04.03.2024

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Auch Steine haben ein Alter – Wie kann man es bestimmen?

20 Jahre alt wird der Verband der Wissenschafts-Olympiaden dieses Jahr. Das wissen wir unter anderem, weil wir das Protokoll der Gründungssitzung haben. Doch woher kennen Geologinnen und Geologen eigentlich das Alter von Gesteinen? Vom relativen zum numerischen Alter: Begeben wir uns auf die Spur der Entdeckungen auf diesem spannenden Gebiet der Geologie!

Die geologischen Zeitalter, als Spirale dargestellt. (Bild: USGS/Wikimedia Commons)

Die Stratigraphie: Lehre von den Schichten

Während langer Zeit mussten sich Geologen damit begnügen, Gesteinen ein relatives Alter zuzuweisen. Das heisst, man war zwar in der Lage zu bestimmen, welches von zwei Gesteinen älter war, konnte den Proben jedoch kein absolutes Alter zuschreiben. Dennoch konnten die Geologen mit Hilfe der Stratigraphie auf relativ einfache Weise aussagekräftige Schlüsse ziehen. Hier einige Regeln, auf die man sich in der Geologie bei der Erforschung einer geschichteten Felswand beruft:

  • Eine Schicht, die unter einer anderen liegt, ist zuerst abgelagert worden.
  • Im Augenblick der Ablagerung weisen die Gesteinsschichten eine horizontale Ausrichtung auf. Sind sie heute nicht mehr horizontal, haben Drücke zu ihrer Deformation und Lageveränderung geführt.
  • Die Schichten waren ursprünglich grosse, zusammenhängende Gesteinsbänder. Auch wenn sie heute nicht mehr verbunden sind (Unterbrechung durch eine Schlucht oder eine Verwerfung), rühren die Schichten ursprünglich aus derselben Ablagerung her und sind folglich auch gleich alt.

In Sedimentgestein eingeschlossene Fossilien sind ein weiterer Hinweis auf den Gesteinstyp und dessen Alter. Man hat typische Schlüsselfossilien für einzelne Schichten bestimmt, wenn ein gewisses Fossil in einer Sedimentationsperiode häufiger vorkam als in einer anderen. Der Fund von Fossilien desselben Typs in Schichten, die mehrere Kilometer voneinander getrennt sind, ermöglicht die Zuordnung der Schichten zur selben Zeit.

Für jede Gesteinsschicht kann ein typisches Fossil bestimmt werden. So können auch weit entfernte Schichten miteinander verglichen werden. (Bild: Wikimedia CommonsCC-Lizenz)

Innerhalb eines Gebiets, über wenige Kilometer Distanz, können sich auch Schichten hineinschieben oder ganz verschwinden. Eine Erklärung dafür kann sein, dass sich in der betrachteten Zone in der fraglichen Periode keine Sedimente abgelagert haben oder weil Wind- und Wassererosion die Gesteinsschichten wieder abgetragen haben. Nichtsdestotrotz kann anhand des relativen Alters mehrerer aufeinanderfolgender Schichten eine geologische Altersreihe erstellt werden, die wertvolle Informationen enthält. So kann eine Geologin beispielsweise herausfinden, welche Schicht sich im Zeitalter der Dinosaurier gebildet hat. Sie erhält einen Eindruck von der damaligen Landschaft und vom Klima, obwohl sie nicht genau bestimmen kann, wie lange das alles schon zurückliegt.

Verrate mir deine Halbwertszeit und ich sage dir, wie alt du bist

Mittels der Messung von radioaktiven Elementen, die in jedem Gestein eingeschlossen sind, ist es seit den 1950er-Jahren möglich, das absolute Alter von Gesteinen zu bestimmen (radiometrische Datierung) und zum Beispiel festzustellen, dass ein bestimmter Stein sich vor 175 ± 1 Millionen Jahren gebildet hat. Diese Datierungsmethode basiert auf dem Zerfall von instabilen radioaktiven Isotopen (siehe dazu auch: Aus Mais wird Popcorn – ein Küchenexperiment zur Halbwertszeit). 

In einem Gestein zerfällt immer die Hälfte der radioaktiven Isotope derselben Art in einer bestimmten Zeit; diese wird als Halbwertszeit bezeichnet. Aus dem Verhältnis von Mutter- und Tochterisotopen im Gestein kann man die Anzahl Halbwertszeiten bestimmen, die seit der Erkaltung einer Gesteinsschicht vergangen ist. Für das Mutter-Tochter-Paar Kalium-40 (40K) und Argon-40 (40Ar) beträgt die Halbwertszeit 1.3 Milliarden Jahre. Das heisst, immer nach 1.3 Milliarden Jahren ist die Hälfte aller 40K-Isotope zu 40Ar zerfallen. Die Halbwertszeit für ein anderes Paar, Uran-235 (235U) und Blei-207 (207Pb), beträgt „nur“ 713 Millionen Jahre.

Kennt eine Geologin die Dauer einer Halbwertszeit und das aktuelle Verhältnis zwischen Mutter- und Tochterisotopen, kann sie zurückrechnen und so das numerische Alter des Gesteins bestimmen.

Und was hat es mit dem berühmten Kohlenstoff-14 auf sich?

Welches Isotopenpaar die Geologie zur Altersbestimmung heranzieht, hängt einerseits von der Halbwertszeit ab, andererseits vom Vorkommen der Elemente im fraglichen Gestein. Die bekannte Kohlenstoff-14-Methode (14C-Methode) ist aus zwei Gründen ungeeignet für die Datierung von Gesteinen: Erstens enthalten Gesteine kein 14C (dieses findet sich nur in lebendigen Organismen, in die es via Photosynthese oder den Konsum von photosynthetisierenden Pflanzen gelangt); zweitens ist die Halbwertszeit von 14C mit 5730 Jahren sehr kurz, und innerhalb von 700’000 Jahren wäre nicht mehr genug 14C in einem Gestein enthalten, um es zu detektieren zu können, geschweige denn, um damit eine Datierung vorzunehmen. Die meisten Gesteine sind viel älter als 700’000 Jahre: Sogar die ‚jüngsten‘ unter ihnen sind selten jünger als einige Millionen Jahre. Die 14C-Methode ist deshalb eher für archäologische Arbeiten interessant, bei denen Hinterlassenschaften von prähistorischen Völkern untersucht werden.

Numerische und relative Methoden ergänzen sich

Die oben beschriebene Methode der radiometrischen Altersbestimmung kann jedoch im Fall eines Sedimentgesteins nicht zur Datierung herangezogen werden. Sie macht Aussagen über die Zeit, die seit der Abkühlung eines Gesteins vergangen ist, kann aber keinen Hinweis auf den Zeitpunkt der Sedimentation geben (bei einem Sandstein kann damit zwar bestimmt werden, wann sich die einzelnen Sandkörner abgekühlt haben, nicht aber, wann sie sich zum Sandstein konsolidiert haben). In diesem Fall ist die Stratigraphie immer noch ein nützliches Mittel, um die Aussagen der numerischen Methode zu ergänzen.

Quelle: Redaktion SimplyScience.ch. Erstellt am 31.05.2017

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