Lumineszenzdatierung

Die Lumineszenzdatierung umfasst eine Gruppe chronologischer Datierungsmethoden , mit denen bestimmt wird, wann Mineralkörner zuletzt Sonnenlicht oder ausreichender Hitze ausgesetzt waren. Sie ist für Geologen und Archäologen nützlich, die den Zeitpunkt eines solchen Ereignisses ermitteln möchten. Dabei werden verschiedene Methoden eingesetzt, um Lumineszenz anzuregen und zu messen .

Dazu gehören Techniken wie optisch stimulierte Lumineszenz (OSL), infrarotstimulierte Lumineszenz (IRSL), Radiofluoreszenz (RF) ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} , Infrarot-Photolumineszenz (IR-PL) ^{[ 4 ]} und Thermolumineszenzdatierung (TL). „Optische Datierung“ bezieht sich üblicherweise auf OSL und IRSL, nicht aber auf TL. Der Altersbereich der Lumineszenzdatierungsmethoden reicht von wenigen Jahren ^{[ 5 ]} bis zu über einer Million Jahren für rote TL ^{[ 6 ] .}

Seit den ersten Anwendungen der Lumineszenzdatierung in den 1960er/1970er Jahren hat das Gebiet in der wissenschaftlichen Gemeinschaft zunehmend an Bedeutung gewonnen, mit mehr als 3500 Veröffentlichungen pro Jahr und über 200 Laboren weltweit im Jahr 2020. ^{[ 7 ]}

Die ionisierende Hintergrundstrahlung um im Boden vergrabene Mineralien – beispielsweise Quarz oder Kalifeldspat – führt zu einer Ladungsansammlung in den Mineralien. Quellen dieser natürlichen Strahlung sind kosmische Strahlung und Spurenmengen radioaktiver Isotope von Elementen wie Kalium , Uran , Thorium und Rubidium .

Die gespeicherte Ladung akkumuliert sich mit der Zeit in einem Maße, das von der Hintergrundstrahlung am jeweiligen Ort abhängt. Lichteinwirkung führt zu einem schnellen Zerfall der Ladung und zur Emission von Licht. Werden diese Mineralkörner jedoch mit Licht (blau oder grün für OSL; infrarot für IRSL) oder Wärme (für TL) angeregt, wird ein Lumineszenzsignal emittiert, da die gespeicherte Elektronenenergie freigesetzt wird. Die Intensität dieses Signals variiert je nach Dauer der Einbettung (und damit der absorbierten Strahlung) sowie den spezifischen Eigenschaften des Minerals.

Die meisten Lumineszenzdatierungsmethoden basieren auf der Annahme, dass die Mineralkörner zum Zeitpunkt des zu datierenden Ereignisses ausreichend Licht ausgesetzt oder „gebleicht“ waren. Bei Quarz beispielsweise genügt eine kurze Belichtung mit Tageslicht von 1–100 Sekunden vor der Einbettung, um die OSL-Datierungsuhr effektiv zurückzusetzen. ^{[ 8 ] [ 9 ]} Dies trifft in der Regel, aber nicht immer, auf äolische Ablagerungen wie Sanddünen und Löss sowie auf einige wasserbedingte Ablagerungen zu. OSL-Alter einzelner Quarze lassen sich typischerweise von 100 bis 350.000 Jahren vor heute bestimmen und sind bei Anwendung geeigneter Methoden und Durchführung entsprechender Kontrollen zuverlässig. ^{[ 10 ]} Feldspat-IRSL-Techniken bieten das Potenzial, den datierbaren Bereich auf bis zu einer Million Jahre auszudehnen, da Feldspäte typischerweise deutlich höhere Dosis-Sättigungswerte als Quarz aufweisen. Allerdings müssen Probleme im Zusammenhang mit anomalem Ausbleichen zuvor gelöst werden. ^{[ 9 ]} Auch außerhalb dieser Bereiche können Altersbestimmungen vorgenommen werden, diese sollten jedoch mit Vorsicht interpretiert werden. Die Unsicherheit einer OSL-Datierung beträgt typischerweise 5–10 % des Alters der Probe. ^{[ 11 ]}

Die gebräuchlichsten Methoden der OSL-Datierung sind die sogenannte Multiple-Aliquot-Dosis- (MAD) und die Single-Aliquot-Regenerative-Dosis- (SAR) Technik ^{[ 12 ]} . Bei der Multiple-Aliquot-Methode werden mehrere Sandkörner gleichzeitig angeregt und die resultierende Lumineszenzsignatur gemittelt ^{[ 13 ]} . Das Problem dieser Technik besteht darin, dass der Anwender die einzelnen Werte, die gemittelt werden, nicht kennt. Sind daher teilweise vorgebleichte Körner in der Probe vorhanden, kann dies zu einem überhöhten Alter führen ^{[ 13 ]} . Im Gegensatz zur Multiple-Aliquot-Methode misst die SAR-Methode das Alter einzelner Sandkörner, die anschließend grafisch dargestellt werden. Gemischte Ablagerungen können identifiziert und bei der Altersbestimmung berücksichtigt werden ^{[ 13 ] .}

Die Idee, Lumineszenzdatierung in archäologischen Kontexten anzuwenden, wurde erstmals 1953 von Farrington Daniels, Charles A. Boyd und Donald F. Saunders vorgeschlagen. Sie gingen davon aus, dass die Thermolumineszenzreaktion von Keramikscherben den Zeitpunkt der letzten Erhitzung bestimmen könnte. ^{[ 15 ]} Experimentelle Untersuchungen an archäologischer Keramik folgten einige Jahre später, 1960, durch Grögler et al. ^{[ 16 ].} In den folgenden Jahrzehnten konzentrierte sich die Thermolumineszenzforschung auf erhitzte Keramik, gebrannte Feuersteine, Herdablagerungen, Ofensteine ​​aus Brandhügeln und andere erhitzte Objekte. ^{[ 11 ]}

1963 stellten Aitken et al. fest, dass TL-Fallen in Kalzit sowohl durch Sonnenlicht als auch durch Hitze gebleicht werden können ^{[ 17 ]} , und 1965 nutzten Shelkoplyas und Morozov als Erste die TL-Methode zur Datierung unbehandelter Sedimente ^{[ 18 ]} . In den 1970er und frühen 1980er Jahren verbreitete sich die TL-Datierung lichtempfindlicher Fallen in geologischen Sedimenten terrestrischen und marinen Ursprungs zunehmend ^{[ 19 ] .}

Die optische Datierung mittels optisch stimulierter Lumineszenz (OSL) wurde 1984 von David J. Huntley und Kollegen entwickelt. ^{[ 20 ]} Hütt et al. legten 1988 den Grundstein für die Infrarot-stimulierte Lumineszenz-Datierung (IRSL) von Kalifeldspäten. ^{[ 21 ]} Die traditionelle OSL-Methode beruht auf der optischen Anregung und dem Transfer von Elektronen von einer Haftstelle zu Löchern an anderer Stelle im Kristallgitter. Dies erfordert zwangsläufig zwei nahe beieinander liegende Defekte und ist daher eine destruktive Methode. Nahe beieinander liegende Elektronen-/Loch-Haftstellen, insbesondere in Feldspäten, können lokales Tunneln aufweisen, was zu einem sogenannten athermischen Fading des interessierenden Signals im Laufe der Zeit führt. ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}

1994 wurden die Prinzipien der optischen und Thermolumineszenzdatierung auf Oberflächen aus Granit, Basalt und Sandstein, wie beispielsweise behauene Steine ​​antiker Monumente und Artefakte, ausgeweitet. Ioannis Liritzis , der Begründer der Lumineszenzdatierung antiker Gebäude, hat dies an mehreren Beispielen verschiedener Monumente gezeigt. ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]}

Die Lumineszenzdatierung ist eine von mehreren Methoden, bei denen das Alter wie folgt berechnet wird: ^{[ 25 ]}

${\displaystyle A={\frac {D_{e}}{\dot {D}}}}$

Dabei ist A das Alter, typischerweise angegeben in Jahren oder tausend Jahren (ka, ky, kyr), die Äquivalentdosis in Gy ( Gray ) und die Umgebungsdosisrate in Gy ka ⁻¹ . ${\displaystyle D_{e}}$${\displaystyle {\dot {D}}}$

Die Umgebungsdosisleistung wird mithilfe von Umrechnungsfaktoren ^{[ 28 ] [ 29 ]} aus Messungen von Radionukliden ( ^⁴⁰ K, ^²³⁸ U, ^²³⁵ U, ^²³² Th und ^⁸⁷ Rb) innerhalb der Probe und ihrer Umgebung sowie der Strahlendosisleistung durch kosmische Strahlung berechnet . ^{[ 30 ]} Die Dosisleistung liegt üblicherweise im Bereich von 0,5–5 Gy /1000 Jahre. Die gesamte absorbierte Strahlendosis wird bestimmt, indem bestimmte, aus der Probe extrahierte Mineralien (üblicherweise Quarz oder Kalifeldspat ) mit Licht angeregt und die emittierte Lichtmenge gemessen wird. Die Photonen des emittierten Lichts müssen eine höhere Energie als die Anregungsphotonen aufweisen, um die Messung gewöhnlicher Photolumineszenz zu vermeiden . Eine Probe, deren Mineralkörner ausreichend Tageslicht ausgesetzt waren (Sekunden bei Quarz; Hunderte von Sekunden bei Kalifeldspat), kann als „null Jahre alt“ bezeichnet werden; sie emittiert bei Anregung keine Photonen. Je älter die Probe ist, desto mehr Licht emittiert sie, bis zu einer Sättigungsgrenze.

Die untersuchten natürlichen Mineralien sind üblicherweise entweder Quarz- oder Kalifeldspat-Körner in Sandkorngröße oder unseparierte Schluffkörner. Jede Methode hat Vor- und Nachteile. Bei Quarz wird normalerweise mit blauen oder grünen Anregungswellenlängen gearbeitet und die Emission im nahen Ultraviolett (Anti- Stokes-Verschiebung ) gemessen . Bei Kalifeldspat- oder Schluffkörnern wird üblicherweise mit nahem Infrarot (IRSL) angeregt und die violette/blaue Emission gemessen.

Im Gegensatz zur ^¹⁴ C-Datierung benötigen Lumineszenzdatierungsmethoden keine zeitgenössische organische Komponente des zu datierenden Sediments; es genügen Quarz, Kalifeldspat oder bestimmte andere Mineralkörner, die während des zu datierenden Ereignisses vollständig gebleicht wurden. Diese Methoden neigen auch nicht zu einer Überschätzung der Datierung, wenn das betreffende Sediment mit „altem Kohlenstoff“ vermischt ist.¹⁴C -defizienter Kohlenstoff, dessen Isotopenverhältnis nicht dem der Atmosphäre entspricht. In einer Studie zur Chronologie von Seesedimenten aus der Trockenzone des Ulaan- Sees in der südlichen Mongolei stellten Lee et al. fest, dass die OSL- und Radiokohlenstoffdaten in einigen Proben übereinstimmten, die Radiokohlenstoffdaten in anderen Proben jedoch bis zu 5800 Jahre älter waren. ^{[ 31 ]}

Die Sedimente mit unterschiedlichem Alter wurden als durch äolische Prozesse abgelagert identifiziert. Westwinde brachten einen Zustrom von¹⁴C -defizienter Kohlenstoff aus angrenzenden Böden und paläozoischen Karbonatgesteinen, ein Prozess, der auch heute noch aktiv ist. Dieser umgelagerte Kohlenstoff veränderte die gemessenen Isotopenverhältnisse und führte zu einem fälschlich höheren Alter. Die windverwehte Herkunft dieser Sedimente war jedoch ideal für die OSL-Datierung, da die meisten Körner während des Transports und der Ablagerung durch Sonneneinstrahlung vollständig gebleicht worden wären. Lee et al. kamen zu dem Schluss, dass die OSL-Datierungsmethode bei Verdacht auf äolischen Sedimenttransport, insbesondere in Seen arider Gebiete, der Radiokohlenstoffdatierungsmethode überlegen ist, da sie das häufige Problem des „alten Kohlenstoffs“ vermeidet. ^{[ 31 ]}

Einer der Vorteile der Lumineszenzdatierung ist, dass sie zur Bestätigung der Echtheit eines Artefakts eingesetzt werden kann. Unter geeigneten Bedingungen bei schwachem Licht kann eine Probe im Bereich von einigen zehn Milligramm verwendet werden. ^{[ 32 ]}

• Dosimetrie

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