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]

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