Diffusionsverhalten von Helium in Zirkonen

Ein zentrales Anliegen der Geowissenschaften ist es, den zeitlichen Ablauf geologischer Prozesse wie Gebirgsbildung, Abkühlung von Gesteinen, Hebung und Erosion zu verstehen. Ein häufig zitierter Spruch lautet: No dates, no rates ohne exakte Altersdaten können keine Aussagen über die Geschwindigkeit solcher Prozesse getroffen werden. Hier kommt die Thermochronologie ins Spiel: Thermochronologische Methoden beruhen darauf, dass bestimmte chemische Elemente wie Uran (U) und Thorium (Th) in Kristallen zerfallen und dabei Helium (He) freisetzen. Solange der Kristall unterhalb einer bestimmten Temperatur bleibt, wird das Helium darin eingeschlossen. Wird der Kristall jedoch erhitzt, zum Beispiel tief in der Erde, entweicht das Helium. Messungen der Mengen von Uran, Thorium und Helium im Kristall ermöglichen Aussagen darüber, wann das Gestein abgekühlt ist also wann es zum Beispiel durch Hebung an die Erdoberfläche kam. Eine besondere Rolle spielt in der aktuellen Forschung die sogenannte (U-Th)/He- Datierung an Zirkonen (ZHe). Diese Methode wird häufig verwendet, um geologisch lange Zeiträume von hunderten Millionen bis zu Milliarden Jahren auch Deep time genannt zu erfassen. In der wissenschaftlichen Gemeinschaft wird allerdings derzeit intensiv diskutiert, wie verlässlich die ZHe-Daten tatsächlich sind. Kritische Punkte betreffen unter anderem die Modellannahmen zur Helium-Diffusion im Kristall, die Streuung der Altersergebnisse einzelner Körner und ungenügende Kalibrierung an realen geologischen Bedingungen. In vielen Fällen stimmen die gemessenen ZHe-Alter nicht mit anderen unabhängigen Temperaturdaten überein, was zu Unsicherheiten bei der Interpretation führt. Das vorgestellte Forschungsprojekt setzt genau hier an. Es untersucht vier sogenannte natürliche Labore mit gut bekannten geologischen Bedingungen: (1) die Ost- und Südalpen (Austroalpin und Südalpin), (2) die Glarner Alpen in der Schweiz, (3) Ostkreta und (4) Tiefbohrkerne aus dem ungarischen Teil des Pannonischen Beckens. In diesen Regionen lassen sich frühere Temperaturverläufe durch verschiedene unabhängige Methoden zuverlässig nachvollziehen. Erste Ergebnisse aus den Alpen zeigen, dass ZHe-Alter selbst bei Temperaturen über 200 C oft nicht zurückgesetzt wurden, obwohl das aktuelle Modell dies erwarten würde. Messdaten weisen eine ungewöhnlich große Streuung und unerwartet hohe Alter auf. Auch in anderen Regionen wie Kreta und Ungarn zeigen sich ähnliche Muster, die auf eine bisher unterschätzte Rückhaltefähigkeit von Helium im Zirkon hindeuten. Um die Ursachen besser zu verstehen, kombiniert die Studie klassische Altersdatierung mit bildgebenden Verfahren wie Helium- und Elternisotopenkartierung, Raman-Spektroskopie und Kathodolumineszenz. Ziel ist es, die derzeitigen Modelle zur Helium-Diffusion zu verbessern und dadurch verlässlichere Aussagen über die thermische und geologische Entwicklung von Gesteinen treffen zu können.