Seltene Isotope helfen, Geheimnisse in den argentinischen Anden zu lüften

Jede Sekunde wird die Erde von riesigen Mengen kosmischer Strahlung bombardiert – unsichtbare subatomare Teilchen, die von Dingen wie der Sonne und Supernova-Explosionen stammen. Diese hochenergetischen, weit zurückgelegten kosmischen Strahlen kollidieren mit Atomen, wenn sie in die Erdatmosphäre eintreten, und lösen Kaskaden sekundärer kosmischer Strahlen aus.

Wenn sekundäre kosmische Strahlen die oberen Meter der Erdoberfläche durchdringen, verwandeln sie Elemente in Mineralien, wie Sauerstoff, in seltene Radioisotope (oder „kosmogene Radionuklide“), einschließlich Beryllium-10 (Be-10) und Kohlenstoff-14 (C-14). Wissenschaftler können dann die Variationen in den Konzentrationen dieser kosmogenen Nuklide untersuchen, um abzuschätzen, wie lange Gesteine ​​an der Erdoberfläche freigelegt waren.

Dies wiederum ermöglicht es den Forschern, planetare Prozesse wie Erosionsraten besser zu verstehen – und das aus nur einem Kilogramm Flusssand.

Gregory Hoke, Jessie Page Heroy Professor und Lehrstuhlinhaber für Erd- und Umweltwissenschaften am College of Arts and Sciences der Syracuse University, JR Slosson, Postdoktorand an der UMass Amherst, der einen Ph.D. von der Syracuse University, und Nat Lifton, außerordentlicher Professor für Erd-, Atmosphären- und Planetenwissenschaften an der Purdue University, haben kürzlich eine Studie mitverfasst, die in veröffentlicht wurde Geophysikalische Forschungsbriefe Analyse kosmogener Radionuklide in Proben aus den argentinischen Anden.

Das Ziel des Projekts war es, die Zeitdauer zu dokumentieren, während der sich Material an den Hängen in den Anden im Verhältnis zur gesamten Erosionsrate des Flusseinzugsgebiets befindet. Diese Informationen sind entscheidend, um Wissenschaftlern dabei zu helfen, Erdrutschrisiken zu identifizieren und zu verstehen, wie sich der Klimawandel auf die Dynamik des Materialtransports an Berghängen auswirkt, wenn Regionen feuchter oder trockener werden.

Geschichte in den Sand geschrieben

Um die Erosionsraten zu bestimmen, entnahm das Team Flusssandproben, die am Fuß der Ostflanke der Anden in den Provinzen Mendoza und San Juan in West-Zentral-Argentinien gesammelt wurden. Der Flusssand muss eine repräsentative, gut durchmischte Probe des gesamten Einzugsgebiets (oder Abflussgebiets) stromaufwärts der Probenahmestelle sein.

In Hokes Labor an der Syracuse University wurde der Sand behandelt, um reinen Quarz von den anderen in der Probe vorhandenen Mineralien zu isolieren. Die Forscher verwenden reinen Quarz, weil er eine optimale Quelle für Be-10 und C-14 ist. Splits von reinem Quarz wurden an die University at Buffalo und das Labor von Lifton geschickt, wo Beryllium bzw. Kohlenstoff extrahiert wurden. Nachfolgende Messungen von C-14 wurden im PRIME Lab der Purdue University durchgeführt und Be-10 wurde im Lawrence Livermore National Laboratory analysiert, um die Konzentrationen jedes Radionuklids zu ermitteln.

Eine Geschichte von Talus

Die höchsten nicht vulkanischen Gipfel der Anden liegen zwischen Santiago, Chile und Mendoza, Argentinien. Die Flussbecken, die die hohen Anden entwässern, erstrecken sich über eine Höhe von 5.000 m (16.500 ft) und ihre Hügelhänge sind mit Ansammlungen von felsigen Trümmern gesäumt, die als Talus und Geröll bekannt sind.

Da Be-10 und C-14 proportional produziert werden, aber mit sehr unterschiedlichen Geschwindigkeiten zerfallen, zeigen die kosmogenen Radionuklidkonzentrationen in einer Probe die Rate, mit der Sedimente von nackten Gesteinsoberflächen (Be-10) produziert werden, und die Zeit, die es braucht, um nach unten zu gelangen Hänge durch Erdrutsche (C-14).

Wenn Sedimente durch Erdrutsche mobilisiert und begraben werden, nimmt die Produktionsrate beider Isotope ab, aber da C-14 1.000-mal schneller zerfällt als Be-10, ändert sich ihre Proportionalität schnell. Diese proportionale Änderung ermöglichte es den Autoren, ein statistisches Modell anzuwenden, um die durchschnittliche Zeitdauer zu bestimmen, die das Material benötigt, um Talushänge hinabzuwandern.

EES-Professor Gregory Hoke war Co-Autor einer Studie, in der untersucht wurde, wie lange Material auf Hügelhängen in den Anden verbleibt.

Laut dem Autor Gregory Hoke ist dies eine der ersten Studien, die die Kombination von Be-10 und C-14 verwendet, um die langfristige durchschnittliche Rate der Sedimentbildung sowie die Zeit und den Prozess zu zeigen, die erforderlich sind, um sich nach unten und durch die Sedimente zu bewegen Flüsse, wodurch ein umfassenderes Bild der beteiligten Faktoren entsteht.

„Früher haben wir uns fast ausschließlich auf Be-10- und Sedimentkonzentrationsmessungen verlassen, die an Flusspegelstationen durchgeführt wurden, um die durchschnittlichen Erosionsraten abzuschätzen“, bemerkt Hoke. „Was uns dazu veranlasste, diese Einzugsgebiete mit C-14 zu untersuchen, war die Übereinstimmung der Pegel- und Be-10-Daten. Wir erwarteten, dass die beiden Isotope und Pegeldaten die gleichen Raten liefern und zeigen würden, dass die Bergerosion in einem stabilen Zustand stattfand.“

Während die Konzentration von Be-10 wie erwartet über die lange Zeitskala zurückkehrte, fanden sie heraus, dass C-14 viel niedriger war als erwartet, was bedeutet, dass Sedimente, die von den Hochgebirgswassereinzugsgebieten erodiert wurden, mindestens 7.000 bis 15.000 Jahre lang vor kosmischer Strahlung geschützt waren . Die Autoren erklären, dass die vorübergehende Speicherung in Talushängen am besten die niedrigere Konzentration von C-14 im Vergleich zu Be-10 erklärt.

„Diese Studie zeigt, dass es möglich ist, mit dem C-14/Be-10-Paar eine wichtige Lücke in der Beobachtungszeitskala zu schließen, die das, was wirklich an den Hängen passiert, zum Leben erweckt“, sagt Hoke.

Angesichts des Risikos, das Erdrutsche für Menschen und Infrastruktur darstellen, deuten die Ergebnisse von JR Slosson darauf hin, dass C-14 für die Aufklärung der Dynamik des Sedimenttransports in der Zukunft von Bedeutung sein und möglicherweise dazu beitragen kann, vorherzusagen, wo zukünftige Erdrutsche auftreten könnten. Er erklärt: „Die Verwendung von C-14 zusammen mit Be-10 bietet ein neues Fenster in die Komplexität des Sedimenttransports in Berggebieten und kann einen Hintergrund für die Bewertung aktueller Veränderungen in Erdoberflächenprozessen bieten.“