Seniorforsker Mayank Jain fra DTU Nutech ved en TL/OSL-reader, som han bruger i sin forskning og er med til at udvikle sammen med sine kolleger. Foto: Mikal Schlosser

Ny metode aflæser undergrundens forhistoriske temperatur

torsdag 31 mar 16

Kontakt

Mayank Jain
Sektionsleder
DTU Nutech
46 77 49 09

Læs mere

Apparatet - en TL/OSL-reader - som er brugt til at opfinde den nye metode, der kan aflæse undergrundens forhistoriske temperatur, bliver udviklet, bygget og solgt på DTU Nutech. Læs mere i webnyheden 'Geologerne elsker apparatet fra Risø'.
Nu har forskere opfundet en hurtig vej til at aflæse undergrundens forhistoriske temperatur.

Hvor er det sikreste sted at deponere vores atomaffald? Hvad sker der med bjerglandskaberne, efterhånden som gletsjerne smelter? Hvor er det smartest at bygge en tunnel igennem et bjergmassiv? Og hvor kan det bedst betale sig at inddrive jordvarme? En væsentlig del af svarene på disse vidt forskellige spørgsmål kan findes med en ny metode, der afslører undergrundens gennemsnitlige temperatur langt hurtigere end de eksisterende metoder. Desuden giver den nye metode adgang til undergrundens ’nyere’ historie – dvs. de seneste 100.000 år, hvor de eksisterende metoder slet ikke kan bidrage med nogen information.

”Det er vigtigt at kende undergrundens gennemsnitlige temperatur inden for de seneste årtusinder, for det giver os en idé om, hvor stabilt området er, og om det engang har været udsat for store forandringer eller varmepåvirkninger. Det er godt at vide, inden man f.eks. vælger at deponere atomfald eller bygge en tunnel,” forklarer seniorforsker Mayank Jain fra DTU Nutech.

DTU Nutech har stået i spidsen for et internationalt samarbejde, der gennem flere år har udviklet metoden. Forskernes arbejde blev i 2015 publiceret i Elsevier Earth and Planetary Science Letters.

Udbredt mineral husker undergrundens historie

Når den nye metode er hurtigere, skyldes det, at man i dag ofte må bore dybt for at få adgang til undergrunden. Men ved selve boringen opstår temperaturændringer, og det kan tage op til seks til syv år at vende tilbage til den oprindelige temperatur i jorden.

I stedet for at vente i så mange år benytter forskerne bag den nye metode mineralet feldspat, som er det mest udbredte mineral i de øverste to kilometer af Jordens overflade. For dette mineral gemmer på undergrundens temperaturhistorie. Årtusind efter årtusind bliver feldspatten udsat for baggrundsstråling, som stammer fra undergrundens naturlige indhold af radioaktive grundstoffer som eksempelvis uran og thorium. Baggrundsstrålingen ’slår’ nogle elektroner løs inde i feldspatten. De løse elektroner bliver hurtigt indfanget et andet sted inde i feldspatten, hvor de sidder rigtig godt fast. Kun lys eller varme kan frigive disse forflyttede elektroner. Dybt nede i undergrunden bliver feldspatten ikke udsat for lys, derfor er det kun varmen fra omgivelserne, der kan frigive elektronerne inde i mineralet.

”Hvis undergrunden har været meget varm, er mange elektroner blevet frigivet gennem tiden. Hvis den har været kold, så er elektronerne forblevet indfanget, og mængden af elektroner er stille og roligt akkumuleret,” forklarer Mayank Jain.

Luminescens afslører fortidens temperaturer

Denne viden udnytter forskerne i laboratoriet. Ved at belyse feldspatten med infrarødt lys tvinger de mineralet til at frigive de ’tilfangetagne’ og ophobede elektroner. Mængden af frigivne elektroner sladrer om, hvor meget varme feldspatten har været udsat for: Hvis kun få elektroner frigives, har undergrunden været relativ varm. Jo flere elektroner der frigives, jo større har akkumulationen af elektroner været gennem tiderne, hvilket betyder, at feldspattens omgivelser har været relativt kølige.

Når elektronerne frigives inde i feldspatten, frigøres samtidig en overskydende energi i form af en lyspartikel – en foton. Den får feldspatten til at udsende et meget svagt lys. Dette er et velkendt fænomen, der kaldes for luminescens. I feldspattens tilfælde er lyset så svagt, at det ikke kan ses med det blotte øje, men kun opfanges af meget sensitive apparater som en såkaldt OSL-reader (Optically Stimulated Luminescence-apparat).

”Når vi har målt lyssignalet fra feldspatten med vores OSL-reader, har vi nogle informationer, som vi laver beregninger på ved hjælp af en matematisk model. Vores model tager højde for adskillige parametre, bl.a. hvor meget stråling feldspatten har været udsat for. I sidste ende får vi et estimat på, hvad den gennemsnitlige temperatur har været i den undergrund, hvor feldspatten kommer fra,” forklarer Mayank Jain.

Under udviklingen af den nye metode – også kaldet OSL-thermochronometry baseret på infrarød stimulering – har forskerne brugt en væsentlig del af tiden på at forstå elektronernes opførsel inde i feldspatten samt på at validere deres metode. Valideringen er gennemført ved at hente sten fra Tysklands dybeste borehul, KTB (Kontinentales Tiefbohrprogramm der Bundesrepublik Deutschland), som er næsten 10 km dybt og mere end to årtier gammelt. Her er undergrundens temperaturer veldokumenterede, og det gav forskergruppen et datasæt, som de kunne holde op mod resultaterne fra deres nye metode.

Bedre forudsigelser af fremtidens landskaber

Validering af den nye metode fortsætter i Schweiz, hvor bl.a. geologen Georgina King har brugt det seneste halve år på at sammenligne data fra den nye metode med velkendte data fra klippestykker fra Himalaya. Som geolog er hun begejstret for udsigten til at bruge metoden til at få mere viden om undergrundens historie de seneste 100.000 år:

”Den seneste istid hører til Jordens nyere historie, hvor der skete dramatiske ændringer af mange landskaber. Hvis vi kan få mere viden om, hvad der eksempelvis sker med et landområde, når gletsjere smelter og forsvinder, kan det gøre os bedre i stand til at forudsige, hvilken effekt den nuværende opvarmning af Jorden har på vores landskaber. Kan vi f.eks. forvente en forstærket erosion af bjergområder, når gletsjerne er borte? I et bjergrigt land som Schweiz, hvor der er mange landsbyer i gletsjerdale, kan det få en direkte indvirkning på mennesker, selvom det først er om mange år,” siger Georgina King.

Sådan virker TL/OSL-readeren

Foto: Mikal Schlosser

Foto: Mikal Schlosser

1. Karrusel

De materialer, der skal undersøges, lægges i et ’prøvehjul’ (i daglig tale kaldet sample wheel), der drejer rundt inde i TL/OSL-readeren. Her bliver prøverne udsat for en cyklus af påvirkninger: Opvarmning, lys og radioaktivitet. Ved en standard-datering af et mineral kører hjulet med materialerne igennem en cyklus af påvirkninger cirka tolv gange. Der er plads til 48 prøver på hvert ’sample wheel’. Hver prøve kan bestå af et enkelt eller op til flere tusinde sandkorn.

2. Detektions- og stimuleringshoved

Lyskilderne, der bruges til optisk stimulering af prøverne, er typisk blå, grønne og infrarøde LED’er eller lasere. Luminescensen – dvs. det lys sandkornene afgiver efter at være blevet (optisk) stimuleret – er så svagt, at en række filtre er påkrævet for at detektere det. Filtrene filtrerer stimuleringslyset væk, da det er ca. 1018 gange stærkere end selve luminescensen.

3. PM-rør eller EMCCD-kamera

Den frigivne luminescens bliver målt af enten et såkaldt PM-rør (Photomultiplier) eller et EMCCD-kamera (Electron Multiplying Charge Coupled Device). DTU Nutech var i 2014 de første til at levere et funktionsdygtigt kamera til TL/OSL-readeren.

4. Radioaktiv kilde

Bestråling af prøverne er en forudsætning for at kunne datere dem. Sammenholdt med luminescensen (dvs. det lys materialet afgiver under stimulering) opnår forskerne en præcis tidsbestemmelse af prøverne. Kilden er typisk en betakilde (strontium), men det er også muligt at sætte andre kilder på TL/OSL-readeren f.eks. en røntgenkilde eller en alfakilde.


Nyheder og filtrering

Få besked om fremtidige nyheder, der matcher din filtrering.
http://www.nutech.dtu.dk/nyheder/Nyhed?id=%7BCC3586B1-0E30-4278-B057-2FB329AFF13F%7D
22 OKTOBER 2017