quote:
Op donderdag 24 september 2020 11:34 schreef Natalie het volgende:[..]
Echt? Interessant!
Kun je misschien kort uitleggen waar je je momenteel mee bezig houdt? (of tenminste, evt. wat je deed voor Covid-19 ons ging beperken in onze vrijheid)
Ja hoor. Ik heb me de laatste tijd beziggehouden met de (re)kristallisatie van zirkonen (ook gekend als edelsteen) en het dateren daarvan. Een zirkoon heeft als chemische formule ZrSiO
4, maar laat het nu zo zijn dat uraniumatomen (U) en zirkoniumatomen (Zr) behoorlijk op elkaar lijken. Zo kan het gebeuren dat een uraniumatoom de plek van een zirkoniumatoom inpikt, waardoor uranium als sporenelement aanwezig is in zirkonen.
Zoals je waarschijnlijk weet kent uranium een aantal radioactieve isotopen, en eenmaal in het kristal vervallen die uraniumatomen via een paar stapjes naar verschillende isotopen van lood (wanneer er veel uranium aanwezig is kan vrijgekomen straling ook het kristal beschadigen) dat normaal eigenlijk niet in de kristalstructuur van zirkonen past. De twee uranium-lood vervalreeksen maken het mogelijk dat je deze mineralen vrij nauwkeurig kan dateren.
Dat kan op meerdere manieren, maar de meestgebruikte is om met een sterke laser gaten in het mineraal te blazen waardoor de losse atomen vrijkomen ("laser ablation"). Vervolgens wordt dat gas naar een massaspectrometer geleid waarmee de verschillende atomen/isotopen "geteld" worden. Op basis van de verhoudingen tussen de verschillende isotopen van uranium (2 isotopen) en lood (4 isotopen) kan je dan de ouderdom bepalen. Nu is de praktijk wat weerbarstiger dan ik hier doe voorkomen en kunnen er op allerlei manieren meetfoutjes en onnauwkeurigheden ontstaan. Ik heb me beziggehouden met de statistische verwerking en doorrekening van die meetfouten en onzekerheden. De verbeterde methode toegepast op bestaande datasets en op nieuwe samples.
Nu is het mooie aan zirkonen dat er een soort zonering optreedt (een beetje vergelijkbaar met boomringen), en dat een kristal in meerdere fases kan groeien. Bijvoorbeeld een eerste kristallisatie bij het afkoelen van een magma, en een tweede groeifase tijdens een latere metamorphe gebeurtenis (= waarbij druk en/of temperatuur toeneemt).
Zie bijvoorbeeld dit exemplaar uit één van de populaties die ik bestudeerd heb:
Het is een beeld verkregen met een elektronenmicroscoop (om preciezer te zijn: je ziet hier de 'backscattered electrons', dat zijn de elektronen uit de elektronenstraal die teruggekaatst worden vanuit het kristal wanneer ze ergens tegenaan botsen). De witte cirkels zijn de plekken waarop gemeten is en zijn 30 micrometer in diameter (voor een indruk van de schaal waarover we het hebben: een haar is zo'n 100 micrometer dik).
Je kan drie domeinen herkennen (let op: dat is iets anders dan de licht/donker-zonering die je ziet):
1) Het (donkergrijze) midden is het oudste stuk en ziet behoorlijk aangetast uit.
2) Het grote middenstuk met duidelijke zonering.
3) De uiterste rand, die er wat rommelig uitziet.
De (zwarte) barsten/scheuren zijn ontstaan tijdens het verwerkingsproces: zo'n kristalletje moet eerst met bruut geweld uit de steen gehaald worden en wordt vervolgens doormidden geslepen. Anders zie je alleen de buitenkant, dus idealiter slijp je precies de helft eraf.
Uit de metingen blijkt dat het eerste domein inderdaad aan verwering onderhevig is geweest: er is namelijk lood en uranium uit 'verdwenen' (in de loop der tijd kunnen elementen zich door het kristalrooster verplaatsen (diffusie noemt men dat) en/of kunnen vloeistoffen een rol spelen). Dat hoeft op zich geen bezwaar te zijn voor datering, en de kern is dan ook gedateerd op zo'n 2.5 miljard jaar.
De rand (met cirkel b) ziet er vrij netjes uit en is gedateerd op ongeveer 1.9 miljard jaar. De buitenste rand is te ver aangetast (en ook wat klein) om fatsoenlijk te kunnen dateren.
Interpretatie: de oude kern is magmatisch (op basis van de verhouding thorium/uranium, maar dat is een beetje een gecompliceerd verhaal) dat daarna een hele tijd aan aantasting onderhevig is geweest, het middenstuk (B) is ontstaan tijdens een tweede magmatische groeifase zo'n 600 miljoen jaar later en de 'rommelige rand' is ontstaan tijdens een derde metamorphe groeifase. Vervolgens kan je kijken wat dat dan weer betekent voor de regionale geologische geschiedenis van het gebied.
Tot zo ver de datering. Nu is één van de projecten waar ik mee bezig was (staat een beetje on hold momenteel) het proces van rekristallisatie in zirkonen: zo'n kristal (of stukken ervan) kan nadat het eenmaal gekristalliseerd is nog veranderen wanneer de omstandigheden juist zijn. De mechanismen daarachter zijn vrij slecht begrepen, maar het is wel belangrijk om daar wat meer inzicht in te verkrijgen omdat die rekristallisatie ook invloed heeft op de verhoudingen uranium, thorium en lood. De elementen op basis waarvan je zo'n ding dus dateert.
Belangrijke vragen zijn:
- Hebben gerekristalliseerde domeinen dezelfde kristallografische oriëntatie als het oorspronkelijke (gezoneerde) zirkoon? Een kristal is geen willekeurig samenraapsel van atomen, maar heeft een bepaalde symmetrie. Met andere woorden: is die symmetrie hetzelfde?
- Wat is de aard van het grensvlak tussen gezoneerde en gerekristalliseerde domeinen. Is dat een compositioneel verschil zonder verandering in kristallografische oriëntatie, of juist wél. Er zijn aanwijzingen dat gerekristalliseerde zirkonen 'poly-kristallijn' zijn (dus uit meerdere kristallen bestaan). Dat zou implicaties hebben voor de temperatuur waarop zo'n zirkoon kan kristalliseren.
- Hoe zit het met "foutjes" in het kristalrooster? Die foutjes in het kristalrooster zijn van grote invloed op de eerdergenoemde diffusie van elementen.
- Wat is de rol van vloeistoffen tijdens rekristallisatie.
- Welke factoren zijn van invloed op rekristallisatie? Denk aan verschillen in beschadiging door radioactief verval of een verschil in sporenelementen.
- Wat zijn de implicaties voor U/Pb-datering?
In de tussentijd vermaak ik me met een ander project, dat gaat over schuifzones. Schuifzones zijn een soort breuken, maar die ductiel (zeg maar 'stroperig') gedrag vertonen. Breuken ken je misschien van de aardbevingen, schuifzones zitten een stukje dieper in de aardkorst waar alles wat warmer is waardoor dingen niet breken maar vervormen. Ik kijk naar de processen die die vervorming accommoderen (waaronder rekristallisatie van verschillende mineralen) en de invloed van vloeistoffen daarop. In het specifiek kijk ik naar een paar schuifzones in de Pyreneeën. Daarbij wil ik ook vaststellen wat de temperatuur was gedurende die vervorming, en wanneer dat plaatsvond (daarover is namelijk nogal wat discussie).
/kort