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

Wenn man Geschichte studiert, muss man Ereignissen ein Datum zuweisen können, um sie in der Zeit zu verankern. Ähnlich ist es in der Geologie: Um ihre Geschichte verstehen zu können, muss man in der Lage sein, das Alter von Gesteinen zu bestimmen. Vom relativen zum numerischen Alter: Begeben wir uns auf die Spur der Entdeckungen auf diesem spannenden Gebiet der Geologie.

Gesteinsschichten

Verschiedene Gesteinsschichten haben ein unterschiedliches Alter. Bild: CanStockPhoto

Die Stratigraphie: Lehre der Schichten

Während langer Zeit mussten sich Geologen damit begnügen, Gesteinen ein relatives Alter zuzuweisen, d. h., man war zwar in der Lage, eine Aussage darüber zu machen, welches Gestein älter war, konnte ihnen jedoch kein Alter in Zahlen zuschreiben. Mit einfachen Mitteln und dank dem Studium der Stratigraphie waren die Geologen trotzdem zu sehr schlüssigen Aussagen fähig. Hier einige Regeln, auf die sich ein Geologe bei der Erforschung einer 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.
  • Anfangs sind die Schichten grosse, kontinuierliche Gesteinsbanden. 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.
Gesteinsschichten

Für jede Gesteinsschicht kann ein typisches Fossil bestimmt werden. So können auch weit entfernte Schichten miteinander verglichen werden. Bild: Wikimedia Commons, CC-Lizenz

Im Gestein 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.

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 Altersleiter erstellt werden, die wertvolle Informationen enthält. So findet der Geologe beispielsweise heraus, welche Schicht sich im Zeitalter der Dinosaurier gebildet hat. Er erhält einen Eindruck von der damaligen Landschaft und vom Klima, obwohl er 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 (s. dazu auch das Experiment "Aus Mais wird Popcorn – ein Küchenexperiment zur Halbwertszeit").

Halbwertszeit

Kennt der Geologe die Dauer einer Halbwertszeit und das aktuelle Verhältnis zwischen Mutter- und Tochterisotopen, kann er zurückrechnen und so das numerische Alter des Gesteins bestimmen.

In einem Gestein zerfällt die Hälfte einer Gruppe von Isotopen derselben Art in einer gewissen Zeit, die als Halbwertszeit bezeichnet wird. Die Anzahl Halbwertszeiten, die seit der Erkaltung einer Gesteinsschicht vergangen ist, wird durch das Verhältnis von Mutter- und Tochterisotopen im Gestein bestimmt. Für das Mutter-Tochter-Paar Kalium-40 (40K) und Argon-40 (40Ar), beträgt die Halbwertszeit 1.3 Milliarden Jahren. 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.

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 berühmte Kohlenstoff-14-(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 entdecken, 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

Zur Erinnerung: Die radiometrische Altersbestimmung macht Aussagen über die Zeit, die seit der Abkühlung eines Gesteins vergangen ist. Im Falle eines Sedimentgesteins kann diese Methode jedoch nicht zur Datierung herangezogen werden, da sie uns keinen Hinweis auf den Zeitpunkt der Sedimentation gibt. Bei einem Sandstein etwa, der aus abgelagerten Sandkörnern besteht, kann zwar bestimmt werden, wann sich die einzelnen Sandkörner abgekühlt haben, nicht jedoch wann sie sich zum Sandstein an sich konsolidiert haben. In diesem Fall ist die Stratigraphie immer noch ein nützliches Mittel, um die Aussagen der numerischen Methode zu ergänzen.

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