Methoden zur Altersbestimmung

Es gibt mehrere Metho­den, das Alter von Gegenstän­den wie Arte­fak­ten (also künst­lich herges­tell­ten Dingen), mine­ra­li­schen oder orga­ni­schen Abla­ge­run­gen oder Verstei­ne­run­gen zu bestim­men. Man unter­teilt sie prin­zi­piell in rela­tive und abso­lute Alters­bes­tim­mun­gen. Bei jeder Alters­bes­tim­mung werden die Ergeb­nisse durch andere Metho­den veri­fi­ziert, um Widers­prüche aufzu­de­cken und somit Fehler auszuschließen.

Stra­ti­gra­fie

Diese Methode beruht auf dem Gesetz der Stra­ti­gra­fie. Das ist die Lehre von Schich­tab­folge und ‑zusam­men­hang in der Archäo­lo­gie oder Paläon­to­lo­gie. Sie folgt dem Prin­zip, dass eine Abfolge von Sedi­ment­schich­ten von unten nach oben jünger wird, sofern diese nicht durch tekto­nische Prozesse oder vulka­nische Erei­gnisse gestört wurden. Die Stra­ti­gra­fie dient vorran­gig der rela­ti­ven Alters­bes­tim­mung, ist mittler­weile aller­dings auch zumin­dest grob zur abso­lu­ten Alters­bes­tim­mung geei­gnet, da die meis­ten geolo­gi­schen Schich­ten inzwi­schen sehr zuverläs­sig unter­sucht und ihre Zeit­dauer und Abfolge gut bestimmt sind. Lässt sich also ein Objekt einer bekann­ten geolo­gi­schen Schicht zuord­nen, dann liegt auch sein Alter in den Alters­gren­zen der Schicht.

Deut­liche Schich­tung infolge vulka­ni­scher Erup­tio­nen auf Madeira. (Quelle : GerritR auf https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Geschichtete_Tephra_zwischen_Pico_do_Areeiro_und_Pico_Ruivo,_Madeira.jpg)

Dendro­chro­no­lo­gie

Das Prin­zip dieser Alters­bes­tim­mung basiert auf einer charak­te­ris­ti­schen Abfolge von Jahres­rin­gen im Holz, die durch unter­schied­liche meteo­ro­lo­gische Bedin­gun­gen in aufei­nan­der folgen­den Jahren ents­tan­den. Die dadurch ents­tan­de­nen dendrochrono­logischen Kalen­der reichen mittler­weile 12500 Jahre in die Vergan­gen­heit zurück.

Über die Alters­bes­tim­mung von Holz­bal­ken, Baum­stümp­fen oder ähnli­chen bear­bei­te­ten Holz­frag­men­ten, die im Zusam­men­hang mit Arte­fak­ten gefun­den werden, kann deren Alter abso­lut mit großer zeit­li­cher Auflö­sung bestimmt werden.

Dendro­chro­no­lo­gische Balken­probe aus dem Rathaus von Göden­roth (Eichen­holz). (Quelle : Stefan Kühn, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Dendrochronologie.jpg. Lizenz : GFDL) 

Radio­me­trische Altersbestimmungen

Eine weitere abso­lute Methode zur Alters­bes­tim­mung sind radio­me­trische Datie­run­gen, die alle einem gemein­sa­men Prin­zip folgen.

Prinzip der radiometrischen Altersbestimmung

Jede Substanz besteht aus Atomen chemi­scher Elemente. Jedes Element wiede­rum ist durch seine Ordnung­szahl gekenn­zeich­net. Diese ents­pricht der Anzahl an Proto­nen im Kern der Atome. Der Atom­kern besteht aus Proto­nen und Neutro­nen. Chemische Elemente mit unter­schied­li­cher Anzahl von Neutro­nen nennt man Isotope. Von der Anzahl der Neutro­nen im Atom­kern hängt es ab, ob ein Isotop stabil oder radio­ak­tiv ist. Stabi­ler Kohlens­toff z. B. kann sowohl 6 Proto­nen und 6 Neutro­nen haben (12C), aber auch eine Zusam­men­set­zung aus 6 Proto­nen und 7 Neutro­nen (13C) ist stabil. Das am häufig­sten in der Natur vorkom­mende Kohlens­tof­fi­so­top ist 12C mit einer Häufig­keit von 98,9%. Die Gesamt­zahl von Proto­nen und Neutro­nen in einem Atom­kern ents­pricht der Massen­zahl des jewei­li­gen Isotops. Kohlens­tof­fi­so­tope mit weni­ger als 6 Neutro­nen (10C, 11C) und solche mit mehr als 7 Neutro­nen (14C, 15C) sind radio­ak­tiv und zerfal­len mit einer für das Isotop spezi­fi­schen Halb­werts­zeit (s. u.) in ein anderes Element. Beispiele : β+-Zerfall : 11C → 11B und β--Zerfall : 14C → 14N.

Das radio­ak­tive Isotop 14C spielt in der Alters­bes­tim­mung orga­ni­scher Substan­zen eine wich­tige Rolle (s. u.). Radio­ak­tive Isotope mit sehr langen Halb­werts­zei­ten werden zur Alters­bes­tim­mung von alten Erdfor­ma­tio­nen und dem Alter unseres Sonnen­sys­tems herangezogen.

Zwei Isotope des Kohlens­toffs : Der Kern von 12C wird von 6 Proto­nen und 6 Neutro­nen gebil­det. 14C besitzt eben­falls 6 Proto­nen, aber 2 Neutro­nen mehr, also insge­samt 8 Neutro­nen. 12C ist stabil, während 14C leicht zerfällt.

Die Zeit, in der sich eine bestimmte Anfang­smenge eines Isotops zur Hälfte umwan­delt, nennt man Halb­werts­zeit. Die Halb­werts­zeit von 14C beträgt beispiels­weise 5730 Jahre. Die Halb­werts­zei­ten sind für alle(!) natür­li­chen radio­ak­ti­ven Isotope bekannt. Das Beson­dere am radio­ak­ti­ven Zerfall ist, dass er völlig unabhän­gig von Masse, Tempe­ra­tur, Druck oder ande­ren Einfluss­größen und für jede ausrei­chend große Menge eines radio­ak­ti­ven Isotops immer mit kons­tan­ter Gesch­win­dig­keit abläuft.

Halb­werts­zeit : Die Halb­werts­zeit eines insta­bi­len Isotops bezeich­net jenes Zeitin­ter­vall, in dem immer genau die Hälfte der zum Beginn dieses Inter­valls vorhan­de­nen Menge des Isotops zerfällt.

Wenn man also das Mengen­ve­rhält­nis zwischen dem stabi­len und dem radio­ak­ti­ven Isotop zum Zeit­punkt der Ents­te­hung einer Substanz kennt und nun in dieser Substanz die Menge eines radio­ak­ti­ven Isotops und glei­ch­zei­tig die Menge des dazu­gehö­ri­gen stabi­len Isotops bestimmt, kann man das Alter der Substanz bestimmen.

Die Ermit­tlung, welches Mengen­ve­rhält­nis zu einem bestimm­ten Anfang­szeit­punkt vorge­le­gen hat, nennt man Kali­brie­rung. Man weiß heute, dass die Ents­te­hung­srate der Isotope im Verlauf der Erdges­chichte erhe­bli­chen Schwan­kun­gen unter­wor­fen war. Dies wird im Rahmen der Kali­brie­rung berück­sich­tigt. Ebenso ist natür­lich darauf zu achten, dass keine nach­trä­gliche Anrei­che­rung (oder Abrei­che­rung) des Unter­su­chung­sob­jektes mit dem radio­ak­ti­ven Isotop über­se­hen wird.

Die radio­lo­gische Datie­rung­sme­thode funk­tio­niert zuverläs­sig bis zu einem Alter von 9 – 10 Halb­werts­zei­ten. Danach sind die in der Probe noch befind­li­chen Rest­men­gen des radio­ak­ti­ven Isotops so klein, dass die Mess­zeit unve­rhält­nismäßig lang sein müsste. Glück­li­cher­weise gibt es jedoch radio­ak­tive Elemente mit extrem langer Halb­werts­zeit, deren Zerfalls­reihe man eben­falls sehr genau kennt. Es gibt sogar Isotope, deren Halb­werts­zeit größer ist als die Exis­tenz­dauer unseres Univer­sums (87Rb, T1/2=48,8 Mrd. Jahre).

Der größte Vorteil der radio­me­tri­schen Methode ist jedoch, dass man das zu unter­su­chende Objekt paral­lel mit den Zerfalls­rei­hen unter­schied­li­cher Isotope messen kann, die zu vergleich­ba­ren Ergeb­nis­sen kommen müssen, wenn kein Fehler in den Grun­dan­nah­men vorliegt.

Im Folgen­den werden einige wich­tige Radio­da­tie­rung­sme­tho­den vorgestellt.

Die Radiokarbonmethode

Das Verfah­ren wird vorwie­gend für die Alters­bes­tim­mung orga­ni­scher Objekte einge­setzt, die nicht älter als 50000 Jahre sind. Orga­nische Objekte (also Lebe­we­sen) bauen während ihres Lebens Kohlens­toff in ihren Orga­nis­mus ein. Neben den stabi­len Kohlens­tof­fi­so­to­pen 12C und 13C wird auch ein ents­pre­chen­der Anteil des radio­ak­ti­ven Isotops 14C einge­baut. Heut­zu­tage ist das Verhält­nis zwischen der Konzen­tra­tion von 12C+13C zu 14C etwa 1012. Obwohl 14C natür­lich immer auch zerfällt, wird es in der oberen Atmos­phäre durch Beschuss von hoche­ner­ge­ti­scher kosmi­scher Strah­lung aus 14N stän­dig neu gebil­det (14N + n → 14C + p), so dass sein Anteil in der Luft nahezu kons­tant bleibt :

So lange ein Orga­nis­mus lebt, baut er die Kohlens­toff-Isotope also immer in genau diesem Mengen­ve­rhält­nis in seine Körper­sub­stanz ein. Ab dem Zeit­punkt des Todes unter­bleibt jedoch der weitere Einbau von Kohlens­toff. Und aufgrund des radio­ak­ti­ven Zerfalls beginnt ab diesem Moment der Anteil der radio­ak­ti­ven Isotope am Gesamt­koh­lens­toff­ge­halt des Objektes zu sinken – und zwar in 5730±40 Jahren auf die Hälfte der ursprün­gli­chen Konzen­tra­tion. Dabei zerfällt das Isotop 14C durch β−Zerfall wiede­rum zu 14N, dem stabi­len Isotop des Sticks­toffs, sowie einem Elek­tron und einem Antineutrino.

Weite­rhin muss der Effekt der Isoto­pen­frak­tio­nie­rung berück­sich­tigt werden. Darun­ter vers­teht man den Effekt, dass die drei Isotope 12C, 13C und 14C wegen ihrer unter­schied­li­chen Massen sich geringfü­gig – aber mess­bar – unter­schied­lich in physi­ka­li­schen und chemi­schen Prozes­sen verhal­ten, was bei der Alters­bes­tim­mung korri­giert werden muss.

Beispiel : Datie­rung eines Vogels­ke­letts mit der 14C‑Methode (stark verein­facht!): Solange der Vogel Nahrung aufge­nom­men hat, hat er damit die Kohlens­tof­fi­so­tope im Mengen­ve­rhält­nis 1012 in seine Gewebe einge­baut. Ab dem Moment seines Todes, im Beispiel vor etwas über 17000 Jahren, wurde jedoch kein neues 14C mehr aufge­nom­men, und das im Gewebe vorhan­dene zerfiel lang­sam. Heute, also nach 4 Halb­werts­zei­ten, ist in den fossi­lier­ten Knochen deut­lich weni­ger 14C vorhan­den als zu Lebzei­ten des Vogels, das Verhält­nis der stabi­len Isotope zu der Menge an 14C ist also um ein Viel­faches höher.

Die Uran-Thorium-Datierung

Die Uran-Thorium-Methode basiert auf dem radio­ak­ti­ven Zerfall von Uran-Isoto­pen, die sich beim Zerfall u.a. in Thorium (230Th) umwan­deln. Sie ist vor allem für anor­ga­nische Unter­su­chung­sob­jekte wie Kalka­bla­ge­run­gen (Stalag­mi­ten / Stalak­ti­ten) geei­gnet und basiert auf der Tatsache, dass die radio­ak­ti­ven Urani­so­tope 235U (T1/2 = 703,8 Mio. Jahre) und 238U (T1/2 = 4,47 Mrd. Jahre) wasserlös­lich sind, das Zerfalls­pro­dukt 230Th aber nicht. Mit dieser Datie­rung­sme­thode lässt sich das Alter von deut­lich über 500000 Jahre alten Proben bestimmen.

Die Rubidium-Strontium-Datierung

Die Halb­werts­zeit des β‑Zerfalls von 87Rb (Mutte­ri­so­top) zum stabi­len Toch­te­ri­so­top 87Sr ist mit etwa 48,8 Mrd. Jahren extrem lang. Die Rubi­dium-Stron­tium-Methode findet daher fast nur Anwen­dung bei der Alters­bes­tim­mung alter meta­mor­pher und magma­ti­scher Gesteine. Als untere Grenze, bei der diese Methode noch eine zuverläs­sige Alters­bes­tim­mung zulässt, gilt ein Alter von 10 Mio. Jahren.

Für die Datie­rung werden von einzel­nen Mine­ra­len der Probe sowie der Gesamt­probe jeweils die 87Sr/86Sr- und 87Rb/86Sr-Verhält­nisse bestimmt. Das 86Sr dient dabei als stabiles Refe­ren­zi­so­top des Toch­te­ri­so­tops. Die Mengen­bes­tim­mung geschieht entwe­der durch Rönt­gen­fluo­res­zenz, Neutro­ne­nak­ti­vie­rung­sa­na­lyse (analy­tische Metho­den) oder mit Hilfe der Massenspektrometrie.

Die Rubi­dium-Stron­tium-Datie­rung stellt eine wich­tige Methode dar, da Rb und Sr häufig vorkom­mende Elemente wie K und Ca substi­tuie­ren können. Sie findet Anwen­dung beson­ders bei Grani­ten, jedoch lassen sich auch Sedi­mente über Tonmi­ne­rale, die am Fundort ents­tan­den sind, datie­ren, ebenso durch Verduns­tung ents­tan­dene Salzgesteine.

Die Kalium-Argon-Datierung

Die Kalium-Argon-Datie­rung ist ein geo- und kosmo­chro­no­lo­gisches Verfah­ren zur radio­me­tri­schen Alters­bes­tim­mung von Gestei­nen und Meteo­ri­ten, bei dem der radio­ak­tive Zerfall von Kalium-40 (40K) zu Argon-40 (40Ar) ausge­nutzt wird. Der Betas­trah­ler 40K zerfällt mit einer Halb­werts­zeit von 1,28 Mrd. Jahren in 11 % der Fälle zu Argon-40, in 89 % zu Calcium-40. Kalium kommt in häufi­gen gesteins­bil­den­den Mine­ra­lien wie Glim­mern, Feld­spa­ten und Horn­blen­den vor, weswe­gen diese Datie­rung­stech­nik oft erfol­greich bei irdi­schen Gestei­nen ange­wen­det wird. Dane­ben wird die Kalium-Argon-Datie­rung auch für extra­ter­res­trische Gesteine, etwa Apollo-Mond­pro­ben und Meteo­ri­ten, ange­wen­det ; hier­bei wurden bisher Alter bis zu etwa 4,6 Mrd. Jahren, dem geschätz­ten Alter des Sonnen­sys­tems, bestimmt.

Argon-Argon-Datierung

Eine präzi­sere Variante ist die 39Ar-40Ar-Methode. Für sie muss die Probe nicht in zwei, womö­glich nicht reprä­sen­ta­tive Hälf­ten geteilt werden, um Argon und Kalium sepa­rat zu bestim­men. Zudem können Störun­gen des Kalium-Argon-Isoto­pen­sys­tems ohne aufwen­dige Mine­ral-Sepa­ra­tion entdeckt werden. Selbst bei teil­weise ausdif­fun­dier­tem Argon können mit dieser Methode noch zuverläs­sige „Argo­nal­ter“ gemes­sen werden, auch an rela­tiv jungen Gesteinen.

Die zu messende Probe wird in einem Forschung­sreak­tor mit schnel­len Neutro­nen bestrahlt (Neutro­ne­nak­ti­vie­rung), wobei ein Teil des in der Probe vorhan­de­nen 39K in 39Ar umge­wan­delt wird. Zu Kali­brierz­we­cken wird dabei glei­ch­zei­tig immer auch ein Mine­ral-Stan­dard (z. B. Horn­blende) bekann­ten Alters als Moni­tor­probe mitbes­trahlt. Danach werden die Proben schritt­weise in bestimm­ten Tempe­ra­turs­tu­fen erhitzt und mittels Edel­gas­mas­sens­pek­tro­me­trie das Verhält­nis von 39Ar zu 40Ar des in den einzel­nen Tempe­ra­turs­tu­fen ausge­gas­ten Argons gemessen.

Die 39Ar-40Ar-Methode ist in der Lage, viel jüngere Erei­gnisse zu datie­ren als die herkömm­liche Kalium-Argon-Datie­rung. Sie ist inzwi­schen so weit verfei­nert worden, dass es 1997 gelun­gen ist, Bimsstein aus dem Vesuv-Ausbruch, der Pompeji zerstörte, auf ein Alter von 1925 ± 94 Jahren zu datie­ren. Das ents­pricht dem Jahr 72 u. Z. und stimmt damit im Fehler mit dem histo­ri­schen Datum überein, das Plinius der Jüngere – umge­rech­net in den Grego­ria­ni­schen Kalen­der – mit 79 u. Z. angibt. Zugleich ist es aber mit Hilfe dieser Methode beispiels­weise auch möglich, Millio­nen Jahre alte homi­nine Fossi­lien – wie etwa die Funde von Ardi­pi­the­cus rami­dus – zu datie­ren, bei denen die Radio­kar­bon­me­thode nicht mehr anwend­bar ist.

Uran-Blei-Datierung

Die Uran-Blei-Datie­rung ist heute das am häufig­sten genutzte Verfah­ren zur abso­lu­ten Datie­rung von geolo­gi­schen Forma­tio­nen. Neben der langen Halb­werts­zeit von Uran ist vor allem von Vorteil, dass zwei Zerfalls­rei­hen heran­ge­zo­gen werden können, die jeweils bei Uran-Isoto­pen begin­nen und über mehrere Zwischen­schritte bei Blei-Isoto­pen enden :

  1. Uran-Radium-Reihe : 238U → … → 206Pb (Halb­werts­zeit : 4,5 Mrd. Jahre)
  2. Uran-Acti­nium-Reihe : 235U → … → 207Pb (Halb­werts­zeit : 704 Mio. Jahre)

Die verschie­de­nen insta­bi­len Zerfalls­pro­dukte in diesen Reihen sind viel kurz­le­bi­ger als das jewei­lige Uran-Isotop am Anfang der Reihe. Für die Alters­bes­tim­mung spie­len daher nur die Halb­werts­zei­ten der Uran-Isotope eine wesent­liche Rolle.

Aufgrund der unter­schied­li­chen Zerfalls­ges­ch­win­dig­kei­ten hat sich das Verhält­nis beider Isotope im Laufe der Erdges­chichte konti­nuier­lich verscho­ben. Daraus lässt sich das Verhält­nis beider Mutte­ri­so­tope zu jedem Zeit­punkt der Erdges­chichte berechnen.

Eine weiter­ge­hende Doku­men­ta­tion mit Bezug auf die häufig von Krea­tio­nis­ten vorge­brach­ten Argu­mente findet sich hier :

https://www.ag-evolutionsbiologie.net/html/2014/kreationismus-und-radiometrische-datierung.html

[KHB]

Les commentaires sont fermés.