tyto elektrony můžeme v laboratoři za kontrolovaných podmínek z krystalové mřížky uvolnit buď zahřátím nebo osvícením. V luminiscenčních centrech krystalu (zvláštní defekty krystalové mřížky nebo nečistoty) dojde k emisi světla, která je úměrná množství zachycených elektronů. „Luminiscenční hodiny" mohou být vynulovány (přemazány) zahřátím - např. výpalem keramiky nebo expozicí vůči slunečnímu záření. Tím se uvolní množství elektronových pastí, které mohou být následně zaplněny elektrony. Přírodní luminiscenční signál tak poskytuje informace o čase, který uběhl od vynulování luminiscenčních hodin (zahřátím/vypálením nebo poslední expozicí vůči slunečnímu záření, než byl daný materiál pohřben). Luminiscenční datovací metody Pokud luminiscenci indukujeme tepelně, tak mluvíme o termoluminiscenci, pokud ji indukujeme viditelným světlem, tak o opticky indukované (optické) luminiscenci a pokud infračerveným zářením, tak o infračervené luminiscenci. Formation or Deposition Luminiscenční datovací metody Termoluminiscence (TL) - standardně měřen křemen nebo živce, ale principiálně mohou být použity i jiné minerály Datovatelný materiál: keramika, vypálené sedimenty cihly kachle, přepálené artefakty a kameny vulkanické produkty spraše, jezerní sedimenty a dokonce hlubokomořské sedimenty Laboratorní měření: separovaný křemen nebo živec je zahříván na >500 °C a vyzářené světlo je pomocí fotonásobičů převáděno na elektrické impulzy Intenzita TL je vynášená vůči teplotě - dostaneme křivku záření, v níž vrcholy odpovídají prožité termální historii jednotlivých populací elektronových pastí ve vzorku. Přírodní TL signál je srovnáván s umělým signálem získaným tak, že část vzorku vystavujeme známým dávkám záření z kalibrovaného zdroje radioizotopů. To nám umožňuje stanovit ekvivalentní dávku (paleodávka; DE), která odpovídá množství záření, které by bylo zapotřebí k vytvoření stejného TL signálu, který daný vzorek získal během posledního vynulování. Termoluminiscence (TL) Pro zjištění luminiscenčního stáří potřebujeme stanovit ještě jeden parametr, tím je hodnota dávky v prostředí (nebo taky roční dávka). To je množství záření za jednotku času pohlcená použitým minerálem od vynulování luminiscenčních hodin vypálením nebo slunečním zářením. Tato dávka se stanoví měřením koncentrací radioaktivních prvků (U, Th, 40K) v daném vzorku (hodnota vnitřní dávky) a v jeho okolí (hodnota vnější dávky). ekvivalentní dávka TL/OSL stáří = " aplikace - dnes téměř výhradně na datování výpalu (keramiky, cihel, sedimentu, přepálení artefaktů či kamene obecně) - sedimenty jsou dnes téměř výhradně datovány OSL a IRSL metodami roční dávka Optická luminiscence (OSL) (A) - obdobný přístup, jen luminiscence je indukována zeleným světlem, Ü o sz o a in ü Natural radiation [N] ~i i i i i i i r Laboratory irradiation i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i r -100 -50 I) 200 250 300 - dnes pro datování sedimentů již TL skoro není používána, - v poslední době se významně využívá datování jednotlivých křemenných zrn, které umožňuje zjistit, jestli všechna zrna v daném vzorku mají stejná zdánlivá stáří. Tato zdánlivá stáří mohou být různá, protože např. některá z nich nebyla vůbec vystavena slunečnímu záření po dostatečně dlouhou dobu, aby byl vynulován jejich luminiscenční signál a nebo protože sediment obsahuje různě starý materiál. 50 100 150 Laboratory dose (Gy) Infračervená luminiscence (IRSL) - pouze pro živce - IR záření generuje mnohem silnější luminiscenční signál, což je speciálně pro živce důležité, protože živce se obecně výrazně hůře nulují, než křemen OSL, IRSL aplikace - eolický transport a sedimentace - říční transport a sedimentace - mořská sedimentace - (svahoviny, jezerní sedimenty) zdroje chyb sedimentační procesy během kterých nedochází k vynulování a nebo dochází k vynulování jen části materiálu - svahový transport, - říční dnové splaveniny u toků s vysokým množstvím unášených plavenin (kalná voda), - resedimentace materiálu, živce se obecně neradi nulují... často až 10 x hůře než křemen! reziduálni luminiscence v daném materiálu Elektronová spinová rezonance (ESR) Podobný princip jako u luminiscenčních metod (také je třeba stanovit ekvivalentní a roční dávku). Ale tato metoda je nedestruktivní a nedochází při měření k uvolnění elektronů zachycených v krystalové mřížce. Je stanovováno jejich množství na základě jejich paramagnetických vlastností. Vzorek je měřen v silném magnetickém poli a vystaven vysokofrekvenční elektromagnetické radiaci. Magnetické pole se pomalu mění a při určité frekvenci se začnou elektrony excitovat a rezonují. Rezonance je měřena ESR spektrometrem, kde počet rezonujících elektronů, který udává stáří vzorku, měříme absorpcí elektromagnetické energie. Datovatelný materiál: speleotémy, zubní sklovina, koráli, měkkýši, přepálené artefakty, vulkanity Dosah metody: od pár tisíců let až teoreticky do 2 miliónů let. Ale přesnost metody je poměrně nízká, chyba bývá obvykle >10 %. Štěpné stopy v minerálech a datování termálních událostí Je založena na rozpadu jader atomů 238U (poločas rozpadu ~1016 let), štěpen je spojeno se vznikem neutronů a štěpných produktů. Tyto štěpné úlomky získávají značnou energii a při průchodu nabité částice hmotou (krystalem minerálu) způsobují štěpné produkty trvalé poškození - tzv. latentní štěpnou stopu. Pro určení stáří vzorku je nutné stanovit objemovou hustotu spontánních latentních štěpných stop 238U, která je funkcí obsahu uranu a stáří Štěpné stopy mohou být zviditelněny a studovány pod mikroskopem. Nejčastější metodou ke zjištění koncentrace uranu je objemová hustota indukovaných štěpných stop 235U, které lze získat při bombardování jader tohoto izotopu pomalými (termálními) neutrony v jaderném reaktoru. Stáří jednotlivých zrn je vypočteno z poměru spontánního a indukovaného počtu štěpných stop a neutronového toku. Metoda spontánního štěpení 238U je nejčastěji kalibrovaná pro studium časově-teplotního záznamu vývoje hornin pro zirkony a apatity v rozmezí -60-125 °C pro apatity a 210-310 °C pro zirkony. aplikace - stanovení časově-teplotního modelu výzdvihu/subsidence sediment, pánví - stanovení provenience detritického materiálu Racemizace aminokyselin Datovací technika využívající změn aminokyselin od jejich vzniku. Všechny aminokyseliny kromě glycinu (nepolární) jsou díky přítomnosti chirálního uhlíku opticky aktivní (stáčivé) a mají schopnost stáčet rovinu polarizovaného světla vlevo (L-) nebo vpravo (D-) a tvoří zrcadlově odlišné páry. Až na výjimky tvoří živé organismy levotočivé aminokyseliny. Po smrti daného organismu se aminokyseliny postupně mění na pravotočivé, čemuž se říká racemizace. Stanovení poměru L- a D- aminokyselin lze proto určit ke stanovení doby, která proběhla od smrti daného organismu. Rychlost přeměny je ovlivněná především teplotou, vlhkostí a kyselostí substrátu, což ovlivňuje jak časový dosah metody tak i její přesnost. V běžných podmínkách je dosah až 2 Ma a chyba -20 %, při záporných teplotách se časový dosah může prodloužit až na 10 Ma. Isoleucine Ole) Nejčastěji se používá L-isoleucin, kapalinovou chromatografií lze sériově stanovovat větší množství aminokyselin, které lze použít pro různá časová rozpětí. Nejvhodnějším datovatelným materiálem jsou kosti a ulity. M olekulární (DNA) hodiny Metoda založená na předpokladu, že míra mutací v mtDNAje za určitý čas konstantní. Díky tomu je možné stanovit evoluční vzdálenost mezi dvěma druhy. Mutace mtDNAse projeví odlišnou stavbou aminokyselin. Nejedná se o absolutní datování, lze tak jen kvantifikovat rozdílné časové úseky evoluční vzdálenosti mezi dvěma druhy. Kalibraci pomocí nezávislých chronologických metod je pak nutné odvodit vlastní stáří. Mitochondriální Eva - tak označujeme ženu, která je v mateřské linii společným předkem všech dnes žijících lidí. Její MtDNAse postupným děděním rozšířila na veškerou lidskou populaci na světě. Žila zhruba před 200 ka někde ve východní Africe. Nejstarší nalezený Horno sapiens je -160 ka starý (H. sapiens idaltu) Horno denisoviensis (Hominin X) - mtDNA z prstního článku z vrstvy staré 48-30 ka v Denisově jeskyni (Altaj) ukázala, že se nejedná o neandrtálce ani o moderního člověka. Od linie vedoucí k modernímu člověku se podle mtDNA Horno denisoviensis oddělil před -800 ka a je tak pro nás vzdálenější, než neandrtálec, jenž se o od předchůdců moderního člověka oddělil před -470 ka. present-day humans M 1 12.2-12.5% 1793-812 kyr Denisova i_M 1.13-1.27% 74-82 kyr chimpanzee K dalšímu čtení a studiu: Aitken M.J. (1998): An Introduction to Optical Dating. Oxford University Press. Bradley R.S. (1999): Paleoclimatology. Reconstructing Climates of the Quaternary. Second Edition. International Geophysics Series, 64, Academic Press. Dunai TJ. (2010): Cosmogenic Nuclides: Principles, Concepts and Applications in the Earth Surface Sciences. Cambridge University Press. Gornitz V., Ed. (2009): Encyclopedia of Paleoclimatology and Ancient Environments. Springer. Gosse J.C., Phillips EM. (2001): Terrestrial in situ cosmogenic nuclides: Theory and application. Quaternary Science Reviews, 20, 1475-1560. Nývltová Fišáková, M. (2012): Radiouhlíkové datování. Přehled výzkumů, 53, 89-99. Reimer P.J. et al. (2013): IntcaM 3 and Marine13 radiocarbon age calibration curves 0-50,000 years Cal BP. Radiocarbon, 55, 1869-1887. Světlík I., Dreslerová D., Limburský P., Tomášková L. (2007): Radiouhlík v přírodě a jeho použití pro datovací účely. Archeologické rozhledy, LIX, 80-94. Walker M.J.C. (2005): Quaternary Dating Methods. Wiley & Sons. Wolff, E.W. (2007). When is the „present"? Quaternary Science Reviews, 26, 3023-3024. That's all for this term, folks...