Project

Back to overview

Low-temperature optically stimulated luminescence thermochronometry: development and applications

Applicant Herman Frédéric
Number 144389
Funding scheme Project funding
Research institution Geologisches Institut ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Geology
Start/End 01.02.2013 - 31.01.2014
Approved amount 60'812.00
Show all

All Disciplines (2)

Discipline
Geology
Geochronology

Keywords (1)

OSL-dating, thermochronology, Glaciations

Lay Summary (French)

Lead
Le projet actuel se concentre sur le développement et la calibration par OSL dans le contexte de la thermochronologie de basse température.
Lay summary

Le temps de residence d'électrons métastables dans impuretés de minéraux différents est fortement dépendante de la température (Randall et Wilkins, 1945). Si le rayonnement ionisant est quantifiable, ces électrons peuvent être utilisées pour déduire l'évolution thermique des roches (thermochronometrie). L'application de la thermochronometrie par luminescence a été lancée en Suisse par Houtermans et al. (1957), qui a utilisé la thermoluminescence (TL) sur les météorites afin de déduire leur température d'entrée dans l'atmosphère (Grögler et al., 1958). Peu de temps après, des mesures similaires sur des échantillons rocheux terrestres de l'Antarctique ont permis de contraindre le minimum de temps depuis le début de la glaciation (Zeller et Pearn, 1960; Ronca et Zeller, 1965). Après une phase de calibration méthodologique (Wintle et Huntley, 1982), un regain d'intérêt pour TL thermochronologie (McKeever et Sears, 1979;. Gong et al, 2010) et les techniques de résonance paramagnétique électronique (Toyoda et Ikeya, 1991; Grün et al., 1999), et la luminescence stimulée optiquement (Herman et al., 2010) reflète la nécessité croissante de combler le fossé existant entre les mandataires de résidence échelle métrique près de la surface (production de sédiments, nucléides cosmogéniques et OSL) et les systèmes thermochronologiques qui aqcuerissent leur signal (rétention des traces de fission et des gaz rares dans les minéraux) à une profondeur de plusieurs kilomètres. Combler cette lacune avec des méthodes thermochronologique de basse température facilitera une meilleure compréhension de l'espace et le temps de l'évolution topographique de ces dernières.

Le projet actuel se concentre sur le développement et l'étalonnage de la luminescence stimulée optiquement (OSL) méthode de datation dans le contexte de basse température thermochronometries, visant à quantifier les histoires de roche de refroidissement à une résolution sans précédent (l'enregistrement des événements de refroidissement en dessous de 30 ° C et même plus bas) . Jusqu'à présent, nous avons réussi à étendre la théorie thermochronologique de basse (Dodson, 1973) pour tenir compte des effets de saturation exposés par la grande majorité des systèmes de luminescence (et seulement marginalement rarement rencontrés dans les systèmes de gaz nobles). Les resultas prouvent de façon convaincante le concept sur une suite des mesures effectuées sur 11 échantillons de forage (profondeur de 0,1 - 2,4 km, ce qui représente une infinité de maintenir la température de 22 ° C - 71 ° C, respectivement), où une excellente relation du signal OSL contre les températures se qualifie feldspath OSL d'adhérer à un " famille "de 7 thermochronomètres autres établis ou calibré sur le même site.

Afin d'établir OSL-thermochronometrie comme une méthode indépendante et crédible, nous proposons de tester notre nouvelle méthode dans un contexte géomorphologique jeune, où les taux récents de refroidissement du substratum rocheux ont été quantifiés de manière indépendante sur une échelle de temps similaire et plage de température comme OSL-thermochronologie permet. À l'heure actuelle, le meilleur site est la vallée du Rhône, en Suisse, où une étude récente a utilisé la nouvelle méthode de datation 4He/3He apatite (Valla et al, 2011;. 2012) pour reconstruire vallée glaciaire sculpture étapes dans le passé 1 Ma. Dans cette proposition, nous proposons de cibler le même profil vertical avec OSL-thermochronologie, dans un projet pluridisciplinaire impliquant une collaboration avec les centres de recherche de calibre mondial de luminescence (Risø DTU) et thermochronologie gaz rare (Berkeley géochronologie Centre).


Direct link to Lay Summary Last update: 25.03.2013

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
OSL-thermochronometry of feldspar from the KTB borehole, Germany.
Guralnik B. Jain M. Herman F. Ankjærgaard C. Murray Andrew S. Valla Pierre G. Preusser F. Kin (2015), OSL-thermochronometry of feldspar from the KTB borehole, Germany., in Earth and Planetary Science Letters, 423.
OSL-thermochronometry using bedrock quartz: a note of caution.
Guralnik B. Ankjærgaard C. Jain M. Murray A.S. Müller A. Wälle M. Lowick S.E. Preusser F. Rh (2015), OSL-thermochronometry using bedrock quartz: a note of caution., in Quaternary Geochronology, 10.
Radiation-induced growth and isothermal decay of feldspar IRSL.
B. Guralnik B. Li M. Jain R. Chen R.B. Paris A.S. Murray S.-H. Li V. Pagonis P.G. Valla F. (2015), Radiation-induced growth and isothermal decay of feldspar IRSL., in Radiation Measurements, 10.
Effective closure temperature in leaky or saturating thermochronometers
Benny Guralnik Mayank Jain Frédéric Herman Richard B. Paris T. Mark Harrison et al. (2013), Effective closure temperature in leaky or saturating thermochronometers, in Earth and Planetary Science Letters, 209-218.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Riso Laboratory Denmark (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
UC, Berkeley United States of America (North America)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results

Awards

Title Year
Ikeya Award for innovative research 2014

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
127127 OSL-thermochronology: development and applications of a new thermochronometer of exceptionally low closure temperature 01.02.2010 Project funding
138956 Constraining glacial erosion processes using thermochronology and landscape evolution modeling 01.09.2012 SNSF Professorships
127127 OSL-thermochronology: development and applications of a new thermochronometer of exceptionally low closure temperature 01.02.2010 Project funding

Abstract

The residence time of metastable electrons in lattice impurities of various crystals is strongly dependant on temperature (Randall and Wilkins, 1945). Since the ionizing radiation is quantifiable, these electrons can be used to infer thermal histories of rocks (thermochronometry). The application of luminescence to thermochronometry was pioneered in Switzerland by Houtermans et al. (1957), who used thermoluminescence (TL) measurements made on meteorites to infer their temperatures of entry through the atmosphere (Grögler et al., 1958). Shortly after, similar measurements on terrestrial bedrock samples from Antarctica allowed constraining the minimum time since the onset of regional glaciation (Zeller and Pearn, 1960; Ronca and Zeller, 1965). Following a phase of methodological calibration (Wintle and Huntley, 1982), a renewed interest in TL thermochronology (McKeever and Sears, 1979; Gong et al., 2010) and the related techniques of Electron Spin Resonance (Toyoda and Ikeya, 1991; Grün et al., 1999), and Optically Stimulated Luminescence (Herman et al., 2010) reflects the increasing necessity to fill the existing gap between meter-scale near-surface residence proxies (sediment yields, cosmogenic nuclides, and standard OSL dating) with thermochronological systems acquiring their signal (retention of fission tracks and noble gases in minerals) at several km’s depth. Filling this gap with low-temperature thermochronologic methods will facilitate a better understanding of the spatial and the temporal patterns of topographic evolution on recent (sub-Quaternary) timescales, and enable quantifying the effect of glacial climate cycling on large-scale alpine topography.The current project focuses on the development and calibration of the Optically Stimulated Luminescence (OSL) dating method in the context of low-temperature thermochronometry, aiming to quantify rock cooling histories at an unprecedented resolution (recording cooling events below 30°C and even lower). So far, we have successfully extended the basic thermochronologic theory (Dodson, 1973) to account for saturation effects exhibited by the vast majority of luminescence systems (and only marginally rarely encountered in noble gas systems), and have convincingly proved the concept on a suite of measurements carried out on 11 borehole samples (depth range of 0.1 - 2.4 km, representing infinite holding temperatures of 22°C - 71°C, respectively), where an excellent relationship of the OSL signal against temperature qualifies feldspar OSL to join a “family” of 7 other thermochronometers established or calibrated at the same site.In order to establish OSL-thermochronometry as an independent and credible method, we propose to test our novel method in a young geomorphic setting, where the recent bedrock cooling rates have been independently quantified on a similar timescale and temperature range as OSL-thermochronology allows. Presently, the best suitable site for method intercomparison is the Rhône valley, Switzerland, where a recent study utilized the novel method of apatite 4He/3He dating (Valla et al., 2011; 2012) to reconstruct glacial valley carving stages in the past 1 Ma. In this proposal, we propose to target the same vertical profile with OSL-thermochronology, in a multi-disciplinary project involving a collaboration with the world-leading research centres of luminescence (Risø DTU) and noble gas thermochronology (Berkeley Geochronology Centre), that will hopefully establish a new benchmark in the precision to which late Quaternary landscape change can be reconstructed.
-