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Dating of groundwater with Atom Trace of Analysis of 39Ar

Ritterbusch, Florian

German Title: Datierung von Grundwasser mit Atom Trap Analysis für 39Ar

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Abstract

Das Radioisotop 39Ar, mit einer Halbwerszeit von 269 a, kann zur Datierung von Wasser und Eis im Zeitbereich von 50–1000 a, in dem keine andere verlässliche Datierungsmethode besteht, verwendet werden. Aufgrund seiner extrem kleinen Häufigkeit von nur 8.23*10^-16, kann 39Ar derzeit nur durch Low-Level Counting (LLC) in dem Untergrundlabor der Universität Bern gemessen werden. Atom Trap Trace Analysis (ATTA) ist eine atom-optische Methode die zur Analyse seltener Krypton-Isotope entwickelt wurde. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine ATTA-Apparatur zur Einzelatomdetektion von 39Ar realisiert und angewendet auf die Datierung von Grundwasserproben. Die 39Ar-Kontamination in der Apparatur, welche von der Optimierung mit angereicherten Proben stammt, konnte mit Hilfe einer Probe bestimmt werden, deren Konzentration mit LLC auf < 5% modern gemessen wurde. Wird die resultierende Untergrundzählrate 0.38(18) atoms/h zur Korrektur verwendet, so ergibt sich eine atmosphärische 39Ar-Zählrate von 3.22(21) atoms/h. Basierend auf kontrollierten Mischungen von atmosphärischem Argon und einer Probe mit bekannter 39Ar-Konzentration von 9(5)% modern konnte die Anwendung der vorgestellten Methode auf die Datierung von Wasser validiert werden. Das Alter einer Grundwasserprobe aus dem Schwetzinger Hardt in dem Oberen Rheingraben konnte daraufhin in Übereinstimmung mit der LLC-Messung auf 51(87) a bestimmt werden. Die Messung einer Grundwasserprobe aus dem Hessischen Ried mit bis dahin unbekannter 39Ar-Konzentration ergab einen vom 39Ar-Untergrund der Apparatur nicht zu unterscheidenden Wert. In Übereinstimmung mit den ergänzenden Isotopen-Daten, deutet dies auf ein Grundwasser hin, das älter als 830 a ist, welches das kontaminationsbedingte Datierungslimit darstellt.

Translation of abstract (English)

The radioisotope 39Ar, with a half-life of 269 a, can be used for the dating of water and ice in the time range of 50–1000 a, in which no other reliable dating method exists. Due to its extremely small abundance of 8.23*10^-16, 39Ar can currently only be measured by Low-Level Counting (LLC) in the underground laboratory at the university of Bern. Atom Trap Trace Analysis (ATTA) is an atom optical technique that has been developed for the analysis of rare krypton isotopes. In the course of this thesis, an apparatus for Atom Trap Trace Analsis of 39Ar has been realized and applied for the dating of groundwater samples. The 39Ar contamination in the apparatus, which originates from optimization with enriched samples, could be determined with a sample whose 39Ar concentration was measured to be < 5% modern by LLC. If the resulting 39Ar background count rate of 0.38(18) atoms/h is used for correction, the apparatus achieves an atmospheric 39Ar count rate of 3.22(21) atoms/h. Based on controlled mixtures of atmospheric argon and an argon sample with a known 39Ar concentration of 9(5)% modern, the application of the presented system to the dating of water could be validated. The age of a groundwater sample from the Schwetzinger Hardt in the Upper Rhine Graben was measured to be 51(87) a in agreement with the LLC measurement. The measurement of a groundwater sample from the Hessian Ried with so far unknown 39Ar concentration yielded a value undistinguishable from the contamination. In agreement with the complementary isotope data this indicates that the groundwater is older than 830 a, which is the dating limit given by the contamination.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Oberthaler, Prof. Dr. Markus Kurt
Place of Publication: Universität Heidelberg
Date of thesis defense: 5 February 2014
Date Deposited: 25 Mar 2014 09:07
Date: 2014
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
The Faculty of Physics and Astronomy > Kirchhoff Institute for Physics
Subjects: 530 Physics
550 Earth sciences
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