Geochronologie und isotopische Altersbestimmungen

Die Geochronologie befasst sich mit der absoluten geologischen Zeitrechnung. Zu den klassichen Methoden zur relativen Bestimmung von geologischen Zeiträumen, z.B. durch Sedimentablagerungen (Lithostratigraphie) und Vorkommen von Fossilien (Biostratigraphie) kamen im 20. Jahrhundert Altersbestimmungsmethoden, die auf physikalischen und chemischen Prozessen beruhen. Vor allem durch die Nutzung von kernphysikalischen Vorgängen wurde es möglich das absolute Alter von Mineralen und Gesteinen direkt zu ermitteln und Eichpunkte für die geologischen Zeitskalen zu bekommen.

Isotopische Altersbestimmungen
Von den meisten chemischen Elementen gibt es Isotope. Isotope eines Elements haben bei gleicher Protonenzahl (Ordnungszahl, Protonen sind positiv geladene Kernteilchen) unterschiedliche Zahl an Neutronen (ungeladene Kernteilchen). Einige Isotope sind instabil und zerfallen (alpha-, beta-, gamma-Zerfall) nach einer bestimmten Zeit. Aus der Bilanzierung des entstehenden Tochterisotops und seinem Mutterisotop kann ein Alter abgeleitet werden (Sanduhr-Modellvorstellung). Durch unterschiedliche Zerfallsgeschwindigkeiten (Halbwertszeiten) können mit den verschiedenen Mutter-, Tochtersysteme verschiedene Zeiträume datiert werden (Altersbestimmungsmethoden und datierbare geol. Zeiträume). Unter Halbwertszeit versteht man diejenige Zeit, in der das Mutterisotop zur Hälfte zerfallen ist. Eine andere Möglichkeit Materialalter zu bestimmen beruht auf der Produktion von instabilen Isotopen durch kosmische Strahlung. Mit bekannten Produktions- und Zerfallsraten kann aus der Menge der noch vorhandenen instabilen Tochterisotope ein Alter bestimmt werden.

Isotopische Altersdaten und Zeitskala
Grundsätzlich datiert wird der Zeitpunkt eines Mineral- oder Gesteins-Systems, zu dem es keine Mutter- bzw. Tochterisotope mehr verliert. Dies kann die Abkühlung unter eine bestimmte Temperatur (Abkühlalter) oder Neubildung eines Minerals (Bildungsalter) sein. Treten spätere chemisch oder thermisch bedingte Verluste des Mutter- oder Tochterisotops auf, so verändern sich die Isotopenzusammensetzungen, und die Altersinformation wird modifiziert. Zur Deutung von isotopischen Altersdaten sind daher zusätzliche Informationen zur geologischen Geschichte und zu den Bildungsorten der Gesteine bzw. Minerale notwendig.

Mit diesen Methoden können Prozesse in und auf der Erde wie z.B. magmatische Ereignisse oder Bildungen von Lagerstätten näher untersucht werden. Mit der Geochemie der Isotope können zusätzliche Informationen über die stoffliche Dynamik dieser Prozesse gewonnen werden.

Aus der Synthese von verschiedenen geologischen Informationen und isotopischen Altersdaten als unabhängige Eichpunkte entstehen Zeitskalen. Durch internationale Konventionen werden Namen für die geologischen Zeiträume und für die jeweiligen Grenzen festgelegt (z.B. Paläozoikum/ Mesozoikum, Datierungsmethoden).

Beispiele für Datierungsmethoden
Für Altersdatierungen werden reine Mineral- oder Gesteinspräparate chemisch und isotopisch analysiert (Flußdiagramm zur Meßtechnik). Durch Massenspektrometrie werden die relevanten Isotope aufgrund ihrer verschiedenen Massen getrennt und die Häufigkeitsverhältnisse gemessen. Aus diesen Isotopen-Häufigkeitsverhältnissen und gegebenenfalls chemisch bestimmten Element-Konzentrationen lassen sich Alterswerte berechnen.

Zirkondatierung mit der Uran-Blei-Methode
Die radioaktiven Uran-Mutterisotope ²³⁸U, ²³⁵U zerfallen über unterschiedliche Zerfallsreihen zu den stabilen Blei-Tochterisotopen ²⁰⁶Pb bzw. ²⁰⁷Pb. Bei uranhaltigen Mineralen läßt sich so das Alter aus den Häufigkeitsverhältnissen der Uran- zu den Blei-Isotopen ableiten. Zirkone (Kathodolumineszenzfoto eines zonierten Zirkonkristalls) eignen sich für die Datierung, da sie hitze- und verwitterungsbeständig sind und sie Uran und Blei speichern können. Neben Zirkonpopulationen werden vor allem einzelne Zirkonkristalle (mittels Ionensonde, Evaporation) analysiert.

Trägt man die gemessenen Häufigkeitsverhältnisse der Blei- zu den Uran-Isotopen gegeneinander auf, liegen die Messdaten für ungestörte Altersinformationen auf einer sogennanten "Konkordia"-Kurve (U-Pb-Konkordiagramm). Für Zirkone, die durch eine Metamorphose Blei verloren haben, können die Datenpunkte eine Gerade (Diskordia) bilden, die die Konkordia-Kurve in zwei Punkten schneidet. Der obere Schnittpunkt entspricht der Gesteinskristallisation und der untere dem Metamorphoseereignis. Mit der U-Pb-Methode können sowohl sehr alte z.B. archaische als auch relativ junge z.B. mesozoische Gesteine datiert werden.

Glimmerdatierung mit der Kalium-Argon-Methode
Die K-Ar-Methode basiert auf dem dualen Zerfall des Kaliumisotops ⁴⁰K in radiogenes ⁴⁰Ca und radiogenes ⁴⁰Ar. Anhand der Kalium- bzw. Argon-Konzentrationen und ihrer Isotopenhäufigkeiten können Alter von kaliumhaltigen Gesteinen und Mineralen bestimmt werden. Als häufige, gesteinsbildende Minerale sind kaliumreiche Glimmer (Biotite, Muskovite) und Alkalifeldspäte für K-Ar-Datierungen geeignet.

Eine verbesserte analytische Variante der K-Ar-Methode mit höherer Messpräzision stellt die ⁴⁰Ar/³⁹Ar-Technik dar. Durch Neutronenaktivierung wird aus dem Kaliumisotop ³⁹K das radioaktive Argonisotop ³⁹Ar erzeugt. Es müssen somit nur Argon-Isotopenverhätnisse massenspektrometrisch gemessen werden. Die Probe wird in Teilschritten bei Temperaturen von etwa 400 °C bis 1300 °C entgast. Für jeden Schritt kann ein Alterswert berechnet werden, der gegen den Anteil des freigesetzten Argonisotops ³⁹Ar aufgetragen wird (⁴⁰Ar/³⁹Ar-Altersbestimmung). Aus einem plateauförmigen Stufenentgasungsspektrum kann eine schnelle Abkühlung des Minerals und ein bis heute geschlossenes K-Ar-Isotopensystem gefolgert werden. Mit dieser Messtechnik können Milliarden Jahre alte Gesteine aus der Frühzeit der Erde, Meteoriten, paläozoische Gebirgsbildungen, aber auch sehr junge, einige tausend Jahre alte Vulkanite datiert werden.