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Methoden der Altersbestimmung und -messung

Relative Alterbestimmung
Wenn Ereignisse der Erdgeschichte weiter zurückliegen, wird die Altersbestimmung schwierig. Sehr weit zurück können wir die Zeit nur noch relativ bestimmen. Dabei helfen Gesteine und Fossilien. Offene Gesteinsschichten (z.B.Steinbruch) können Eiblicke geben.
Relative Datierung macht Aussagen zu jünger oder älter, früher oder später, ohne dies quantitativ festlegen zu können.Dies alles scheint zunächst trivial ist aber für die relative Einordnung sehr brauchbar und führt zusammen mit anderen Bestimmungsmethoden (z.B. radioaktivem Zerfall) zu sehr brauchbaren Ergebnissen.
Nicolaus Steno (Niels Stensen, 1638-1686) war ein bedeutender dänischer Anatom, Geologe und Bischof. Unter Anwendung der Logik beobachtete und interpretierte er die Lagerung und Abfolge von Gesteinssschichten. Aus Vergleichen dieser Beobachtungen mit noch laufenden Prozessen faßte er seine Beobachtungen zu vier Prinzipien zusammen, die heute noch die Grundlage zur zeitlichen Interpretation von Gesteinen bilden.
Die Naturgesetze ändern sich nicht im Laufe der Zeit! So formulierte der schottische Geologe James Hutton (1726-1797). Deswegen können die heute gültigen und bekannten Gesetze auf die Erklärung der geologischen Vergangenheit angewandt werden.

Gesteine als Datierungshilfen

1. Prinzip der ursprünglichen horizontalen Lagerung
Sedimentäre Schichtung, zumindest auf einem großen Maßstab, wurden ursprünglich horizontal abgelagert. Ist dies nicht der Fall, d.h. liegt die Schichtung schräg, muss diese Störung später als die eigentliche Ablagerung erfolgt sein.

2. Prinzip der Überlagerung
Sedimente, die als erstes abgelagert wurden (die ältesten), liegen naturgemäß in einer sedimentären Abfolge zuunterst und werden von jüngeren überlagert, falls keine Störungen auftreten. Dies gilt für alle Ablagerungsgesteine, die im Laufe der Erdgeschichte Schichten bildeten. Je tiefer man kommt, desto früher wurden die Gesteine abgelagert.

3. Prinzip der lateralen Kontinuität
Sedimentäre Schichten verlaufen horizontal und enden nicht abrupt, falls sie nicht auf eine natürliches Hindernis stossen. Sie können aber allmählich an Mächtigkeit abnehmen oder in eine andere Gesteinsart übergehen. Gleiche Schichtung an unterschiedlichen Orten deutet darauf hin, dass früher ein Zusammenhang bestand. Beispiel: Die Schichten in Berg A entsprechen denen in Berg B. Früher waren beide miteinander verbunden, der Zwischenraum kann z.B. durch die Bildung eines Flußbettes entstanden sein.

4. Prinzip der durchschneidenden Beziehungen
(Cross-cutting-relations)
Gesteine, die Schichten quer durchschlagen, müssen jünger sein als die durchschlagenen Schichten. Verwerfungen, Vulkanschlote, usw. sind immer jünger sind als die Schichten, die von ihnen durchstoßen werden.

Fossilien als Datierungshilfen

Der Kanalbau-Ingenieur William Smith (1769-1839) bemerkte, dass nicht in jeder Gesteinsschicht die gleichen Fossilien auftreten, sondern dass eine bestimmte Abfolge besteht. Smith konnte aus seinen praktischen Beobachtungen vorhersagen, welche Fossilien in welchen Gesteinsschichten auftreten würden. In verschiedenen Erdzeitaltern haben jeweils andere Lebensformen existiert, von denen Versteinerungen und andere Spuren zurückgeblieben waren. Er kam zu dem Schluss: Gesteine, die die gleichen Fossilien enthalten, sind gleich alt.

Um das Alter eines Gesteins nach seinen Fossilien zu bestimmen, wird vor allem ein Leitfossil benötigt, das eine relative Zeitmessung ermöglicht. Es muss häufig, weit verbreitet, unabhängig vom Lebensraum in vielen Lebensräumen verbreitet sein (Faziesunabhängigkeit). Ausserdem muss es gut bestimmbar sein und die Art darf nur eine bestimmte, möglichst kurze Zeit existiert haben. In diesem Sinne waren z.B. Amoniten und die Foraminiferen gute Leitfossilien.

Aktualitätsprinzip
Bei der Untersuchung der Erdgeschichte geht man vom sogenannten Aktualitätsprinzip aus: Die Gegenwart ist der Schlüssel zur Vergangenheit. Was bedeutet das? Prozesse, die heute noch stattfinden, haben so auch schon früher stattgefunden (Vulkanausbrüche, Bildung von Flussbetten, Meteoriteneinschlag). Die Naturgesetze ändern sich nicht im Laufe der Zeit!

Findet man z.B. ein Gestein, das genauso aussieht, wie ein Eruptivgestein aus einem noch tätigen Vulkan, so geht man davon aus, dass es ebenfalls bei einem Vulkanausbruch entstanden ist. Findet man Korallen in Kalkstein (z.B. inden Dolomiten oder Rocky Mountains) so deutet dies auf ein fossiles Korallenriff hin. Daraus lässt sich folgern, dass am Fundort früher Bedingungen geherrscht haben, die das Überleben eines Korallenriffes möglich machten: klares, flaches und sauerstoffreiches Meerwasser. Ein weiters Beispiel sind Versteinerungen von Hölzern in Braunkohlelagerstätten. Dort müssen Lebensbedingungen für Wälder bestanden haben.

Absolute Altersbestimmung

Radioaktiver Zerfall
Wegen des Zerfalls radioaktiver Isotope können genauere Zeitangaben gemacht werden. Der Zerfall geschieht nicht willkürlich, sondern nach physikalischen Gesetzen, die sich nicht von irgendeiner bekannten Kraft (Temperatur, Druck...) beeinflussen lassen.

Man nennt die Zeit in der die Hälfte der radioaktiven Isotope zerfällt die Halbwertszeit. Die zerfallenden Stoffe werden zu definierten Folgeprodukten (siehe Periodensystem der Elemente, Isotopenlisten). Ein Teil der Kernmasse geht als Alpha-Strahlung (sog. nackte Heliumkerne), Beta-Strahlen oder Gamma-Strahlen (harte, energiereiche Strahlung) verloren. Aus dem verbleibenden Rest aktiven Materials (im Verhältnis zum vorhandenen Gesamtmaterial), kann unter Anwendung der Halbwertzeiten das Alter des Objekts (z.B.Gesteins) bestimmt werden.

Stoffe nach denen absolute Altersbestimmungen vorgenommen werden können sind unter anderem:

Ursprüngliches Isotop wird zu Halbwertzeit
Uran 238 Blei 206 4,5 Milliarden Jahre
Kalium 40 Argon 40, Calcium 40 1,3 Milliarden Jahre
Rubidium 87 Strontium 87 47 Milliarden Jahre
Kohlenstoff 14 Stickstoff 14 5730 Jahre
     
     

Anwendungsbeispiel: C14 - Methode
Für die historische Datierungen wird überwiegend die C14-Methode verwendet. C14 ist ein radioaktives Isotop des Kohlenstoffs (C). Er wird von Pflanzen aufgenommen und eingelagert. Das C14-Isotop kommt in einer gleichmäßigen Verteilung im Gesamtkohlenstoff vor und wird mit aufgenommen. Beendet die Pflanze ihr Leben, nimmt sie auch keinen Kohlenstoff mehr auf, sondern es verbleibt hinsichtlich der stabilen Isotope (z.B. C12) bei den vorhandenen Mengen. Das zerfallenden C14-Isotop, dessen Halbwertszeit bekannt ist, baut sich hingegen ab. Aus der Restmenge des vorhandenen C14 daher auf den Zeitpunkt geschlossen werden, in dem der Lebenszyklus der Pflanze endete. Die Methode ist nur für Bestimmungen bis etwa 70.000 Jahre mit hinlänglicher Genauigkeit brauchbar. (Für Historiker geeignet, für Geologen ungeeignet).