Osmiumisotopenanalyse

Bei der CEZA ist eine der Hauptanwendungen die Charakterisierung von Eisenobjekten und den dazugehörigen Lagerstätten. Für geowissenschaftlichen Fragestellungen ist die Os-Isotopenanalyse Bestandteil verschiedener Anwendungen (z.B. Rhenium-Osmium-Isotopenanalyse, Platin-Osmium-Isotopenanalyse).

Anwendung

Archäometrie

Eine Hauptanwendung in der Archäometrie ist die Herkunftsbestimmung von Eisen. Archäologische Eisenobjekte sind oft sehr stark, teilweise sogar komplett korrodiert. Osmium verhält sich jedoch nicht mobil, d.h. die Os-Isotopensignatur des Eisenmetalls bleibt auch in den Korrosionsprodukten erhalten. Für den Vergleich mit potentiellen Erzlagerstätten konnten im Rahmen verschiedener Projekte bereits für einige Regionen umfassende Vergleichsdaten gesammelt werden. Aber auch Serienananalysen an Metallobjekten eines Fundorts geben einen Überblick wieviele mögliche Bezugsquellen oder Importgüter an diesem Ort vertreten waren (Beispiel Heuneburg).

Andere Materialien, die sich für Herkunftsstudien mittels Os-Isotopenanalyse eignen sind (Roh-) Tone, gebrannte Tone und Keramik sowie Marmor.

Geowissenschaftliche Anwendungen

Os-Isotopenverhältnisse werden auch in den Geowissenschaften als Herkunftsindikator eingesetzt z.B. bei der Forschung rund um Themenkreis Mantel-Kruste Interaktion. Hier besteht aber oft die Notwendigkeit den Zuwachs an radiogenem Osmium, seit der Genese der Gesteine, zu korrigieren. Dafür sind ergänzend Rhenium Konzentrationsbestimmungen notwendig. Für diese Anwendung verfügen wir über kalibrierte Re-Os Spikelösungen.

Eine weitere Anwendung in den Geowissenschaften ist die Erforschung von Oberflächenprozessen. Solche „Source Tracer“ Studien untersuchen beispielsweise den Eintrag anthropogener Verunreinigungen in die Atmosphäre.

Andere Anwendungen

Forensische Anwendungen aus dem Bereich des Material“fingerprintings“, der Batch-Identifikation oder verwandte Fragestellungen sind ebenfalls mittels Os-Isotopenanalyse möglich. Beispielsweise besteht die Möglichkeit verschiedene Stahllieferanten zu unterscheiden, und somit die Herkunft von sicherheitsrelevanten Metallteilen im Anlagen- oder Flugzeugbau zu überprüfen.

Grundlagen

Die Isotopenverhältnisse von chemischen Elementen in natürlichen Gesteinen und kulturhistorischen Objekten können variieren. Eine der häufigsten Ursachen für die auftretenden Variationen ist bei den meisten schweren Elementen, der radioaktive Zerfall von instabilen Isotopen.

Osmium ist eines von insgesamt 6 Platingruppenelementen (PGE). Es besitzt insgesamt sieben natürliche Isotope, wobei zwei von ihnen durch den radioaktiven Zerfall anderer Elemente (Re oder Pt) gebildet werden können. Auf diese Weise entsteht beispielsweise aus 187Re via β-Zerfall stabiles 187Os. Die anderen Osmiumisotope werden in ihrer Häufigkeit durch den Zerfall von 187Re nicht verändert. Beide Elemente – Re und Os – sind siderophil. Dennoch verhalten sie sich bei Aufschmelz-und Mineralisationsprozessen unterschiedlich. Rhenium ist ein stark inkompatibles Element, es reichert sich in der Schmelze an. Osmium hingegen ist das kompatibelste Element in der 6ten Periode und verbleibt bevorzugt im Erdmantel. Dieses Verhalten führt zu einer extremen Fraktionierung von Rhenium gegenüber Osmium, wodurch das Verhältnis Re-Os Verhältnis in der Erdkruste sehr groß bis extrem ist. Diese Voraussetzungen begünstigen die Unterscheidung von Gesteinsarten und Gesteinsbildungsprozessen. Weiterhin ist die Streuung des Re/Os Verhältnisses der Grund dafür, dass Osmiumisotopenverhältnisse eine deutlich größere Variation zeigen als andere radiogene Isotopensysteme (beispielsweise Rubidium-Strontium), wodurch die Os-Isotopenanalyse als Herkunftsindikator sehr geeignet ist.

Osmium ist in den meisten Erzen und Materialien oft sehr niedrig konzentriert, wodurch dieses Isotopensystem hohe Anforderungen an die Analytik stellt.

Grenzen

Die Untergrenze zur Bestimmung von Os-Isotopenverhältnissen mit Hilfe unseres Thermionen Massenspektrometer (NTIMS) liegt bei 1 pg Os total. Wir bereiten in Mannheim die Proben in einer sogenannten Carius tube vor und diese erlaubt den Einsatz von maximal 2g Probe. Die mögliche Probenmenge kann jedoch stark variieren z.B. bei Gesteinspulver liegt das Probenlimit bei ca. 2g wohingegen bei Torf ist das Limit bei 200 mg erreicht. Für die Os-Isotopenanalyse an Eisen verwenden wir 50 mg Eisen, für Eisenerze zwischen 500 mg und 1g Probenpulver.

Probenbeschaffenheit

• Metalle (Eisen, Kupfer, Stahl usw.): mind. 50 mg Metall Späne oder max. 4 mm breite Streifen
• Korrosion (z.B. von Eisen): möglichst 100 – 200mg kompakte Korrosion
• Marmor: 2 – 3g Granulat von max. 4mm Durchmesser
• Gesteine: 5g Pulver und –sofern möglich- die Gehalte an MgO
• Torf: 1g Pulver oder Lockermaterial
• Ton oder Keramik: 3 – 4 g pulverisiertes Material
• Erze: 2 – 3g pulverisiertes Material
• Moderne Eisenlegierungen, Stahl: 1 g Bohrspäne oder max. 4 mm breite Streifen
• Andere Materialien auf Anfrage.