Reaktion zwischen Licht und Gestein: Neues Instrument entschlüsselt die Langlebigkeit von Landschaften

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Wie viele Jahre kann ein Berg existieren? Bob Dylans rhetorische Frage hat gerade eine weitere wissenschaftlich fundierte Antwort erhalten. Forscher der Wageningen University & Research (WUR) und der Dänischen Technischen Universität (DTU) haben eine neue Methode entwickelt, die die Expositionsdauer von Gesteinen und Sedimenten messen kann, was zu neuen Erkenntnissen in der Landschaftsentwicklung führt. In Scientific Reports zeigen sie ihre innovative Technik.

Die Wechselwirkungen von Sonnenlicht mit Pflanzen und Tieren sind allgemein bekannt und bedürfen keiner besonderen Einführung. Weniger von uns wissen jedoch, dass das Sonnenlicht auch mit Gesteinen interagiert, in subtilen subatomaren Prozessen, die in der Regel schwer zu beobachten sind. In einem zunächst lichtgeschützten Gestein füllen sich die Defekte in seinen Kristallen im Laufe der Zeit durch die umgebende Umwelt- und kosmische Strahlung mit elektrischer Ladung. Wenn dieses Gestein dann dem Sonnenlicht ausgesetzt wird, wird ein Teil der eingeschlossenen Ladung unmittelbar an der Oberfläche rekombiniert und emittiert Photonen in einem Prozess namens “Lumineszenz”.

Licht leert gefangene Ladungen

Wenn die Sonneneinstrahlung anhält, interagieren tiefere Bereiche im Gestein mit dem einfallenden Sonnenlicht und werden ebenfalls von eingeschlossener Ladung befreit. Die Übergangszone zwischen der Gesteinsoberfläche, in der keine eingeschlossene Ladung vorhanden ist, und tieferen Bereichen, in denen die Elektronenfallen vollständig besetzt sind, wird als Lumineszenzbleichungstiefe bezeichnet. Diese Tiefe kann Geowissenschaftlern wichtige Informationen über den genauen Zeitpunkt der Landschaftsbildung, die Erosionsraten des Untergrundes, die Transportwege der Sedimente, die Bedingungen für die Himmelsdecke usw. liefern.

Aufnahme eines geschnittenen Gesteinkerns für konventionelle RSD-Messungen (links). Foto der Felsplatte, die für die HR-IRPL-Messungen verwendet wurde (rechts). (Bild: s. Veröffentlichung)

Bis vor kurzem war die Methode zur Bestimmung der Lumineszenzbleichungstiefe mühsam, niedrigauflösend und indirekt. Forscher konnten eine Art von Defekt nicht isolieren, ohne viele andere zu beeinflussen. Eine Gruppe von Forschern der Wageningen University & Research (WUR) hat diese Methodik nun zusammen mit Forschern der Dänischen Technischen Universität (DTU) von Grund auf überarbeitet und beispiellose hochauflösende 2-D-Karten von eingeschlossenen Elektronen in Gesteinen erhalten.

Die neue Methode basiert auf einer aktuellen Entdeckung der DTU Nutech. Ihr Ansatz nutzt eine sehr spezifische Wellenlänge des Infrarotlichts (830 Nanometer), um eine bekannte Elektronenfalle im Feldspat (dem häufigsten Mineral in der Erdkruste) zu stimulieren. Durch die Abbildung der natürlichen Photolumineszenz bei etwas längeren Wellenlängen (>925 Nanometer) erhielten die Forscher beispiellose räumliche Daten über die Lumineszenzbleichungstiefe einer eispolierten Granitoberfläche aus den Schweizer Alpen. Die Ergebnisse entsprachen nicht nur den theoretischen Erwartungen an eine Oberfläche, die 11.000 Jahre lang kontinuierlich dem Sonnenlicht ausgesetzt war, sondern boten auch zwei zusätzliche Dimensionen (räumlich und chemisch), um zu verstehen, wie Licht mit verschiedenen Mineralien in längeren und konstanten natürlichen Umgebungen interagiert.

Die Ergebnisse sind das Ergebnis der langjährigen Zusammenarbeit zwischen dem Netherlands Centre for Luminescence Dating (NCL) und dem Centre for Nuclear Technologies der Dänischen Technischen Universität (DTU Nutech).

“Es ist ungewöhnlich, am richtigen Ort und zur richtigen Zeit zu sein und eine neue Technologie in eine sofortige Anwendung in den Geowissenschaften umsetzen zu können”, sagt Dr. Benny Guralnik, der die Studie konzipiert hat. “Es ist weiter ironisch, wie ein paar Ad-lib-Messungen meines MSc-Praktikanten plötzlich zum Höhepunkt meines Experiments wurden”, sagt Guralnik in Bezug auf Elaine Sellwood, die die Hauptautorin der Arbeit ist und seit Abschluss des Projekts ein vollständiges Doktorandenprogramm an der DTU Nutech absolviert, das auf die Verbesserung und Vermarktung des Prototypinstruments und die Weiterentwicklung der geologischen Anwendungen der Methode abzielt.



Veröffentlichung: E. L. Sellwood et al. Optical bleaching front in bedrock revealed by spatially-resolved infrared photoluminescence, Scientific Reports (2019). DOI: 10.1038/s41598-019-38815-0

Quelle: off. Pm der Wageningen University & Research (WUR) 

Titelbildunterschrift: Falschfarbkarten, die den Rückgang von Tx/Tn nach Lichteinwirkung der gesamten Scheibe in einem Sonnensimulator für verschiedene Zeiträume zeigen. Das schwarze Quadrat unter der Platte wurde zur Hintergrundbestimmung verwendet. (Quelle: s. Veröffentlichung)


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Pia Gaupels

Gründerin bei GeoHorizon
Pia Gaupels, *86, Bibliotheksinformationsstudium an der TH Köln von 2007-2010. Studiert seit 2014 an der Universität Münster Geowissenschaften. Der Schwerpunkt liegt auf Planetare Geologie und Geoinformationswissenschaften. 2015 gründete Sie die Seite Geohorizon. Sie ausgeprägte Fähigkeiten in der Bild- und Videobearbeitung und arbeitet seit 2018 wieder als Bibliothekarin.

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