Calibration of cosmogenic noble gas production in ordinary chondrites based on 36 Cl- 36 Ar ages. Part 1: Refined produced rates for cosmogenic 21 Ne and 38 Ar

We measured the concentrations and isotopic compositions of He, Ne, and Ar in bulk samples and metal separates of 14 ordinary chondrite falls with long exposure ages and high metamorphic grades. In addition, we measured concentrations of the cosmogenic radionuclides 10Be, 26Al, and 36Cl in metal separates and in the nonmagnetic fractions of the selected meteorites. Using cosmogenic 36Cl and 36Ar measured in the metal separates, we determined 36Cl-36Ar cosmic-ray exposure (CRE) ages, which are shielding-independent and therefore particularly reliable. Using the cosmogenic noble gases and radionuclides, we are able to decipher the CRE history for the studied objects. Based on the correlation 3He/21Ne versus 22Ne/21Ne, we demonstrate that, among the meteorites studied, only one suffered significant diffusive losses (about 35%). The data confirm that the linear correlation 3He/21Ne versus 22Ne/21Ne breaks down at high shielding. Using 36Cl-36Ar exposure ages and measured noble gas concentrations, we determine 21Ne and 38Ar production rates as a function of 22Ne/21Ne. The new data agree with recent model calculations for the relationship between 21Ne and 38Ar production rates and the 22Ne/21Ne ratio, which does not always provide unique shielding information. Based on the model calculations, we determine a new correlation line for 21Ne and 38Ar production rates as a function of the shielding indicator 22Ne/21Ne for H, L, and LL chondrites with preatmospheric radii less than about 65 cm. We also calculated the 10Be/21Ne and 26Al/21Ne production rate ratios for the investigated samples, which show good agreement with recent model calculations.

A combined vacuum crushing and sieving (CVCS) system designed to determine noble gas paleotemperatures from stalagmite samples

This paper presents a novel extraction device for water and noble gases from speleothem samples for noble gas paleotemperature determination. The “combined vacuum crushing and sieving (CVCS) system” was designed to reduce the atmospheric noble gas contents from air inclusions in speleothem samples by up to 2 orders of magnitude without adsorbing atmospheric noble gases onto the freshly produced grain surfaces, a process that had often hampered noble gas temperature (NGT) determination in the past. We also present the results from first performance tests of the CVCS system processing stalagmite samples grown at a known temperature. This temperature is reliably reproduced by the NGTs derived from Ar, Kr, and Xe extracted from the samples. The CVCS system is, therefore, suitable for routine determinations of accurate NGTs. In combination with stalagmite dating, these NGTs will allow reconstructing past regional temperature evolutions, and also support the interpretation of the often complex stable isotope records preserved in the stalagmites' calcite.

Origin and evolution of reactive and noble gases dissolved in matrix pore water

Reactive and noble gases dissolved in matrix pore water of low permeable crystalline bedrock were successfully extracted and characterized for the fist time based on drillcore samples from the Olkiluoto investigation site (SW Finland). Interaction between matrix pore water and fracture groundwater occurs predominately by diffusion. Changes in the chemical and isotopic composition of gases dissolved in fracture groundwater are transmitted and preserved in the pore water. Absolute concentrations, their ratios and the stable carbon isotope signature of hydrocarbon gases dissolved in pore water give valuable indications about the evolution of these gases in the nearby-flowing fracture groundwaters. Inert noble gases dissolved in matrix pore water and their isotopes combined with their in-situ production and accumulation rates deliver information about the residence time of pore water.

Schmiede ─ Heiligtum ─ Wassermühle. Cham-Hagendorn (Kanton Zug) in römischer Zeit. Ausgrabungen 1944/45 und 2003/04

1944/1945 wurde in Cham-Hagendorn eine Wassermühle ausgegraben, die dank ihrer aussergewöhnlich guten Holzerhaltung seit langem einen prominenten Platz in der Forschung einnimmt. 2003 und 2004 konnte die Kantonsarchäologie Zug den Platz erneut archäologisch untersuchen. Dabei wurden nicht nur weitere Reste der Wassermühle, sondern auch Spuren älterer und jüngerer Anlagen geborgen: eine ältere und eine jüngere Schmiedewerkstatt (Horizont 1a/Horizont 3) sowie ein zweiphasiges Heiligtum (Horizonte 1a/1b). All diese Anlagen lassen sich nun in das in den neuen Grabungen erkannte stratigraphische Gerüst einhängen (s. Beil. 2). Dank der Holzerhaltung können die meisten Phasen dendrochronologisch datiert werden (s. Abb. 4.1/1a): Horizont 1a mit Schlagdaten zwischen 162(?)/173 und 200 n. Chr., Horizont 1b um 215/218 n. Chr. und Horizont 2 um 231 n. Chr. Ferner konnten in den neuen Grabungen Proben für mikromorphologische und archäobotanische Untersuchungen entnommen werden (Kap. 2.2; 3.11). In der vorliegenden Publikation werden der Befund und die Baustrukturen vorgelegt, (Kap. 2), desgleichen sämtliche stratifizierten Funde und eine umfassende Auswahl der 1944/1945 geborgenen Funde (Kap. 3). Dank anpassender Fragmente, sog. Passscherben, lassen sich diese zum Teil nachträglich in die Schichtenabfolge einbinden. Die mikromorphologischen und die archäobotanischen Untersuchungen (Kap. 2.2; 3.11) zeigen, dass der Fundplatz in römischer Zeit inmitten einer stark vom Wald und dem Fluss Lorze geprägten Landschaft lag. In unmittelbarer Nähe können weder eine Siedlung noch einzelne Wohnbauten gelegen haben. Die demnach nur gewerblich und sakral genutzten Anlagen standen an einem Bach, der vermutlich mit jenem Bach identisch ist, der noch heute das Groppenmoos entwässert und bei Cham-Hagendorn in die Lorze mündet (s. Abb. 2.4/1). Der antike Bach führte wiederholt Hochwasser ─ insgesamt sind fünf grössere Überschwemmungsphasen auszumachen (Kap. 2.2; 2.4). Wohl anlässlich eines Seehochstandes durch ein Überschwappen der Lorze in den Bach ausgelöst, müssen diese Überschwemmungen eine enorme Gewalt entwickelt haben, der die einzelnen Anlagen zum Opfer fielen. Wie die Untersuchung der Siedlungslandschaft römischer Zeit rund um den Zugersee wahrscheinlich macht (Kap. 6 mit Abb. 6.2/2), dürften die Anlagen von Cham-Hagendorn zu einer in Cham-Heiligkreuz vermuteten Villa gehören, einem von fünf grösseren Landgütern in diesem Gebiet. Hinweise auf Vorgängeranlagen fehlen, mit denen die vereinzelten Funde des 1. Jh. n. Chr. (Kap. 4.5) in Verbindung gebracht werden könnten. Diese dürften eher von einer der Überschwemmungen bachaufwärts weggerissen und nach Cham-Hagendorn eingeschwemmt worden sein. Die Nutzung des Fundplatzes (Horizont 1a; s. Beil. 6) setzte um 170 n. Chr. mit einer Schmiedewerkstatt ein (Kap. 2.5.1). Der Fundanfall, insbesondere die Schmiedeschlacken (Kap. 3.9) belegen, dass hier nur hin und wieder Geräte hergestellt und repariert wurden (Kap. 5.2). Diese Werkstatt war vermutlich schon aufgelassen und dem Verfall preisgegeben, als man 200 n. Chr. (Kap. 4.2.4) auf einer Insel zwischen dem Bach und einem Lorzearm ein Heiligtum errichtete (Kap. 5.3). Beleg für den sakralen Status dieser Insel ist in erster Linie mindestens ein eigens gepflanzter Pfirsichbaum, nachgewiesen mit Pollen, einem Holz und über 400 Pfirsichsteinen (Kap. 3.11). Die im Bach verlaufende Grenze zwischen dem sakralen Platz und der profanen Umgebung markierte man zusätzlich mit einer Pfahlreihe (Kap. 2.5.3). In diese war ein schmaler Langbau integriert (Kap. 2.5.2), der an die oft an Temenosmauern antiker Heiligtümer angebauten Portiken erinnert und wohl auch die gleiche Funktion wie diese gehabt hatte, nämlich das Aufbewahren von Weihegaben und Kultgerät (Kap. 5.3). Das reiche Fundmaterial, das sich in den Schichten der ersten Überschwemmung fand (s. Abb. 5./5), die um 205/210 n. Chr. dieses Heiligtum zerstört hatte, insbesondere die zahlreiche Keramik (Kap. 3.2.4), und die zum Teil auffallend wertvollen Kleinfunde (Kap. 3.3.3), dürften zum grössten Teil einst in diesem Langbau untergebracht gewesen sein. Ein als Glockenklöppel interpretiertes, stratifiziertes Objekt spricht dafür, dass die fünf grossen, 1944/1945 als Stapel aufgefundenen Eisenglocken vielleicht auch dem Heiligtum zuzuweisen sind (Kap. 3.4). In diesen Kontext passen zudem die überdurchschnittlich häufig kalzinierten Tierknochen (Kap. 3.10). Nach der Überschwemmung befestigte man für 215 n. Chr. (Kap. 4.2.4) das unterspülte Bachufer mit einer Uferverbauung (Kap. 2.6.1). Mit dem Bau eines weiteren, im Bach stehenden Langbaus (Kap. 2.6.2) stellte man 218 n. Chr. das Heiligtum auf der Insel in ähnlicher Form wieder her (Horizont 1b; s. Beil. 7). Von der Pfahlreihe, die wiederum die sakrale Insel von der profanen Umgebung abgrenzte, blieben indes nur wenige Pfähle erhalten. Dennoch ist der sakrale Charakter der Anlage gesichert. Ausser dem immer noch blühenden Pfirsichbaum ist es ein vor dem Langbau aufgestelltes Ensemble von mindestens 23 Terrakottafigurinen (s. Abb. 3.6/1), elf Veneres, zehn Matres, einem Jugendlichen in Kapuzenmantel und einem kindlichen Risus (Kap. 3.6; s. auch Kap. 2.6.3). In den Sedimenten der zweiten Überschwemmung, der diese Anlage um 225/230 n. Chr. zum Opfer gefallen war, fanden sich wiederum zahlreiche Keramikgefässe (Kap. 3.2.4) und zum Teil wertvolle Kleinfunde wie eine Glasperle mit Goldfolie (Kap. 3.8.2) und eine Fibel aus Silber (Kap. 3.3.3), die wohl ursprünglich im Langbau untergebracht waren (Kap. 5.3.2 mit Abb. 5/7). Weitere Funde mit sicherem oder möglichem sakralem Charakter finden sich unter den 1944/1945 geborgenen Funden (s. Abb. 5/8), etwa ein silberner Fingerring mit Merkurinschrift, ein silberner Lunula-Anhänger, eine silberne Kasserolle (Kap. 3.3.3), eine Glasflasche mit Schlangenfadenauflage (Kap. 3.8.2) und einige Bergkristalle (Kap. 3.8.4). Im Bereich der Terrakotten kamen ferner mehrere Münzen (Kap. 3.7) zum Vorschein, die vielleicht dort niedergelegt worden waren. Nach der zweiten Überschwemmung errichtete man um 231 n. Chr. am Bach eine Wassermühle (Horizont 2; Kap. 2.7; Beil. 8; Abb. 2.7/49). Ob das Heiligtum auf der Insel wieder aufgebaut oder aufgelassen wurde, muss mangels Hinweisen offen bleiben. Für den abgehobenen Zuflusskanal der Wassermühle verwendete man mehrere stehen gebliebene Pfähle der vorangegangenen Anlagen der Horizonte 1a und 1b. Obwohl die Wassermühle den 28 jährlichen Überschwemmungshorizonten (Kap. 2.2) und den Funden (Kap. 4.3.2; 4.4.4; 45) zufolge nur bis um 260 n. Chr., während gut einer Generation, bestand, musste sie mindestens zweimal erneuert werden – nachgewiesen sind drei Wasserräder, drei Mühlsteinpaare und vermutlich drei Podeste, auf denen jeweils das Mahlwerk ruhte. Grund für diese Umbauten war wohl der weiche, instabile Untergrund, der zu Verschiebungen geführt hatte, so dass das Zusammenspiel von Wellbaum bzw. Sternnabe und Übersetzungsrad nicht mehr funktionierte und das ganze System zerbrach. Die Analyse von Pollen aus dem Gehhorizont hat als Mahlgut Getreide vom Weizentyp nachgewiesen (Kap. 3.11.4). Das Abzeichen eines Benefiziariers (Kap. 3.3.2 mit Abb. 3.3/23,B71) könnte dafür sprechen, dass das verarbeitete Getreide zumindest zum Teil für das römische Militär bestimmt war (s. auch Kap. 6.2.3). Ein im Horizont 2 gefundener Schreibgriffel und weitere stili sowie eine Waage für das Wägen bis zu 35-40 kg schweren Waren aus dem Fundbestand von 1944/1945 könnten davon zeugen, dass das Getreide zu wägen und zu registrieren war (Kap. 3.4.2). Kurz nach 260 n. Chr. fiel die Wassermühle einem weiteren Hochwasser zum Opfer. Für den folgenden Horizont 3 (Beil. 9) brachte man einen Kiesboden ein und errichtete ein kleines Gebäude (Kap. 2.8). Hier war wohl wiederum eine Schmiede untergebracht, wie die zahlreichen Kalottenschlacken belegen (Kap. 3.9), die im Umfeld der kleinen Baus zum Vorschein kamen. Aufgrund der Funde (Kap. 4.4.4; 4.5) kann diese Werkstatt nur kurze Zeit bestanden haben, höchstens bis um 270 n. Chr., bevor sie einem weiteren Hochwasser zum Opfer fiel. Von der jüngsten Anlage, die wohl noch in römische Zeit datiert (Horizont 4; Beil. 10), war lediglich eine Konstruktion aus grossen Steinplatten zu fassen (Kap. 2.9.1). Wozu sie diente, muss offen bleiben. Auch der geringe Fundanfall spricht dafür, dass die Nutzung des Platzes, zumindest für die römische Zeit, allmählich ein Ende fand (Kap. 4.5). Zu den jüngsten Strukturen gehören mehrere Gruben (Kap. 2.9.2), die vielleicht der Lehmentnahme dienten. Mangels Funden bleibt ihre Datierung indes ungewiss. Insbesondere wissen wir nicht, ob sie noch in römische Zeit datieren oder jünger sind. Spätestens mit der fünften Überschwemmung, die zur endgültigen Verlandung führte und wohl schon in die frühe Neuzeit zu setzen ist, wurde der Platz aufgelassen und erst mit dem Bau der bestehenden Fensterfabrik Baumgartner wieder besetzt.

Tracer applications of noble gas radionuclides in the geosciences

Noble gas radionuclides, including 81Kr (t1/2 = 229,000 years), 85Kr (t1/2 = 10.8 years), and 39Ar (t1/2 = 269 years), possess nearly ideal chemical and physical properties for studies of earth and environmental processes. Recent advances in Atom Trap Trace Analysis (ATTA), a laser-based atom counting method, have enabled routine measurements of the radiokrypton isotopes, as well as the demonstration of the ability to measure 39Ar in environmental samples. Here we provide an overview of the ATTA technique, and a survey of recent progress made in several laboratories worldwide.We review the application of noble gas radionuclides in the geosciences and discuss how ATTA can help advance these fields, specifically: determination of groundwater residence times using 81Kr, 85Kr, and 39Ar; dating old glacial ice using 81Kr; and an 39Ar survey of the main water masses of the oceans, to study circulation pathways and estimate mean residence times. Other scientific questions involving a deeper circulation of fluids in the Earth's crust and mantle are also within the scope of future applications. We conclude that the geoscience community would greatly benefit from an ATTA facility dedicated to this field, with instrumentation for routine measurements, as well as for research on further development of ATTA methods.

A new Time-Of-Flight Mass Spectrometer (TOF-MS) for noble gas analysis

Noble gas analysis in early solar system materials, which can provide valuable information about early solar system processes and timescales, are very challenging because of extremely low noble gas concentrations (ppt). We therefore developed a new compact sized (33 cm length, 7.2cm diameter, 1.3 L internal volume) Time-of-Flight (TOF) noble gas mass spectrometer for high sensitivity. We call it as Edel Gas Time-of-flight (EGT) mass spectrometer. The instrument uses electron impact ionization coupled to an ion trap, which allows us to ionize and measure all noble gas isotopes. Using a reflectron set-up improves the mass resolution. In addition, the reflectron set-up also enables some extra focusing. The detection is via MCPs and the signals are processed either via ADC or TDC systems. The objective of this work is to understand the newly developed Time-Of-Flight (TOF) mass spectrometer for noble gas analysis in presolar grains of the meteorites. Chapter 1 briefly introduces the basic idea and importance of the instrument. The physics relevant to time-of-flight mass spectrometry technique is discussed in the Chapter 2 and Chapter 3 will present the oxidation technique of nanodiamonds of the presolar grains by using copper oxide. Chapter 4 will present the details about EGT data analysis software. Chapter 5 and Chapter 6 will explain the details about EGT design and operation. Finally, the performance results will be presented and discussed in the Chapter 7, and whole work is summarized in Chapter 8 and also outlook of the future work is given.