Geologische Altersbestimmung

Verfahren der Paläontologen zur Datierung

Gliederfüssler tauchen bereits im Kambrium auf. Dieses begann vor etwa 570 Millionen Jahren. Die Altersbestimmung kann mit verschiedenen Methoden durchgeführt werden. 

Die Erdgeschichte kann heute klar datiert werden. Diese so genannte absolute Chronologie ergibt die heute bekannte geologische Zeitrechnung, die etwa 4,6 Milliarden Jahre Erdgeschichte umfasst.

Entwicklung von relativen und absoluten Methoden

Mit den verfügbaren Methoden konnte die Geologie noch im 19. Jahrhundert nur eine relative Zeitskala aufstellen. Das absolute Alter der Erde und die Dauer der Zeiteinheiten konnten nur abgeschätzt werden. Eine Berechnung Lord Kelvins von 1862 aus den Energien und der Erdabkühlung ergab ein Erdalter von 20 bis 40 Millionen Jahren.

Nikolaus Steno formulierte 1669 das Grundgesetz der Stratigraphie: Bei ungestörten Schichtfolgen liegen jüngere Schichten auf älteren. Eine andere Regel besagt, dass sich das Leben auf der Erde „einsinnig” entwickelt hat, dass sich die Formen nicht wiederholen. Auf der Grundlage dieser Prinzipien war es möglich, die Abfolge der Fossilien und Schichten aufzuzeichnen, in Profilen zusammenzustellen und über grössere Räume zu vergleichen. Daraus ergab sich schliesslich eine weltweite Einteilung der Erdgeschichte in vier grosse Zeitalter, Präkambrium, Paläozoikum, Mesozoikum und Känozoikum, und die weitere Untergliederung in Systeme oder Perioden, so z. B. des Mesozoikums in Trias, Jura und Kreide, und in feinere – dann aber nur noch regional gültige – stratigraphische Einheiten bis hin zu einzelnen Schichten.

Zeitalter Periode vor Mio Jahren
    4.600
Präkambrium

Bakterien, Eukaryontische Zellen

Archaikum  
Proterozoikum  
Paläozoikum

erste Landpflanzen,
Urfische,
Amphibien,
Insekten

Kambrium 590
Ordovizium  
Silur  
Devon  
Karbon  
Perm  
Mesozoikum

Reptilien, Saurier

Trias 250
Jura  
Kreide  
Känozoikum

Blütenpflanzen, Insekten,
Fische, Vögel, Säugetiere

Tertiär 66
Quartär 1,7

Diese Zeitspanne von mehreren Milliarden Jahren ist so unvorstellbar, dass wir am besten einmal die 4,6 Milliarden Jahre auf einen Tag legen um uns einen besseren Überblick zu verschaffen.

Man hat zwei Zeitskalen verwendet, um das Alter der Erde zu messen: eine

relative Zeitskala: gründet sich auf die Abfolge von Ablagerungen im Gestein und die Evolution des Lebens

absolute Zeitskala: basiert auf der natürlichen Radioaktivität chemischer Elemente in bestimmten Gesteinen

Danach ist die Erde wie das gesamte Sonnensystem ca. 4,6 Milliarden Jahre alt. Da die ältesten Gesteine der Erde meist durch die Plattentektonik zerfallen sind, konnte man bisher aus Gestein allein das Erdalter nicht genau bestimmen. Die ältesten bisher gefundenen und radiometrisch bestimmte Gesteine aus Kanada, Grönland, Afrika und Asien sind zwischen 3,4 und 3,9 Milliarden Jahre alt. Das älteste geprüfte Mondgestein war 4,5 Milliarden Jahre alt, kaum jünger als verschiedene Meteoriten mit 4,58 x 109 Jahre. Die Messungen korrespondieren mit dem berechneten Alter der Milchstrasse von ca. 10-13 Milliarden Jahren und dem Urknall vor ca. 15 Milliarden Jahren.

Verfahren zur Altersbestimmung

Man kennt und verwendet heute eine Vielzahl verschiedener Altersbestimmungsmethoden. Das Alter eines Objektes kann je nach Material mit mehreren korrelierenden Methoden bestimmt werden. Durch Eichung, Vergleich und Bestimmung des Messfehlers ergibt sich ein gesichertes Alter.

Man verwendet heute z.B. die

  • Radiometrische Altersbestimmung (Zerfall radioaktiver Isotope wie K, U, Rb, Pb usw.)
  • Radiokarbonmethode (Zerfall von 14C in N)
  • relative geologische Zeitskala aus Sedimenten
  • Populationswachstum
  • Jahresringe bei Bäumen (Dendrochronologie)
  • Eisbohrkerne
  • Thermolumineszenz (TL) in menschlicher Keramik
  • Elektronen Spin Resonanz (ESR) (misst e- in Knochen und Schalen)
  • Aminosäure Razemisierung (L → D-Form; das D/L Verhältnis ist abhängig von der Zeit, Temperatur und der Art des Organismus).

Nachfolgend sollen die beiden wichtigsten und am häufigsten angewandten Messmethoden genauer besprochen werden.

Radiometrische Altersbestimmung (mit radioaktiven Stoffen)

Atome desselben Elements mit unterschiedlicher Masse, also unterschiedlicher Neutronenzahl nennt man Isotope. Radioaktiver Zerfall ist ein spontaner Prozess, bei dem ein Isotop Partikel seines Kerns verliert, um ein Isotop eines neuen Elements zu bilden. Die Zerfallsgeschwindigkeit wird als Halbwertszeit angegeben. Die meisten radioaktiven Isotope haben kurze Halbwertszeiten und verlieren ihre Radioaktivität in ein paar Tagen oder Jahren. Die langsam zerfallenden Isotope werden als geologische Uhr verwendet. Die bei Gesteinsdatierungen am häufigsten verwendeten Isotope sind nachfolgend zusammengestellt.

Ausgangs-Isotope Stabiles Produkt gegenwärtig akzeptierte Halbwertszeit
Uran-238 Blei-206 4.5 Milliarden Jahre
Uran-235 Blei-207 704 Millionen Jahre
Thorium-232 Blei-208 14.0 Milliarden Jahre
Rubidium-87 Strontium-87 48.8 Milliarden Jahre
Kalium- 40 Argon-40 1.25 Milliarden Jahre
Samarium-147 Neodym-143 106 Milliarden Jahre

Der mathematische Zusammenhang, der den radioaktiven Zerfall mit der geologischen Zeit in Verbindung bringt heisst Altersgleichung:

altersbestimmung 1 t = Alter des Gesteins;
D = Anzahl der Atome des Produkts heute
P = Anzahl der Atome des Isotops heute
λ = Zerfallskonstante
Halbwertszeit eines Isotops ist altersbestimmung 2

Obwohl die Theorie einfach ist, ist der Laboraufwand beträchtlich, um das Alter eines Gesteins zu messen. Häufig wird die K-Ar-Methode verwendet, da sie bei Gestein, das zwischen einigen Tausend Jahren und Milliarden Jahren alt exakte Ergebnisse liefert. K ist in den meisten Gesteinen vorhanden und lässt sich samt dem Zerfallsprodukt Argon selbst in kleinsten Mengen messen. Meist werden mehrere Methoden der Datierung verwendet.

Direkt werden nur Schmelzgesteine wie Granit und Basalt die aus Magma kristallisiert sind radiometrisch gemessen. Diese enthalten jedoch keine Fossilien. Sedimentgesteine wie Sandstein und Kalkstein werden durch Vergleich mit Zeitzonen aus Schmelzgestein datiert.

Radiokarbonmethode (mit dem Kohlenstoff-Isotop C14)

Die Radiokarbonmethode ist ein von W.F. Libby 1947 entwickeltes Verfahren zur Altersdatierung von archäologischen und geologischen Proben.

Sie beruht darauf, dass in den oberen Schichten der Erdatmosphäre durch die kosmische Strahlung Neutronen erzeugt werden, die durch eine Kernreaktion das Stickstoffisotop N-14 in das radioaktive Kohlenstoffisotop C-14 umwandeln.

14N + Neutron => 14C + Proton

Das 14C wird schnell in 14CO2 oxidiert und gelangt in die Nahrungskette.

zerfall

Es zerfällt mit einer Halbwertszeit von 5730 Jahren zurück in N-14 (b-Strahler).
Die Erzeugung und der Zerfall von C-14 stehen in einem offenen System im Gleichgewicht, so dass das Verhältnis von dem radioaktiven Nuklid C-14 zu den stabilen Isotopen C-12 und C-13 konstant bleibt. (C12 – 98.89%, C13 – 1.11% und C14 – 0.00000000010%)

zerfall 2

Bei Kohlenstoff liegt dieses Isotopenverhältnis C-14/C-12 in der Atmosphäre bei 10-12. Dieses Verhältnis findet man auch in allen lebenden Organismen, da bei Stoffwechselprozessen alle Isotope eines Elementes in gleichem Masse beteiligt sind.

Stirbt der Organismus ab, so findet nur noch der Zerfall des instabilen Isotops nach dem bekannten Zerfallsgesetz statt. Daher kann aus dem heute noch vorhandenen Anteil an C-14 auf das Alter der Probe geschlossen werden.

Die Probe (mg reicht aus) wird im Vakuum in Ethen umgewandelt und dann durch ein Massespektrometer der 14C-Gehalt gemessen.

Diese Methode wird bei bis zu 50000-70000 Jahren alten Proben angewandt. Voraussetzung für die Zuverlässigkeit der Radiokarbonmethode ist das Wissen der ursprünglichen C-14 Konzentration in der Erdatmosphäre über viele Jahrtausende.

Änderungen der 14C -Konzentration entstehen durch Schwankungen der Intensität der kosmischen Strahlung und durch langsame Änderung des Erdmagnetfeldes.

Mit Hilfe der Dendrochronologie ist eine genaue Bestimmung des ursprünglichen C-14 Gehaltes und damit eine Eichung möglich.

Dendrochronologie (Altersbestimmung mit Jahrringen)

Klimaschwankungen (feuchte oder trockene Jahre, warme oder kühle Sommer) können sich im Wachstum des Baumbestandes eines einheitlichen Klimagebietes gleichmässig auswirken. Es ergeben sich unregelmässige Baumjahresringe, die in der am Querschnitt eines Stammes ablesbaren Ringfolge als Zeitmarken auffallen.

grannenkieferDurch Aneinanderreihung von Jahresringen alter Bäumen bekannten Alters und durch Überlappung mit Jahresringen von historischen und archäologischen Holzfunden (Moorbäume, Grannenkiefern aus USA siehe links) lässt sich eine lückenlose Jahresringfolge über die letzten 8000-9000 Jahre erstellen.

methusalembaum

Links ist ein toter “Methusalem-Baum” (Pinus longaeva) zu sehen. Die Bäume wachsen an der Grenze Kaliforniens und Nevadas, werden bis zu 6000 Jahre alt und halten sich selbst abgestorben in dem trockenen heissen Klima Tausende von Jahren.

Somit ist man im Besitz von Eichmaterial bekannten Alters mit deren Hilfe die C-14 Konzentration in der Atmosphäre über die letzten 9000 Jahre bestimmt werden konnte.

Verifikation der Altersbestimmung

Es gibt derzeit über 40 radiometrische Altersbestimmungsmethoden, dazu andere Messmethoden wie Eisbohrkerne und Jahresringe der Bäume oder Aminosäure-Razemat-Messungen.

Alle verschiedenen Altersbestimmungsmethoden stimmen in ihren Ergebnissen überein und zwar über Millionen von Jahren hinweg.. Die Unterschiede sind im erwarteten Fehlerbereich. Die Zerfallsraten sind exakt bekannt.

Eine riesige Anzahl Daten weist auf das genannte Erdalter hin. Hunderte von Speziallabors rund um die Welt, die sich damit beschäftigen liefern dasselbe Ergebnis.

Die radioaktiven Zerfallsraten, die in den letzten 40 Jahren gemessen wurden zeigen keine Abweichung. Seit fast 90 Jahren kennt man die Uran-Zerfallsrate, ohne Abweichung.
Die Mathematik der Altersbestimmung ist relativ einfach.

Betrachtet man die Zerfallsgleichung, dann müssen sich die Zerfallskonstanten oder die Zeit für alle Isotope synchron geändert haben, damit man von einer jüngeren Erde ausgehen könnte. Dies konnte man in den letzten 90 Jahren unserer Zeitmessung nicht feststellen!