Fizyon iz tarihlendirmesi

Fizyon, Uranyum gibi kütle numarası büyük atom çekirdeklerinin serbest kalan büyük bir enerjiyle birlikte doğal olarak bölünmesi sürecidir. (örn. Westgate vd.2007.) Yüklü parçacıklar katı bir ortam boyunca hareket ettikleri süreçte parçacıkların enerjisini ortamın atomlarını transfer etmeleri sonucunda hasar izleri bırakmaktadırlar. Bu türlü izler ilk olarak Silk ve Barnes (1959) tarafından iradiye edilmiş katıların elektromikroskobuyla incelenme esnasında görülmüştür. Tarihlendirme için fizyon izlerinin kullanımı ise İkinci Dünya Savaşında bölünebilir materyaller üzerinde çalışmalarda ortaya çıkmıştır. Fizyon ile tarihlemdirmesi yöntemi bolluk oranı en fazla olan 238U izotopunun fizyon reaksiyonuyla bölünmesine dayanır. Bu süreç, Fizyon parçaları ile komşu atomları arasında yüksek enerjili çarpışmalara yol açar ve kristal kafes çevresinde hasar izleri bırakır.10-20 µm uzunluğunda ve 6-10 nm genişliğindeki bu izler birtakım kimyasallar (örn.HNO3,NaOH,HF) kullanılarak belirginleştirilmekte ve optik mikroskoplarla görülebilmektedir. Fizyon izlerinin tarihlendirilmesi çeşitli mineraller (Örn. Zirkon,Apatit,Titanit) ile doğal ve yapay camlar için kullanılır.Fizyon izleri camlarda konik çukurlar, mikalarda elmas, zirkon ve apatitlerde ise iğne şekilleriyle tanınırlar.Yöntem özellikle oluşumundan bu yana tekrar ısıtılmamış göreceli genç örnekler için kullanılır ve bu yüzden arkeoloji ve jeolojinin potansiyel ilgi alanı içindedir.Bununla birlikte yöntem sıcaklık bağımlı bir yöntem olduğu için ve farklı minerallerin sahip oldukları fizyon izlerini farklı sıcaklıklarda kaybettikleri bilindiği için yaşlı kayaçların termal tarihçelerinin(termokronoloji) belirlenmesinde de kullanılır. (Fleischer vd.1969).

Yöntem, cam ya da minerallerde doğal olarak oluşan 238U Fizyon izlerinin optik mikroskoplarla sayılması esasına dayanır, ancak yukarıda değinildiği gibi öncelikle analiz edilecek örneğin yüzeyinin traşlanması, parlatılması ve uygun kimyasallarla fizyon izlerinin belirginleştirilmesi gereklidir. Eğer mineral taneleri çok küçük ise epoksi yardımıyla bir lan üzerine yapıştırılıp traşlama ve parlatma işleri yapılabilir. (Naeser,1967). İzler kimyasal işlemlerle genişletildikten sonra parlatılmış yüzey, boyutları bilinen bir alan içinde petrografik mikroskop yardımıyla izlerin sayılmasıyla incelenmektedir. Başka bir anlatımla, bilinen bir alanda 238U’in doğal fizyonyla oluşan izlerin yoğunluğu,istatistiksel olarak izlerin sayılmasıyla belirlenir. İz yoğunluğu santimetre karede 10’dan az olan örneklerde hesaplamalar zordur, ancak birçok mineral ve camda birkaç yüz ya da birkaç bin iz mevcuttur. İz yoğunluğu uranyum içeriği ve birikmesi için gerekli zaman aralığı ile ilgilidir. Fizyon izlerinin tarihlendirmesi için kullanılabilmesi için analiz edilecek örneğin uranyum içeriğinden bilinmesi gerekmektedir ancak bu değer dolaylı yoldan elde edilebilmektedir. Bu işlem için bolluk oranı daha az olan ve nükleer reaktörde bombardımana maruz bırakılarak fizyonu sağlanan 235U miktarının ölçülmesi gerekmektedir. Yapay olarak oluşturulan fizyon olayı esasında yeni fizyon izleri oluşturacaktır ve bu izlerin yoğunluğu doğal olarak oluşanlarda uygulandığı gibi ayrıca belirlenmesi gerekmektedir. Yapay yolla oluşturulan izlerin sayılması 235U’in bolluğunu ve nötron akımını verecektir. Dolayısıyla kayaç ve diğer malzemelerde 238U/235U oranı bilindiği için ve 235U izotop miktarı dolaylı yol ile belirlenebildiği için 238U içeriği de belirlenebilecektir. Alansal fizyon izi yoğunluğunu tespit etmek için iki yol kullanıldığı belinmektedir. Bunlardan ilkinde Tarihlenme yapılacak örnek iki gruba bölünür ve bunlardan bir tanesinde doğal olarak oluşmuş Fizyon izleri, örnek hazırlama süreci gerçekleştirildikten ve izlerin belirginleşmesi için ve uygun kimyasallar kullanıldıktan sonra sayılır. İkinci grup ise nükleer reaktörde idrasyona maruz bırakılır ve ilk gruptaki benzer süreçler uygulandıktan sonra doğal ve yapay olarak oluşmuş fizyon izleri sayılır. Bu işlemlerin yapılmasında Uranyum’un mineral ya da kayaçta üniform olduğu kabul edilmektedir. Fizyon izlerinin ısıl işlemlerle ortadan kalktığı bilinmektedir. Uranyum içeriğinin belirlenmesinde bu durumdan da faydalanılmaktadır. Tarihlendirilecek örnek ısıl işleme tabii tutularak doğal izlerin kaybetmesi sağlanır ve daha sonra irradyasyona maruz bırakılıp yapay fizyon izleri oluşturulur. Bir diğer yöntemde ise (örn. Harici Alıcı Yöntemi) monitör kullanımı(örn. muskovit) ile fizyon izleri ve uranyum içeriği belirlenir. Dolayısıyla, Doğal ve yapay izler belli kristallerin aynı düzlemsel yüzeyinde eş bir alan içinde ölçülür (Hurford,1991). Bir cm²’lik bir alan içinde on fizyon izi mevcut olduğunda yaklaşık 100 000 yıllık bir yaş elde edebilmek için uranyum içerğinin 1 µg g-1 olması gereklidir (Wagner, 1998). Kuvaterner volkanik olayları için tarihlendirme zirkon,apatit ve volkanik camla sınırlandırılmıştır. Uranyum içeriğinin fazla olması genç yaşlar elde edebilmek için faydalıdır.Zirkon, yüksek uranyum içeriğine sahip olması ile daha çok tercih edilir, dolayısıyla zirkon taneleri aynı zaman sürecinde oluşan volkanik camlardan oransal olarak daha fazla ize sahip olacaktır. Bununla birlikte volkanitlerde Zirkon çok az bulunabilen bir mineraldir. Bir kg volkanik kökenli çökelden belki bir tane Zirkon elde edlebilmektedir (Dimitru,2000). Zirkon mevcut olsa bile zirkon taneleri küçük olma durumunda olup güvenilir bir ölçüm yapmak için ihtiyaç olan miktarda oldukça azdır. Zirkon tanelerinin az elde edilebilir olması, Kuvaterner çökellerinin tarhilendirilmesinde volkanik camların yaygın olarak tercih edilmesini sağlamıştır. Ayrıca fizyon izleri camların izotropik doğası nedeniyle hem daha geniş hem de daha konik çukurluklar şeklindedir. Kuvaterner sedimanlarının tarihlendirilmesinde en çok arzu edilen durum silisiktefra yataklarıyla sedimanların ilişkili olmasıdır çünkü tefraların geniş yayılımlı olması ve kendine has özellikleri olması bir avantaj olup bu zonlar, Fizyon İzi tarihlendirilmesinde çok kullanılan zirkon ya da volkanşk camları içerebilmektedirler. Fizyon izi tarihlendirilmesi yapılabilmesi için bazı koşulların sağlanması, konu ile ilgili birçok kaynakta belirtilmiştir. Anlamlı bir yaş elde edilebilmesi için yapılacak örneğin yukarıda da belirtildiği gibi yeterli miktarda uranyum içermesi gerekmektedir. Fizyon izleri oluştuktan sonra ortam sıcaklığı da bozulmadan kalmalı ya da oluşumundan hemen sonra tamamen tavlanmamalıdır. İzlerin kısmi silinmesi bazı mineral ve camlarda olağandır ancak düzeltme yapılabilmektedir. Analiz edilecek örneklerde kafes dislokasyonları, inklizyonlar, mikrolit gibi bozuklukların varlığı gerçek fizyon izleri ile karıştırılabilir ve hesaplamalarda zorluklar çıkarılabilmektedir (Storzer ve Wagner, 1982). Kristal ya da cam yüzey alanı, alansal iz yoğunluğunun doğru ölçülebilmesi için yeterli genişlikte olmak zorundadır. Çok gözenekli ve yeterli yüzey alanı olmayan pümis taneleri, Fizyon İzi tarihlendirmesi için uygun değildir ancak az boşluklu cam parçacıklarının kolay bir şekilde analiz edilebilmektedir. Tane boyutu için alt limit ̴80 µm olarak bilinmektedir ve uranyumun materyal içinde uniform bir şekilde dağılmış olması gerekmektedir. Bu koşulun günümüzde LA-ICP-MS tekniği ile doğrudan belirlenebildiği bilinmektedir.

Volkanik cam ve zirkonlara uygulnan Fizyon İzleri Tarihlendirmesi yöntemi Kuvaterner silisik volkanizmasından etkilenen bölgede Kuvaterner olaylarını aydınlatmada çok önemli yöntemlerden birisidir. Fizyon izleri tarihlendirmesinde kesinlik, 40Ar /39Ar yöntemlerine göre daha düşüktür. Ancak potasyum açısından daha fakir kalk-alkali volkanikler ve yüksek derecede vitriktefra yataklarını tarihlendirmede oldukça faydalıdır. Ayrıca diğer tarihlendirme yöntemine göre basit bir teknolojisi vedüşük bir bakım giderleriyle daha ucuz bir yöntemdir.

Fizyon izleri tarihlendirmesinde en önemli problemlerden birisi doğal süreçlerle Fizyon izlerinin silinmesidir. Bu durum, ilgili örneğin ısınması sonucunda ya da iyonların doğal difizyonu sonucunda meydana gelebilmektedir. Isıl işlem ya da iyonların difizyonuyla izler giderek daralır ve kısalır ve sonuçta tamamen yok olurlar. Zirkon ve Titanit gibi kristalli yapılı mineraller ısıya karşı dayanıklı minerallerdir. Bu türlü minerallerde izler ısıl olaylardan çok fazla etkilenmezler ve dolayısıyla Fizyon izi tarihlendirmesinde tercih edilen örneklerdir. Apatit daha az duraylıdır, ancak camlarda duraylılık silika içeriğinin azalmasıyla azalır. Bazı tefralarda, Zirkon tanelerinin az ve ince taneli olması, ayrıca örselenmiş tanelerin varlığı yöntemin uygulanmasında sorunlar oluşturmaktadır. Dolayısıyla tefralarda volkanik cam kırıntılarının fazla oluşu tarihlendirmenin bu malzemelerden yapılmalarını sağlamaktadır.

Fizyon izleri yöntemi geniş bir zaman aralığında tarihlendirme yapabilmeyi sağlaması yönünden, ayrıca Kuvaterner tarihlendirilmelerinde en çok tercih edilen yöntemlerden birisidir. Örneğin eski tüflerden 1-2 milyon yıllık yaşlar elde edilebiliyorken, uranyum içeriği bakımından zengin olan 19.yy’ a ait yapay camlar gerçeğe yakın yaşlar verebilmektedir (Wagner, 1998). Ancak yüzyıllarla ifade edilen tarihlendirmelerde analitik kesinlik açısından problemli yaşlar edilebilmektedir (Walker, 2005). Kuvaterner çalışmalarında en başarılı sonuçlar tefralar ve obsidyen gibi diğer volkanik ürünlerden elde edilmektedir. Tefralarda zirkon ve volkanik camların Fizyon izi tarihlendirmesinde kullanımı, Doğu Afrika, Japonya,Kanada, ABD ve Yeni Zelanda’nın Pliyo-Pleyistosen stratigrafisi ve kronolojinin belirginleşmesinde önemli rol oynamıştır. Fizyon izi Tarihlendirmesi Buzul çökelleri ile ara tabakada volkanik küller kullanılarak buzul olaylarının tarihçesinin belirlenmesinde önemli sınırlamalar sağlanmıştır (Espizua ve Bigazi,1998;Colgan,1999;Espizua vd.2002). Fizyon izi tarihlendirmesi arkeoloji yönünden de çok önemlidir. Özellikle eski çağlarda çeşitli amaçlar için kullanılmış obsidyenlerden elde edilen tarihlendirmelerle obsidyenlerin kaynak alanları ve eski ticaret yollarının anlaşılması gibi konularda önemli bilgilere ulaşılabilmektedir. Bu bilgilere ulaşmanın bir yolu obsidyenlerden yapılacak jeokimya çalışmalarıdır,ancak fizyon izi tarihlendirmesiyle çok daha güçlü kanıtlara sahip olabildiği bilinmektedir. Örneğin Dorighell vd.(1998), Ekvator ve Kolombiyada yer alan arkeolojik alanlarda daha çok kesici alet olarak kullanıldığı tespit edilmiş obsidyenlerin büyük çoğunluğunun MÖ 500 ile MS 1500 yaşları arasında olduğunu belirtmişlerdir. Jeokimyasal analiz ve fizyon izleri tarihlendirmesine dayanarak 8 gruba ayrıldıkları obsidyenleri en gencinden 190 000 yıl, en yaşlısından ise 4.8 my yaşları elde etmişlerdir. Bu obsidyenlerin kaynak alanları ise Sierrade ve Guanami ve RioHonda obsidyenleri önerilmiştir.

Radyometrik tarihlendirme yöntemleri özellikle yer bilimleriyle ilgili tarihlendirilmelerde vazgeçilmez araçlardır. 40K/40Ar yönteminin dezavantajları ve hassayiyeti göz önünde alındığında aynı metaryallerin tarihlendirilebildiği ve daha hassas sonuçlar elde edebilen 40Ar/39 Ar tarihlendirme yöntemi tercih edilmeliir. Bununla birlikte tüm bu radyometrik tarihlendirme yöntemleri için olan,yanlış bir örnek alımı,numunelerin analize hazırlanması ve ölçüm süreçlerinde yapılabilecek bir hata çok yanlış sonuçlar elde edilmesine yol açacaktır. Elde edilen sonuçların, örneğin, saha çalışmalarından elde edilen bulgularla uyum içinde olmasına dikkat etmek gereklidir. Dolayısıyla, sahadan örneklenmenin yapılmasında analiz verilerinin değerlendirmesine kadar olan uzun süreçte titizlikle çalışması gerekmektedir.