Verfahren zur Altersbestimmung - geographie.

Verfahren zur Altersbestimmung - geographie. 1 EINLEITUNG Verfahren zur Altersbestimmung, geowissenschaftliche Methoden zur Bestimmung des Alters von Gesteinen, Mineralien und Fossilien, davon abgeleitet auch von erdgeschichtlichen Ereignissen wie Vulkanausbrüchen, Gebirgsbildungen oder dem Aussterben von Tierarten. Mit einigen Methoden können auch in der Archäologie, Anthropologie und Geschichtsforschung biogene und künstliche Stoffe datiert werden. Aus den Verfahren zur Altersbestimmung ergibt sich die genaue Chronologie von etwa 4,6 Milliarden Jahren Erdgeschichte (siehe geologische Zeitrechnung). 2 ENTWICKLUNG Mit den im 19. Jahrhundert verfügbaren Methoden konnte die Geologie nur eine relative Zeitskala aufstellen und das tatsächliche Alter der Erde und die Dauer der Zeiteinheiten daher nur schätzen. Eine Berechnung z. B. Lord Kelvins von 1862 ergab ein Erdalter von 20 bis 40 Millionen Jahren. Nach der Entdeckung der Radioaktivität wurden radiometrische Methoden zur Altersbestimmung entwickelt, die eine absolute geologische Zeiteinteilung erlaubten. Bereits 1669 formulierte der dänische Naturforscher Nicolaus Steno das Grundgesetz der Stratigraphie: Bei ungestörten Schichtfolgen liegen jüngere Schichten auf älteren. Eine weitere Regel besagt, dass sich das Leben auf der Erde ,,einsinnig" entwickelt hat, sich also Formen nicht wiederholen. Auf der Grundlage dieser Prinzipien war es möglich, die Abfolge der Fossilien und Schichten aufzuzeichnen, in Profilen zusammenzustellen und miteinander zu vergleichen. Daraus ergab sich die weltweit gültige Einteilung der Erdgeschichte in die vier Zeitalter Präkambrium, Paläozoikum, Mesozoikum und Känozoikum sowie die weitere Untergliederung in Systeme oder Perioden, z. B. des Mesozoikums in Trias, Jura und Kreide, und schließlich in feinere - dann aber nur noch regional gültige - stratigraphische Einheiten. 3 ABSOLUTE ALTERSBESTIMMUNGSMETHODEN Absolute Altersbestimmungsmethoden auf der Grundlage periodischer geologischer oder biologischer Vorgänge sind nur für die jüngste geologische Vergangenheit brauchbar. 3.1 Dendrochronologie Die Dendrochronologie bestimmt das Alter anhand der Jahresringe langlebiger Bäume. Die Breite eines Jahresringes hängt von den Witterungsverhältnissen im jeweiligen Jahr ab. Für aufeinander folgende Jahre ergibt sich bei allen Bäumen einer Region eine charakteristische Abfolge (Sequenz). Da sich die Sequenzen von Bäumen verschiedenen Alters überlappen, lässt sich eine durchgehende Chronologie aufstellen, die etwa bis in das Jahr 12400 v. Chr. zurückreicht. 3.2 Warvenanalyse Eine der ältesten Methoden zur absoluten Altersbestimmung, die Warvenanalyse, wurde von schwedischen Wissenschaftlern zu Beginn des 20. Jahrhunderts entwickelt. Eine Warve ist eine Sedimentschicht, die sich innerhalb eines Jahres in einem stehenden Gewässer abgesetzt hat. Um das Alter der eiszeitlichen (glazialen) Ablagerungen aus dem Pleistozän zu bestimmen, wurden Warven gezählt und miteinander verglichen. 3.3 Altersbestimmung durch Thermolumineszenz Die Altersbestimmung durch Thermolumineszenz beruht darauf, dass in einem Kristallgitter durch radioaktive Strahlung freie Elektronen dauerhaft angeregt werden. Erhitzt man diese Kristalle im Labor über eine Temperatur von 300 bis 500 °C, kehren die Elektronen in ihren Ausgangszustand zurück; dabei wird Licht ausgesendet. Dieses physikalische Phänomen nennt man Thermolumineszenz. Aus der Temperatur, dem Spektrum, der Lichtintensität und anderen Parametern lässt sich das Alter der Probe ermitteln. Diese Methode eignet sich für Quarz- und Feldspatkristalle und wird besonders in der Archäologie bei der Altersbestimmung von Keramikfunden angewandt. Mit ihr kann ein Alter von wenigen Jahren bis ungefähr 150 000 Jahren bestimmt werden. 3.4 Radiometrische Altersbestimmung Die Entdeckung der Radioaktivität (1895) durch Antoine Henri Becquerel machte die radiometrische Altersbestimmung möglich. 3.4.1 Grundlagen Die Atome radioaktiver Isotope, beispielsweise der Elemente Uran (U) und Thorium (Th), zerfallen gesetzmäßig in so genannten Zerfallsreihen zu nichtradioaktiven Isotopen. Von den rund 500 natürlich vorkommenden Isotopen oder Nukliden sind mehr als 70 radioaktiv. Isotope sind Atome eines Elements, die sich durch die Zahl ihrer Neutronen im Kern und damit in ihrer Atommasse unterscheiden, aber die gleichen chemischen Eigenschaften besitzen. Der radioaktive Zerfall wird von Teilchenemission (Alpha- und Betateilchen) oder Strahlung (Gammastrahlen) aus dem Atomkern begleitet. Einige Isotope (,,Mutterisotope") zerfallen in einem Schritt zu einem stabilen Endprodukt, beispielsweise Kohlenstoff 14 zu Stickstoff 14. Bei anderen vollzieht sich der Zerfall bis zur Bildung eines stabilen Isotops in mehreren Schritten, also über mehrere ,,Tochterisotope". Mehrstufige radioaktive Zerfallsreihen gibt es z. B. bei Uran 235, Uran 238 und Thorium 232. Radioaktive Isotope zerfallen mit nahezu konstanter Geschwindigkeit, d. h., in einer bestimmten Zeit zerfällt ein bestimmter Teil des Mutterisotops. Die Zeit, in der die Hälfte der Ausgangsmenge zerfällt, wird Halbwertszeit genannt; das können Mikrosekunden oder auch einige Milliarden Jahre sein. Jedes radioaktive Element hat eine bestimmte Halbwertszeit, die von Kohlenstoff 14 beträgt beispielsweise 5 730 Jahre, die von Uran 238 4,5 Milliarden Jahre. Nur zehn radioaktive Isotope besitzen Halbwertszeiten im Rahmen der Erdgeschichte und kommen daher für die radiometrische Altersbestimmung von Gesteinen in Frage. Dabei wird das Mengenverhältnis von Mutter- und Tochterisotop festgestellt und daraus das Alter der Probe berechnet. 3.4.2 Kalium-Argon-Methode Die Kalium-Argon-Methode beruht auf dem Zerfall von radioaktivem Kalium 40 zu Argon 40 (die Halbwertszeit von 40K beträgt etwa 1,27 Milliarden Jahre). Mit ihr kann das Alter von Gesteinen in einem Zeitraum von 50 000 bis 4,6 Milliarden Jahren bestimmt werden. Kalium 40 kommt vor allem in gesteinsbildenden Mineralien wie Glimmern, Feldspäten und Hornblenden vor. Die Methode eignet sich für Magmatite, Metamorphite und Sedimentite, außerdem für Steinmeteoriten und für Mondgestein. Das Messergebnis kann verfälscht werden, wenn das Edelgas Argon aus dem Kristallgitter entweicht. Diese Gefahr besteht bei sehr alten Gesteinen sowie bei solchen, die nach ihrer Entstehung höherem Druck oder höherer Temperatur ausgesetzt waren. Eine feinere Methode ist die Argon-Argon-Methode. Sie ist auch für Proben im Alter von wenigen hundert bis wenigen tausend Jahren geeignet. 3.4.3 Rubidium-Strontium-Methode Die sehr genaue und zuverlässige Rubidium-Strontium-Methode basiert auf dem Zerfall von Rubidium 87 zu Strontium 87. Aufgrund der extrem langen Halbwertszeit von Rubidium 87 (47,5 Milliarden Jahre) eignet sie sich nur für Gesteine, vor allem Magmatite und Metamorphite, daneben auch für Sedimentite sowie Meteoriten und Mondgesteine, die zwischen zehn und hundert Millionen Jahre alt sind. 3.4.4 Thorium-Uran-Methode Die Thorium-Uran-Methode dient vor allem der Datierung von Meeressedimenten, insbesondere riffbildenden Korallen, Oolithen und Manganknollen. Im Meerwasser zerfällt Uran 234 (Halbwertszeit: 245 500 Jahre) zu Thorium 230, das sich in die Sedimente auf dem Meeresgrund einlagert. Thorium 230 ist ein Glied in der Zerfallsreihe von Uran 238 und besitzt eine Halbwertszeit von 75 380 Jahren. Mit dieser zuverlässigen Standardmethode kann ein Alter von 1 000 bis 500 000 Jahren bestimmt werden. 3.4.5 Uran-Blei- und Thorium-Blei-Methoden Die Uran-Blei- und Thorium-Blei-Methoden beruhen auf drei Zerfallsreihen, die stufenweise über mehrere instabile Zwischenisotope zu stabilen Isotopen führen: (1) Uran 238 zu Blei 206 (Halbwertszeit 238U: 4,5 Milliarden Jahre); (2) Uran 235 zu Blei 207 (Halbwertszeit 235U: 0,7 Milliarden Jahre); (3) Thorium 232 zu Blei 208 (Halbwertszeit 232Th: 14,0 Milliarden Jahre). Da die drei Mutterisotope meist gemeinsam in einem Gestein vorkommen, lassen sich für eine Probe gleich drei Werte bestimmen. Deren Vergleich führt zu verlässlichen Ergebnissen. Für diese Methoden eignet sich besonders das in Magmatiten und Metamorphiten vorkommende Mineral Zirkon, das darüber hinaus durch Verwitterung und Sedimentation in Sedimentite gelangt. Auch sehr alte Mondgesteine wurden mit dieser Methode datiert. Das bestimmbare Alter reicht von einer Million bis zu 4,6 Milliarden Jahren; auch für präkambrische Gesteine werden sehr genaue Ergebnisse geliefert. Bei der Spaltspurenmethode werden zusätzlich lichtmikroskopisch Strahlenschäden im Kristallgitter analysiert. 3.4.6 Kohlenstoff-14-Methode (Radio-Kohlenstoff- oder Radiokarbonmethode) Die Altersbestimmungsmethode mit radioaktivem Kohlenstoff entwickelten der amerikanische Chemiker Willard Frank Libby und seine Mitarbeiter ab 1947. Sie beruht auf dem Zerfall von Kohlenstoff 14 zu Stickstoff 14; die Halbwertszeit für Kohlenstoff 14 beträgt 5 730 ± 40 Jahre. Das bestimmbare Alter reicht von ungefähr 300 bis zu 50 000 Jahren, durch Kohlenstoff-14-Anreicherung bis zu etwa 70 000 Jahren. Besonders geeignete Proben sind biogene Stoffe wie Holz, Knochen und Geweih; auch Sedimentite lassen sich hiermit datieren. Die Kohlenstoff-14-Methode liefert grundlegende Daten zur Menschheitsgeschichte und ist nicht mehr aus Archäologie, Anthropologie, Ozeanographie und Bodenkunde wegzudenken. Pflanzen nehmen sowohl das stabile Kohlenstoff-12-Isotop als auch das instabile Kohlenstoff-14-Isotop durch Photosynthese aus der Atmosphäre auf und bauen es in ihre Zellen ein. In den Körper von Tieren und Menschen gelangt es über die Nahrungskette. Das Mengenverhältnis beider Isotope ist in der Atmosphäre und infolge des ständigen Stoffwechsels auch in den Organismen konstant. Stirbt der Organismus, kommt der Stoffwechsel zum Erliegen, und es wird kein Kohlenstoff mehr aufgenommen. Der Anteil des stabilen Isotops bleibt erhalten, der des zerfallenden Kohlenstoffs 14 aber nimmt kontinuierlich ab. Aus dem Verhältnis beider Isotope lässt sich also der Zeitpunkt bestimmen, an dem der Organismus starb. Diese Art der Altersbestimmung setzt ein mindestens über die letzten 70 000 Jahre konstantes Mengenverhältnis beider Kohlenstoffisotope voraus. Tatsächlich aber schwankte es in diesem Zeitraum geringfügig. Um den Fehler auszugleichen, verglich man mit Hilfe der Dendrochronologie (siehe oben) das Alter von Hölzern mit dem entsprechenden Kohlenstoff-14-Alter und korrigierte die Werte, die in der Archäologie dann kalibrierte Daten genannt werden. Kalibrierte und unkalibrierte Daten können erheblich voneinander abweichen. Aufgrund der Radioaktivität, die erst in jüngerer Zeit in die Atmosphäre gelangte, wird allen Kohlenstoff-14-Datierungen das in der Atmosphäre gemessene Isotopenverhältnis von 1950 zugrunde gelegt. Das größte Problem bei der Kohlenstoff-14-Methode ist die Verunreinigung nach der Ablagerung durch einsickerndes Grundwasser, durch Einlagerung von älterem oder jüngerem Kohlenstoff und durch Kontamination bei der Probennahme oder im Labor. 3.5 Weitere Methoden Die Altersbestimmung ist heute ein eigener Forschungszweig der Geologie und der Archäologie. Mittlerweile gibt es rund 60 Methoden, die ständig verfeinert werden. Zu den chronostratigraphischen Methoden gehört z. B. die paläomagnetische Datierung. Sie beruht auf der sich wiederholt umkehrenden Polarität des Erdmagnetfeldes (siehe Magnetpole der Erde). Eine andere Methode untersucht die Isotopenverhältnisse von Sauerstoff 16 und 18 sowie von Wasserstoff 1 (Protium) und Wasserstoff 2 (Deuterium) im Gletscher- und Inlandeis sowie in periglazialen Eiskeilen. Hiermit lässt sich die Temperatur in der Atmosphäre zur Zeit der Schnee- bzw. Eisbildung bestimmen. Die Ergebnisse sind für die Klimaforschung sehr wichtig. Eine Methode der chemischen Altersbestimmung ist die Obsidian-Hydratationsmethode. Mit ihr lassen sich archäologische Fundstücke, in der Regel Werkzeuge und Waffen, aus Obsidian datieren. Bearbeitet von: Wolfgang Blümel Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Alle Rechte vorbehalten.