Laboratorium Uranowo-Torowe

Kierownik:  dr hab. Michał Gąsiorowski

Instytut Nauk Geologicznych PAN

Ośrodek Badawczy w Warszawie

ul. Twarda 51/55, 00-818 Warszawa

tel. (48) 22 6978-742

e-mail: mgasior@twarda.pan.pl 


Rys historyczny

Początki Laboratorium Uranowo-Torowego (U-series Laboratory) w ING PAN sięgają 1996 roku. Wtedy to dr H. Hercman uzyskała grant finansowany ze środków Komitetu Badań Naukowych, w ramach którego zakupiła ośmiokomorowy spektrometr cząstek alfa firmy Ortec. Spektrometr dedykowany był pierwotnie do pomiarów aktywności uranu i toru w próbkach wtórnych węglanów (głównie nacieków jaskiniowych). Na tej podstawie obliczany był wiek badanych próbek. Ze względu na zasięg czasowy tej metody datowania (do około 350 tys. lat) Laboratorium ściśle współpracowało z Zakładem Badań Czwartorzędu. Od samego początku w Laboratorium na stanowisku technicznym pracowała także mgr A. Mulczyk. Laboratorium było pierwszym w Polsce rutynowo działającycm laboratorium datowania metodą uranowo-torową a w krótkim czasie stało się wiodącym w Europie Środkowej ośrodkiem datowania tą metodą nacieków jaskiniowych. Było to potwierdzone licznymi zleceniami zewnętrznymi i współpracą z innymi ośrodkami m.in. z Czech, Słowacji, Rumunii, Ukrainy, Norwegii, Wielkiej Brytanii i Kanady. Laboratorium, poza standardowymi datowaniami nacieków jaskiniowych podejmowało się także analizowania bardziej specyficznych materiałów, w tym gipsów, soli kamiennych i nacieków krzemionkowych. W 2002 roku w prace Laboratorium włączył się mgr M. Gąsiorowski, który wraz z dr H. Hercman wdrożył metodę datowania osadów jeziornych i torfów przy wykorzystaniu ołowiu 210Pb. W trakcie kolejnych lat w Laboratorium obok standardowych analiz prowadzone były prace metodyczne, których pokłosiem było m.in. opracowanie autorskiej metody datowania kości kopalnych metodą uranowo-torową, stworzenie modelu 3-składnikowego, jako punktu wyjścia do opracowania metodyki datowania tzw. "brudnych kalcytów", opracowanie metodyki pomiarów aktywności wybranych aktynowców w próbkach wody czy szeroko rozumiane prace nad konstrukcją modeli wiek-głębokość i korelacją numeryczną zapisów izotopowych. W roku 2010 nastąpiło połączenie Laboratorium z Laboratorium Izotopów Stabilnych i utworzenie dużego Laboratorium Datowania Izotopowego i Badań Środowiska. Pomimo tego połączenia, część w której wykorzystywano metody radioizotopowe zachowała dużą autonomię. W latach 2010-2012, w ramach dotacji MNiSW i programu ATLAB, dokonano silnego "dosprzętowienia" Laboratorium. Zakupiono m.in. dwa dodatkowe spektrometry cząstek alfa, ciekłoscyntylacyjny spektrometr cząstek alfa/beta oraz spektrometr cząstek gamma. Zaowocowało to poszerzeniem wachlarza metod stosowanych w Laboratorium a to z kolei przełożyło się na publikacje naukowe wykorzystujące m.in. wyniki pomiarów aktywności trytu w próbkach wody i pomiarów aktywności radioizotopów w osadach jeziornych. Prace prowadzone w laboratorium były podstawą lub stanowiły istotny element wielu rozpraw magisterskich, doktorskich i habilitacyjnych. Od 2014 roku, przy współpracy z Uniwersytetem w Bergen oraz Instytutem Geologicznym Czeskiej Akademii Nauk, wdrożono metodykę preparatyki i pomiaru zawartości uranu i toru z wykorzystaniem spektrometrii mas. 
Obecnie po wydzieleniu Laboratorium jako ponownie niezależnej jednostki organizacyjnej, staje ono przed nowymi wyzwaniami, z których najważniejsze zostaną omówione poniżej.

Filozofia działania

Laboratorium Uranowo-Torowe ING PAN działa na zasadach zespołu badawczego. Oznacza to, że priorytetem działania Laboratorium są prace metodyczne i aplikacyjne mające znamiona badań podstawowych. Wynika z tego m.in. struktura zatrudnienia oparta na pracownikach naukowych oraz pierwszeństwo wykonywania prac statutowych nad zleceniami komercyjnymi. Finansowanie badań prowadzonych w Laboratorium odbywa się przy możliwie dużym udziale środków zewnętrznych. Oznacza to, że członkowie zespołu badawczego Laboratorium zobowiązują się do ciągłego poszukiwania możliwości finansowania badań z różnych projektów badawczych - przyjęliśmy zasadę, że każdy pracownik naukowy ma obowiązek brać udział w projekcie badawczym lub składać aplikację na finansowanie takiego projektu. Z obowiązku tego nie zwalnia kierowanie zadaniem statutowym. Choć takie podejście do poszukiwania środków na finansowanie badań może wydawać się restrykcyjne, jest wymuszone "rzeczywistością finansową" w jakiej musi działać Laboratorium i dotychczas sprawdziło się praktycznie. Aktualnie zespół realizuje dwa projekty NCN. Kolejne dwa projekty są w trakcie oceny.

Pracownicy

Podejmowane przez Laboratorium prace metodyczne i aplikacyjne skupiają się głównie wokół zainteresowań naukowych członków naszego zespołu badawczego, których obowiązkiem jest pozyskiwanie funduszy na te badania. Trzon kadry Laboratorium stanowią zatem pracownicy naukowi:

  1. dr hab. Helena Hercman, prof. nadzw., (geolog; specjalista zakresu badań krasu, radiochemii, spektrometrii oraz modelowania i analizy danych)
  2. dr hab. Michał Gąsiorowski, prof. nadzw., (geolog; specjalista z zakresu paleolimnologii, paleoklimatologii i paleoekologii; w badaniach wykorzystuje szeroki wachlarz metod izotopowych)
  3. dr Jacek Pawlak, adiunkt, (geolog; specjalista z zakresu modelowania i analizy danych)
  4. mgr Marcin Błaszczyk, asystent, (geolog; specjalista z zakresu radiochemii oraz analizy mikrofacjalnej skał węglanowych)
  5. mgr Anna Mulczyk, starszy ekspert ds. technicznych, (chemik, wysokiej klasy radiochemik z wieloletnim doświadczeniem; doskonale orientuje się w większości procedur i metod radiochemicznych stosowanych obecnie w Laboratorium)

W najbliższym czasie celowym byłoby zatrudnienie dalszych dwóch osób - absolwentów kierunków związanych z naukami o Ziemi - na stanowiska naukowe. Pracownicy ci byliby oddelegowani do pracy przy wdrażaniu nowych metod spektrometrycznych. Zatrudnienie ich na stanowiska naukowe i zobowiązanie uzyskania w możliwie krótkim czasie stopni naukowych, daje gwarancję na relatywnie wysoką wydajność publikacyjną tych pracowników.

Aktualnie podejmowane problemy badawcze

1. Rekonstrukcja warunków paleośrodowiskowych w oparciu o badania nacieków jaskiniowych

Jest to podstawowy kierunek prac prowadzonych aktualnie przez zespół. Od około 5 lat nasze prace skupiały się na badaniach nacieków holoceńskich w przekroju N-S przez Europę. Od około roku zakres badań został rozszerzony na czas vistulianu, eemu  okresu MIS 6. 

2 .Analiza danych

Wykorzystanie wyników badań izotopowych wymaga stosowania zaawansowanych technik analizy danych. Prowadzone przez zespół prace wymagały, i zapewne będą wymagać w przyszłości, wdrażania oraz rozwijania technik budowy modeli wiek-głębokość, zastosowania nieparametrycznych metod do korelacji zapisów paleoklimatycznych (algorytmy genetyczne), zastosowania stratygrafii tlenowej (OIS) do określania chronologii nacieków o wieku wykraczającym poza zasięg metody U-Th czy zastosowania metod bayesowskich w stratygrafii strontowej (SIS). 

3. Modelowanie

Jednym z istotnych zagadnień w naszych badaniach jest problem datowania tzw. "brudnych kalcytów" ze szczególnym uwzględnieniem osadów homogenicznych. Po serii badań eksperymentalnych zaproponowany został model trójskładnikowy opisujący procesy akumulacji i migracji U i Th w trakcie datowania "brudnych kalcytów" metodą izochron. Rozpoczęto modelowanie procesów z zastosowaniem techniki modelowania molekularnego w celu identyfikacji wiązań odpowiedzialnych za Fazy U i Th w modelu trójskładnikowym. 

4. Rozwój stosowanych metod datowania

Istotnym kierunkiem prac badawczych zespołu jest wdrażanie nowych technik analitycznych oraz rozwój stosowanych metod datowania. Przykładem może być problem datowanie kości kopalnych. Opracowano zestaw oprogramowania umożliwiający zastosowanie modeli LU i EU do analizy uzyskiwanych wyników. Przeprowadzono testy nowej, autorskiej metody datowania bezpośredniego kości. Metoda polega na datowaniu kolagenu jako fazy spełniającej kryteria układu zamkniętego dla migracji U. Do chwili obecnej jesteśmy jedynym w skali światowej zespołem wykonującym tego typu analizy. Wdrożono także procedury datowania zębów drobnych ssaków. Wykonane badania zębów drobnych ssaków z osadów Jaskini w Biśniku były jednym z pierwszych takich opracowań szczegółowych. 

5. Badania procesów frakcjonowania izotopowego węgla w trakcie spalania drewna

Szczegółowe badania eksperymentalne procesów spalania różnych gatunków drewna pozwoliły na ocenę procesów frakcjonowania izotopowego węgla, w tym węgla 14C. Uzyskane wyniki są istotne z punktu widzenia datowania produktów spalania drewna metodą radiowęglową oraz badań paleoklimatycznych wykorzystujących węgle drzewne. 

6. Zastosowanie "metryk izotopowych" w badaniach procesów naturalnych

Badania obejmują zastosowanie wskaźników izotopowych do rekonstrukcji dróg krążenia wód w systemach krasowych, obiegu izotopów węgla w środowisku jaskiniowym oraz wieku i pochodzeniu wód krasowych.

Szczegółowy plan pracy na rok 2017 - ocena stanu Laboratorium i uruchomienie standardowych procedur

1. Przegląd i ocena stanu Laboratorium

  • Przegląd wykorzystania pomieszczeń laboratoryjnych i ewentualne przeniesienie sprzętu
  • Przegląd i konserwacja systemu wentylacji/klimatyzacji
  • Konserwacja sprzętu pomocniczego (łaźnia wodna, mieszadła magnetyczne, wirówka itp.)

2. Spektrometria alfa

  • Sprawdzenie kompletności sprzętu i możliwości uruchomienia istniejących (trzech) spektrometrów
  • Przegląd pomp
  • Czyszczenie komór pomiarowych i detektorów
  • Kalibracja geometryczna
  • Kalibracja wydajnościowa detektorów germanowych
  • Pomiar dysków wzorcowych
  • Re-kalibracja wzorca izotopowego Po
  • Weryfikacja procedur radiochemicznego wydzielania polonu i depozycji na dyskach
  • Pomiary testowe blanków i próbek o znanej aktywności
  • Opracowanie oprogramowania do analizy widma, przeliczania aktywności i modelowania wieku próbek
  • Uruchomienie standardowych pomiarów aktywności 210Po

Do realizacji niezbędne:

  • Zakup dysków srebrnych do elektrodepozycji polonu
  • Zakup wzorca izotopowego 208Po/209Po

3. Spektrometria gamma - pomiar aktywności 210Pb i 137Cs

  • Naprawa detektora i kołnierza w zbiorniku ciekłego azotu
  • Czyszczenie osłon ołowiowych
  • Dostosowanie wielkości naczyniek pomiarowych do powierzchni czynnej detektora celem maksymalizacji wydajności układu pomiarowego
  • Pomiary testowe próbek o wzorcowych
  • Weryfikacja i spisanie procedur preparatyki i pomiaru próbek
  • Pomiar dysków wzorcowych
  • Uruchomienie standardowych pomiarów aktywności 210Pb i 137Cs

Do realizacji niezbędne:

  • Wysłanie detektora do serwisu w Wiedniu
  • Naprawa kołnierza w serwisie w Warszawie
  • Wypożyczenie lub zakup wzorców kalibracyjnych

4. Ciekłoscyntylacyjna spektrometria beta/alfa - pomiary aktywności 3H

  • Przeniesienie wyparek pod instalację wyciągową
  • Przegląd i ew. naprawa zasilaczy do elektrolizy próbek wody
  • Rekalibracja spektrometru Quantulus 1220 do pomiarów 3H
  • Weryfikacja procedur obliczeniowych
  • Opracowanie oprogramowania obliczeniowego

Do realizacji niezbędne:

  • Zakup wody trytowej

5. Ciekłoscyntylacyjna spektrometria beta/alfa - preparatyka próbek organicznych do pomiarów 3H i 14C (Oxidizer)

  • Przegląd, konserwacja i uruchomienie zestawu Oxidizer
  • Budowa wyciągu odprowadzającego opary
  • Uruchomienie preparatyki próbek organicznych
  • Wykonanie krzywych tłumienia
  • Re-kalibracja spektrometru Quantulus 1220 do pomiarów 14C i 3H
  • Pomiary prób standardowych i testy
  • Weryfikacja procedur obliczeniowych
  • Opracowanie oprogramowania obliczeniowego

Do realizacji niezbędne:

  • Budowa wyciągu - w trakcie preparatyki i spalania próbek generowane są niebezpieczne opary. Wymiary urządzenia uniemożliwiają wykorzystanie standardowego dygestorium
  • Wstępne uruchomienie urządzenia wymaga 1 dnia pracy autoryzowanego serwisu

6. Wydzielanie kolagenu z próbek kości i zębów kopalnych

  • Weryfikacja i modyfikacja procedury ucierania próbek kości
  • Testowanie wariantów procedury oczyszczania kolagenu
  • Weryfikacja składu chemicznego produktów wydzielania

7. Analizator elementarny CHNS

  • Przygotowanie i pomiary standardów wewnętrznych o różnym składzie pierwiastkowym
  • Analiza statystyczna dotychczasowych pomiarów standardów wewnętrznych
  • Wyznaczenie rzeczywistej niepewności pomiarów

8. Mineralizator mikrofalowy Magnum

  • Wdrożenie procedur całkowitego roztwarzania próbek do analizy uranowo-torowej z wykorzystaniem promieniowania mikrofalowego

 9. Pomiary polowe tła promieniowania gamma

  • Kalibracja sondy gamma

10. Radiochemia próbek węglanowych dla datowania metodą uranowo-torowa z wykorzystaniem ICP-MS

  • Prace rutynowo wykonywane od kilku lat. 
    Aktualnie uruchamiana jest praca w nowych pomieszczeniach (lab. 207).

Metody przewidziane do opracowania i wdrożenia w kolejnych latach

  1. Opracowanie metody radiochemicznego wydzielania i pomiaru plutonu z próbek naturalnych
  2. Opracowanie metody pomiarów izotopów strontu w kościach kręgowców z wykorzystaniem spektrometrii beta
  3. Opracowanie metodyki spektrometrycznych oznaczeń aktywności radu w próbkach wody z obszarów objętych eksploatacją węgli kamiennych i brunatnych
  4. Pomiary całkowitej aktywności gamma w próbkach środowiskowych
  5. Pomiary całkowitej aktywności alfa i beta próbek środowiskowych z wykorzystaniem spektrometrii ciekłoscyntylacyjnej