Die Hochtemperaturzelle HTZ : ein neues Verfahren zur Extraktion von Sauerstoffisotopen aus biogenen Silikaten

Abstract

Biogene Silikate und deren Sauerstoffisotopensignatur haben sowohl für die marine als auch für die terrestrische paläoklimatologische Forschung aufgrund ihres ubiquitären Vorkommens ein sehr großes Potenzial. Bedingt durch methodische Probleme bei ihrem Aufschluss, sind die Sauerstoffisotope biogener Silikate jedoch bisher nur wenig genutzt worden. Zielsetzung war daher die Entwicklung eines neuartigen, keine Fraktionierungseffekte verursachenden Aufschlussverfahrens zur Extraktion der Sauerstoffisotope. Das neu entwickelte Hochtemperatur-Aufschlussverfahren (HTZ) verzichtet auf die bisher übliche Fluorinierung und erlaubt einen relativ hohen Probendurchsatz. Dies wird durch die Abtrennung sauerstoffhaltiger Verunreinigungen" der Probe und anschließendem Aufschluss in einem Schritt erreicht. Dabei wird ein Mittelfrequenzgenerator zur induktiven Aufheizung eines in eine doppelwandige Glasküvette eingebrachten Reaktionsstabes aus Glaskohlenstoff genutzt. Der Reaktionsstab ist oben mit einer Bohrung, die als Probenbehälter dient, versehen, welche ein Gemisch aus Probenmaterial und Graphitpulver aufnehmen kann. Dieser Stab ist selbst von einem dünnwandigen, oben geschlossenen Zylinder aus Glaskohlenstoff umgeben, um einen Austausch des bei der Reaktion freiwerdenden, im CO gebundenen Sauerstoffs mit dem Sauerstoff der Glasküvette zu verhindern. Nach Evakuierung der Küvette, kann das Probenmaterial aufgeschlossen werden. Der Reaktionsstab wird zur Freisetzung des Sauerstoffs aus biogenem Silikat bis auf eine Temperatur von ca. 1550°C erhitzt. Dabei reagiert Graphit mit Siliziumdioxid zu Siliziumcarbid und Kohlenstoffmonoxid (CO). Das entstandene Kohlenstoffmonoxid wird mit Hilfe flüssigen Stickstoffs unter Verwendung eines Molekularsiebes (5$\mathring{A}$) in ein Probenröhrchen einkondensiert und später in einem Isotopenverhältnismassenspektrometer (Doppeleinlasssystem) vermessen. Zur Freisetzung des Sauerstoffs aus anderen Silikaten kann die induktive Heizung bis auf Temperaturen von 2200°C erhöht werden. Die Temperatureichung erfolgte mit Hilfe eines von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt geeichten Quotientenpyrometers. Die Ergebnisse der durchgeführten Versuchsreihen zeigen, dass biogene Silikate mit dem neuen Verfahren vollständig und ohne Fraktionierung der Sauerstoffisotope in COMessgas umgesetzt werden. Für biogene Silikate unterschiedlicher Herkunft sowie einen internationalen anorganischen Standard konnten $\delta^{18}$-Werte mit einem maximalen Messfehler von ±0,3%o (maximale Abweichung vom Mittelwert) reproduziert werden. Dies bedeutet im allgemeinen eine Standardabweichung von $\sigma \le$ ±0,15$^{°}/_{°°}$. Die Eichung des neuen Verfahrens mit einem internationalen Standard lieferte für Materialien, deren $\delta^{18}$-Werte mit den bisherigen Verfahren publiziert vorliegen, eine sehr gute Übereinstimmung. Damit steht ein neuartiges Verfahren zur Bestimmung der Sauerstoffisotopenverhältnisse biogener Silikate zur Verfügung. Es erlaubt einen wesentlich einfacheren Zugang zu deren $\delta^{18}$-Werten und eröffnet damit eine Vielzahl neuer Anwendungsmöglichkeiten