Rhenium-Osmium-Isotopenanalyse
Anwendung
Osmium ist ein hoch siderophiles Element, das bei der Eisenverhüttung fast vollständig von Eisenmetall aufgenommen wird und bei dem, im Gegensatz zu Blei und Strontium, kaum Kontaminationsgefahr durch Holzkohle oder Ofenmaterial besteht, weil es in der Erdkruste nur in äußerst geringen Konzentrationen vorkommt. Daher eignet sich Osmium hervorragend zur Herkunftsbestimmung von Eisen.
Ebenso wie die Isotopenverhältnisse von Strontium und Blei findet man in natürlichem Osmium eine Variabilität des 187Os/188Os Verhältnisses, abhängig vom geologischen Alter und der Art eines Gesteins infolge des radioaktiven Zerfalls von 187Re zum stabilen 187Os. Diese Variabilität ist aber um ein Vielfaches höher als im Strontium- oder Bleiisotopensystem.
Die Besonderheit des Rhenium-Osmium-Isotopensystems ist im stark unterschiedlichen geochemischen Verhalten von Rhenium gegenüber Osmium begründet. Rhenium ist während der Schmelzbildungsprozesse im Erdmantel das inkompatibelste (nicht passend für den Einbau in die Kristallgitter der gesteinsbildenden Minerale) Element der Periode, d.h. bei der Bildung kontinentaler Kruste ergibt sich ein extrem großes Re/Os-Verhältnis und schafft die Voraussetzung für die Ausbildung einer sehr großen Variabilität des 187Os/188Os Verhältnisses in Gesteinen der kontinentalen Kruste.
Grundlagen
Der Zerfall von 187Re zum stabilen 187Os bildet die Grundlage für die in der Geochemie und Geologie gut etablierte Re-Os-Datierungsmethode . In den letzten Jahrzehnten wurde die Osmiumisotopie auch für die (geologische) Herkunft von Gesteinsmaterial und für die Chronostratigraphie eingesetzt und in der Erzlagerstättenkunde wurde das Rhenium-Osmium-System zur Datierung der Erzbildungsprozesse verwendet.
Bei chemischen Reaktionen, wie bei der Verhüttung von Eisenerzen oder bei der Korrosion von Eisenobjekten, werden die Isotopenverhältnisse des Osmiums wegen ihrer hohen Masse und geringen Massendifferenz der einzelnen Osmiumisotope nicht wie bei leichten Elementen durch kinetische Effekte fraktioniert. Dadurch besteht im Prinzip die Möglichkeit, das 187Os/188Os Verhältnis für die Herkunftsuntersuchung von archäologischen Eisenobjekten anzuwenden auch dann, wenn diese stark korrodiert sind.
Neben der Anwendung der Osmiumisotope für die Herkunftsbestimmung von Eisenobjekten, kann sie auch für die Herkunft von Keramikobjekten eingesetzt werden. Dazu muss das Rohmaterial (Ton) mit dem Produkt (Keramik) verglichen werden. Osmium eignet sich ganz besonders gut als Indikator zur Bestimmung der Herkunft archäologischer Objekte, weil die Os-Konzentration an der Erdoberfläche extrem klein ist und sich Osmium darüber hinaus in der Natur sehr immobil verhält. Das bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit einer Kontamination von archäologischen Proben durch Osmium bei langer Lagerung in z.B. Erdreich sehr gering.
Dabei werden gepulverte und homogenisierte Proben bzw. Eisenproben in einem abgeschmolzenem Quarzröhrchen bei hoher Temperatur und hohem Druck mit Säuren aufgeschlossen. Anschließend wird das Osmium mittels Mikrodestillation und das Rhenium durch Ionenaustausch abgetrennt. Die Messung erfolgt mit einem Thermionenmassenspektrometer, das auf negative Ionen eingestellt ist, weil Osmium leichter negative als, wie sonst üblich, positive Ionen bildet. Auf diese Weise können noch extrem geringe Mengen an Osmium im Pikogrammbereich isotopisch analysiert werden.
Im Verlauf von Untersuchungen werden regelmäßig die Isotopenverhältnisse des Standards DTM mit gemessen, der auch von anderen Institutionen (z.B. Monash, Australien) zertifiziert wurde. Insgesamt schätzen wir den Gesamtfehler der Bestimmung von 187Os/188Os (inklusive der Kalibration der Spikelösung) mit 0,4 % (2σ) ab. Neben der Bestimmung von Vergleichsstandards werden auch in regelmäßigen Abständen Blindwertmessungen durchgeführt.
Grenzen
Um den Eintrag von Staub durch Personen möglichst gering zu halten, ist während des Aufenthalts im Reinraumlabor eine spezielle Arbeitskleidung vorgeschrieben. Darüber hinaus müssen auch alle verwendeten Chemikalien besondere Anforderungen hinsichtlich ihrer Reinheit erfüllen.
Probenbeschaffenheit
Die Probengröße ist abhängig vom Osmiumgehalt, der sehr variabel sein kann! Bei Eisenerzen empfehlen wir 10 g Probenmaterial, bei Eisenmetall 0,5 g, bei Ton 10 g und Keramik ebenfalls 10 g.