Geochronologie

Einführung und Historisches

Die Geochronologie (gr. chronos - die Zeit) versucht eine zeitliche Abfolge von geologischen Ereignissen zu erstellen. Die Datierung von Gesteinen kann absolut oder relativ erfolgen. Eine erste Formulierung des Lagerungsgesetzes erfolgte 1669 durch Nicolaus Steno. Das Lagerungsgesetz besagt, dass unten liegende Schichten früher als weiter oben liegende Schichten abgelagert wurden. Das ermöglicht die Aufstellung einer relativen Schichtfolge. Voneinander getrennt an der Erdoberfläche ausstreichende Schichten können durch Leitfossilien miteinander korreliert werden (Stratigraphie).

Bis zu Anfang des 20. Jahrhunderts gab es keine direkten Methoden zur absoluten Altersbestimmung von Gesteinen. Schätzungen basierten auf Erosionsraten der Gebirge sowie Sedimentationsraten in Ozeanen, oder auf Beobachtungen von Lava bei Vulkanausbrüchen.

Mit der Entdeckung der Radioaktivität wurden verschiedene Messmethoden entwickelt. Die erste auf der Uran-Blei-Zerfallsreihe beruhende Altersbestimmung wurde 1913 von Arthur Holmes veröffentlicht und war seinerzeit sehr umstritten. Fritz Houtermans publizierte 1953, basierend auf von Clair Cameron Patterson durchgeführten Uran-Blei Isotopenmessungen an Meteoriten, das heute akzeptierte Erdalter von ca. 4,5 Milliarden Jahren. Heute werden unterschiedliche radioaktive Isotope sowie ihre Zerfallsprodukte benutzt, um das Alter von Gesteinen zu bestimmen. Das Alter eines Gesteins ist je nach Untersuchungsmethode unterschiedlich zu interpretieren. Bei magmatischen Gesteinen können sowohl das Alter der Kristallisation (der Platznahme in der Erdkruste) und je nach untersuchtem Mineral auch mehrere Abkühlalter bestimmt werden. Ebenso kann in metamorphen Gesteinen das Alter eines Metamorphoseevents festgestellt werden. In manchen Sedimenten bilden sich während der Ablagerung bestimmte Minerale (zum Beispiel Glaukonit in vielen marinen (Grün-)Sandsteinen), deren Entstehungsalter durch Messung radioaktiver Isotope bestimmt werden kann. Dieses Alter wird dann als Sedimentationsalter interpretiert.

Methoden

Uran-Blei-Methode

Die Uran-Blei-Methode nutzt 2 Zerfallreihen:

1. Zerfall des Radioisotops U-235 mit einer Halbwertzeit: 703,8 Mio. Jahre über verschiedene Tochterisotope zu stabilem Pb-207 (Uran-Actinium-Reihe)

2. Zerfall des Radioisotops U-238 mit einer Halbwertzeit: 4,468 Mrd. Jahre über verschiedene Tochterisotope zu stabilem Pb-206 (Uran-Radium-Reihe)

Das Alter uranhaltigen Minerale kann nun über das Verhältnis der Tochterisotope zum verbliebenen Anteil des Mutterisotops (hier: U) unter Kenntnis der Halbwertzeit des Mutterisotops bestimmt werden. Dabei muss ggf. der vor dem radioaktiven Zerfall bestehende Gehalt an den Bleiisotopen Pb-207 und Pb-206 berücksichtigt werden; dies geschieht durch die Messung des Gehalts an nicht durch radioaktiven Zerfall entstehendem, nur natürlich vorkommendem Pb-204: Die unveränderten Verhältnisse Pb-207/Pb-204 und Pb-206/Pb-204 sind aus der Messung von Meteoritenmaterial bekannt, daher kann aus dem Pb-204-Gehalt auch der ursprüngliche Gehalt an Pb-207 bzw. Pb-206 berechnet werden; dieser muss von dem gemessenen Gehalt abgezogen werden - der Rest ist dann durch radioaktiven Zerfall entstanden.

Ein großer Vorteil der Uran-Blei-Methode ist, dass man meist beide Zerfallsreihen benutzen und damit sein Ergebnis absichern kann. Wegen der hohen Halbwertszeiten ist die Methode am besten geeignet, Alter ab 1 Millionen Jahre zu bestimmen.

Thorium-Blei-Methode

Rubidium-Strontium-Methode

Kalium-Argon-Methode

Kalium-Argon-Datierung

Argon-Argon-Methode

Argon-Argon-Datierung

Radiokarbonmethode

Die im Zusammenhang mit der Altersbestimmung manchmal angeführte Radiokarbonmethode ist für geologische Zwecke nur dann geeignet, wenn Objekte datiert werden sollen, die weniger als ca. 50.000 Jahre alt sind. Damit ist sie auf Fragestellungen der Quartärgeologie begrenzt. Eine wichtige Anwendung der Radiokarbonmethode findet sich in der Archäologie.

Samarium-Neodym-Methode

Neodym-Strontium-Methode

Lutetium-Hafnium-Methode

Rhenium-Osmium-Methode

Al-Be-Methode

Die Alterbestimmung über Al-26 und Be-10 im Mineral Quarz basiert auf dem (bekannten) Verhältnis von Al-26 und Be-10, die beide durch kosmische Strahlung (Neutronenspallation, Muoneinfang) an der Oberfläche von Steinen/Mineralen entstehen. Das Verhältnis ist abhängig u.a von der Höhenlage, der geomagnetischen Breite, der Strahlungsgeometrie und einer möglichen Schwächung der Strahlung durch "Abschirmungen". Die spezifischen Strahlungsbedingungen und damit das Verhältnis von Al-26 zu Be-10 müssen vor der Alterbestimmung festgelegt bzw. abgeschätzt werden können.

Wird das infrage kommende Material dann vor der kosmischen Strahlung geschützt (z.B. durch Einlagern in eine Höhle), so nimmt der Anteil der beiden Radionuklide durch radioaktiven Zerfall ab. Allerdings unterschiedliche schnell, so dass sich aus dem Verhältnis dieser Radionuklide zum Zeitpunkt der Untersuchung und dem angenommenen (bekannten) "Gleichgewichtsverhältnis" unter Bestrahlung unter Kenntnis der jeweiligen Halbwertzeiten (siehe Nuklidkarte) das Alter abschätzen lässt.

Diese Methode wurde auch zur Bestimmung des Alters von Hominidenknochen ("Steinzeitmenschen") genutzt. Allerdings können die Knochen nicht direkt untersucht werden, sondern die sie umgebenden Sedimente, die Quarz enthalten.

Literatur

Brookins, D.: Geochemical Aspects of Radioactive Waste Disposal; Springer-Verlag, New York Inc.; 1984; ISBN 354090916-8
Faure, G.: Priciples of Isoptope Geology; John Wiley & Sons; 1986; ISBN 0471864129
Geyh, M., A.: Handbuch der physikalischen und chemischen Altersbestimmung; Wissenschaftliche Buchgesellschaft; 2005; ISBN 3534179595

siehe auch

Geologische Zeitskala, Historische Geologie, Eventstratigraphie, Warvenchronologie, Dendrochronologie

Weblinks

Video

Aus der Fernsehsendung Alpha Centauri:

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