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, T_1/2=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 (T_1/2 = 703,8 Mio. Jahre) und ²³⁸U (T_1/2 = 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:

Uran-Radium-Reihe: ²³⁸U → … → ²⁰⁶Pb (Halbwertszeit: 4,5 Mrd. Jahre)
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]