METODIKA A APLIKACE STANOVENÍ KOSMOGENNÍCH RADIONUKLIDŮ 10Be A 26Al URYCHLOVAČOVOU HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIÍ

Význam tématu

Stanovení kosmogenních radionuklidů 10Be a 26Al přináší unikátní chronologické nástroje pro datování procesů v kvartérní geologii, paleoklimatologii, geomorfologii, archeologii a paleoantropologii. Díky dlouhým poločasům přeměny a rozvoji urychlovačové hmotnostní spektrometrie (AMS) lze analyzovat velmi malé vzorky vodních sedimentů, půd, hornin i meteoritů s časovým rozlišením od tisíců až po miliony let, což jiné metody umožňují jen obtížně.

Cíle a přehled studie / článku

Článek shrnuje teoretický základ vzniku 10Be a 26Al pod vlivem kosmického záření, popisuje přípravu vzorků a měření metodou AMS a představuje hlavní aplikace v geochronologii, studiu klimatických změn, archeologii, paleoantropologii a výzkumu mimozemských materiálů. Cílem je seznámit odbornou českou veřejnost se současným stavem metodiky a technologickými možnostmi AMS včetně nově vybudované laboratoře ÚJF AV ČR vybavené low‐energy systémem MILEA.

Použitá metodika a instrumentace

Fyzikální a chemické čištění křemene (drcení, magnetická separace, těžké kapaliny, loužení HF/HNO₃, selektivní rozpuštění minerálů) zajišťuje vysokou čistotu vzorku. Oddělení Be a Al probíhá chromatograficky na iontoměničích a srážením hydroxidů při řízeném pH. Po žíhání vznikají oxidy BeO a Al₂O₃, které se smíchají s vodivým kovovým nosičem a zalisují do katod. Měření se provádí na nízkoenergetickém AMS systému MILEA (max. 300 kV) s tenkou fólií Si₃N₄ pro potlačení izobaru ¹⁰B a plynovou detekcí iontů (isobutan v GID). Absorpční komora eliminuje rušení ¹³C při měření ²⁶Al²⁺.

Hlavní výsledky a diskuse

1. Vznik kosmogenních radionuklidů závisí na primárním (GCR, SCR) a sekundárním kosmickém záření. Hadronová složka dominuje in situ produkci ve vrstvách o tloušťce do stovek g/cm², mionová pak v hlubších úrovních.
2. Kalibrace rychlosti vzniku radionuklidů podle SLHL standardu a kód CRONUS-Earth významně zlepšily přesnost datování.
3. Meteorické 10Be z atmosféry slouží k rekonstrukci paleosrážek (čínská sprašová náhorní plošina, monzunové deště až do 450 000 let BP).
4. In situ 10Be a 26Al umožňují datovat povrchovou expozici (ledovcové formy, říční terasy, svahové eroze) a stáří uložení (jeskynní sedimenty, fluviální a glaciální transportní produkty) s využitím poměru 26Al/10Be nebo trojice 10Be/14C/26Al.
5. Archeologické aplikace zahrnují datování kamenných staveb, sesuvů i prehistorických sídel a migrací hominidů, přičemž výzvou zůstává eliminace zděděné expozice stavebního materiálu.
6. Extraterestrické studie (meteority, měsíční horniny, kosmický prach) využívají vyšší toku kosmického záření v kosmu k rekonstrukci doby expozice mimozemskému záření a původu materiálů.

Přínosy a praktické využití metody

• Zvýšení citlivosti detekce o 6 řádů vůči radiometrickým metodám.
• Měření velmi nízkých koncentrací radionuklidů v malých vzorcích.
• Možnost datování v rozsahu 10³–10⁷ let.
• Široké spektrum aplikací: kvartérní geologie, klimatologie, geomorfologie, archeologie, paleoantropologie, astrofyzika.
• Dostupnost nízkoenergetických AMS systémů s nižšími provozními nároky.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Další rozvoj nízkoenergetických AMS zařízení pro multiizotopové stanovení.
• Integrované inverzní modely („source-to-sink“) pro komplexní sledy expozice a ukládání sedimentů.
• Kombinace více kosmogenních radionuklidů (10Be, 14C, 26Al, 41Ca) pro rozšíření datovacího intervalu a zvýšení spolehlivosti.
• Interdisciplinární spolupráce fyziků, chemiků, geologů, archeologů a antropologů pro optimalizaci metodiky a nové aplikace.
• Využití AMS pro studium změn intenzity kosmického záření a paleoklimatických záznamů v ledových jádrech a hlubokomořských sedimentech.

Závěr

Stanovení kosmogenních radionuklidů 10Be a 26Al metodou AMS představuje vysoce citlivý a univerzální nástroj pro datování přírodních a archeologických procesů, který díky pokroku v instrumentaci a kalibraci získává stále širší užití. Zřízení první české laboratoře AMS na ÚJF AV ČR otevírá nové příležitosti pro domácí výzkum a mezinárodní spolupráci ve vědách o Zemi, archeologii a astrofyzice.

Reference

1. Granger D. E., Lifton N. A., Willenbring J. K.: Geol. Soc. America Bull. 125, 1379 (2013).
2. Nishiizumi K.: Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B 223–224, 388 (2004).
3. Finkel R. C., Suter M.: Adv. Anal. Geochem. 1, 1 (1993).
4. Tuniz C., Bird J. R., Fink D., Herzog G. F.: Accelerator Mass Spectrometry: Ultrasensitive Analysis for Global Science. CRC Press, Florida 1998.
5. Fifield L. K.: Rep. Prog. Phys. 62, 1223 (1999).
6. Hellborg R., Skog G.: Mass Spectr. Rev. 27, 398 (2008).
7. Ivy-Ochs S., Kober F.: Quater. Sci. J. 57, 179 (2008).
8. Akçar N., Ivy-Ochs S., Schlüchter C.: Quater. Sci. J. 57, 226 (2008).
9. Synal H.-A., Stocker M., Suter M.: Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B 259, 7 (2007).
10. Christl M., Vockenhuber C., Kubik P. W., Wacker L., Lachner J., Afimov V., Synal H.-A.: Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B 294, 29 (2013).
11. Maxeiner S., Synal H.-A., Christl M., Suter M., Müller A., Vockenhuber C.: Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B 439, 84 (2019).
12. Gautschi P., Christl M., Vockenhuber C., Müller A., Maxeiner S., Synal H.-A.: 15th Int. Conf. on Accelerator Mass Spectrometry, ANSTO Sydney, 2021, Book of Abstracts, 164.
13. Scognamiglio G., Klein M., Mous D.: 15th Int. Conf. on Accelerator Mass Spectrometry, ANSTO Sydney, 2021, Book of Abstracts, 161.
14. Fujita N. et al.: 15th Int. Conf. on Accelerator Mass Spectrometry, ANSTO Sydney, 2021, Book of Abstracts, 300.
15. Saito-Kokubu Y. et al.: 15th Int. Conf. on Accelerator Mass Spectrometry, ANSTO Sydney, 2021, Book of Abstracts, 296.
16. Zondervan A., Hauser T. M., Kaiser J., Kitchen R. L., Turnbull J. C., West J. G.: Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B 361, 25 (2015).
17. Synal H.-A., De Maria D., Wacker L., Maxeiner S., Herrmann A.: Low Energy AMS: How to reach 50 kyrs with 50 kV. ETH Zürich, Annual Report 2019.
18. Kučera J. et al.: Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B 527, 29 (2022).
19. Carroll B. W., Ostlie D. A.: An Introduction to Modern Astrophysics. Pearson Education, 2007.
20. Morison I.: Introduction to Astronomy and Cosmology. John Wiley & Sons, 2008.
21. Grupen C.: Astroparticle Physics. Springer, 2008.
22. Gosse J. C., Philips F. M.: Quater. Sci. Reviews 20, 1475 (2001).
23. Stone J. O.: J. Geophys. Res. 105, 23753 (2000).
24. Balco G., Stone J. O., Lifton N. A., Dunai T. J.: Quat. Geochronol. 3, 174 (2008).
25. Marrero S. M. et al.: Quat. Geochronol. 31, 160 (2016).
26. Philips F. M. et al.: Quat. Geochronol. 31, 119 (2016).
27. Corbett L. B., Bierman P. R., Rood D. H.: Quat. Geochronol. 32, 24 (2016).
28. Kohl C. P., Nishiizumi K.: Geochim. Cosmochim. Acta 56, 3583 (1992).
29. Mifsud C., Fujioka T., Fink D.: Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B 294, 203 (2013).
30. Merchel S. et al.: Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B 455, 293 (2019).
31. Ruszkiczay Z. et al.: J. Radioanal. Nucl. Chem. 329, 1523 (2022).
32. Child D. et al.: Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B 172, 856 (2000).
33. Zhou W. et al.: J. Geophys. Res. Solid Earth 119, 191 (2014).
34. Von Blanckkenburger F., Hewawasam T., Kubik P. W.: J. Geophys. Res. 109, F03008 (2004).
35. Merchel S. et al.: Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B 266, 4921 (2008).
36. Li Z. et al.: Radiocarbon 58, 193 (2016).
37. Binnie S. A. et al.: Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B 361, 397 (2015).
38. Beck J. W. et al.: Science 360, 877 (2018).
39. Dehnert A., Schlüchter C.: Quater. Sci. J. 57, 210 (2008).
40. Dunai T. J. et al.: Geology 33, 321 (2005).
41. Knudsen M. F. et al.: Earth Planet. Sci. Lett. 549, 116491 (2020).
42. Erlanger E. et al.: Geology 40, 1019 (2012).
43. Granger D. E., Gibbon R. J., Kuman K., Clarke R. J., Bruxelles L., Caffee M. W.: Nature 522, 85 (2015).
44. Ivy-Ochs S. et al.: Radiocarbon 43, 759 (2001).
45. Carbonell F. et al.: Nature 452, 465 (2008).
46. Shen G. J., Gao B., Granger D. E.: Nature 458, 198 (2009).
47. Granger D. E. et al.: Nature 522, 85 (2015).