Elektronenspinresonanz (ESR)-Datierung

Die Elektronenspinresonanz-Datierung (ESR) – auch Elektronenparamagnetische Resonanz (EPR) genannt – ist eine radiometrische Datierungsmethode, die zur Gruppe der Datierungstechniken mit eingeschlossenen Ladungen gehört (Trapped charge dating), zu der auch die Thermolumineszenz- (TL) und die optisch stimulierte Lumineszenzdatierung (OSL) zählen. Die ESR-Methode basiert auf der Ansammlung ungepaarter (paramagnetischer) Elektronen im Kristallgitter eines Minerals durch ionisierende Strahlung. Ein ESR-Alter wird aus der Messung der im Laufe der Zeit aufgenommenen Strahlendosis abgeleitet, welche vom jährlichen Fluss ionisierender Strahlung abhängt. In den letzten Jahrzehnten hat sich die ESR-Datierung zu einem bedeutenden Werkzeug in den Geowissenschaften, insbesondere in der Quartärforschung, sowie in der Archäologie entwickelt. Verschiedene Materialien wie Quarz, Aragonit, Kalzit und Hydroxyapatit (Zahnschmelz) ermöglichen die Bestimmung numerischer Alter für unterschiedliche Ablagerungsumgebungen (z.B. küstennahe, fluviale und äolische Milieus) sowie archäologische Fundstätten und frühmenschliche Überreste. Neueste Entwicklungen ermöglichen auch die Nutzung von ESR-Signalen in Quarzen und Karbonatmineralen als Niedrigtemperatur-Thermochronometer zur Bestimmung von Gesteinsabkühlungs- und Exhumationsraten. Neue Fortschritte bei der Analyse der Äquivalentdosis (De) und der Dosisrate erhöhen die Genauigkeit der Altersbestimmung, sodass das gesamte Quartär und darüber hinaus erfasst werden kann.

ESR-Spektroskopie und Datierung

Der entscheidende Punkt in der ESR-Spektroskopie ist, dass das magnetische Moment des ungepaarten Elektrons, das durch den Spin erzeugt wird, unter dem Einfluss eines externen Magnetfeldes mit Mikrowellenstrahlung wechselwirken kann. Im ESR-Labor wird die Probe im ESR-Spektrometer in ein Magnetfeld eingekoppelt, wobei sich die Elektronenspins parallel oder antiparallel zu diesem ausrichten. Durch die Bestrahlung mit Mikrowellen können Übergänge zwischen den beiden Einstellmöglichkeiten induziert werden und ein Absorptionsspektrum gemessen werden. Die ESR-Intensitäten werden als erste Ableitung der Mikrowellenabsorption detektiert und für die weiteren Anwendungen ausgewertet (Abb. 1).

Für eine erfolgreiche Datierung ist entscheidend, dass das natürliche ESR-Signal zu einem bestimmten Zeitpunkt zurückgesetzt wurde. Dieser Moment definiert den Startpunkt der Zeitmessung. Solche Nullstellungen können beispielsweise erfolgen durch (i) :

•         Lichteinwirkung (z. B. bei Transport von Sedimenten), 

•         Erwärmunghitzung (z. B. bei vulkanischen Eruptionen, Erwärmung), 

•         Kristallneubildung (z. B. Kalzit-Rekristallisation)

Zu den wichtigsten Mineralen, die mit der ESR-Spektrometrie datiert werden können, gehören insbesondere Quarz, Kalzit, Aragonit, Dolomit sowie Hydroxyapatit (Zahnschmelz). Aufgrund dessen wird die ESR-Datierung wird in zahlreichen Forschungsfeldern eingesetzt (Abb. 2), darunter:

•         Datierung von Sedimentablagerungen (z. B. Flüssefluvial, Wüsten, Küsten)

•         Rekonstruktion von Landschaftsentwicklung und Klima

•         Datierung von Vulkaneruptionen und tektonischen Prozessen

•         Archäologie und Erforschung der menschlichen Evolution

ESR im Kontext unserer Arbeitsgruppe

ESR-Labor

Unsere aktuellen Projekte im Labor konzentrieren sich auf die Anwendung und Weiterentwicklung der ESR-Datierung von Sedimenten sowie die ESR-Thermochronometrie zur Bestimmung von Gesteinsabkühl- und Exhumationsraten (an Quarzen und Karbonaten). Das Labor besitzt ein X-Band ESR-Spektrometer (Bruker Magnettech ESR5000), das sowohl bei Raumtemperatur als auch bei tiefen Temperaturen (kühlbar mit Flüssigstickstoff bis 100 K) arbeitet (Abbildung). Zudem verfügen wir über eine Röntgenquelle (Freiberg Instruments X-ray Dose System, ESR-Version) und eine Heizeinheit (Liebisch Heater Unit), mit denen wir sowohl additive als auch regenerative Messprotokolle durchführen können.

Probenaufbereitungslabor

Das Probenaufbereitungslabor ist mit einem Laborlicht ausgestattet, das neben Weißlicht auch 590-nm-LEDs nutzt, sodass auch unter Dunkellaborbedingungen gearbeitet werden kann. Dies ermöglicht die Aufbereitung lichtempfindlicher Proben, wie optisch gebleichter Quarze. Neben Sedimenten können auch Gesteinsproben aufbereitet werden