Über Isotopendatierungs-Maßstäbe für die geologische Zeit

Die Arbeit der Geologen besteht darin, die wahre Geschichte der Erde zu erzählen - genauer gesagt, eine Geschichte der Erde, die immer wahrer wird. Vor hundert Jahren hatten wir wenig Ahnung von der Länge der Geschichte - wir hatten keinen guten Maßstab für die Zeit. Mit Hilfe von Isotopendatierungsmethoden können wir heute das Alter von Gesteinen fast genauso gut bestimmen wie die Gesteine ​​selbst. Dafür können wir der Radioaktivität danken, die um die Jahrhundertwende entdeckt wurde.

Die Notwendigkeit einer geologischen Uhr

Vor hundert Jahren waren unsere Vorstellungen über das Alter der Gesteine ​​und das Zeitalter der Erde vage. Aber offensichtlich sind Steine ​​sehr alte Dinge. Gemessen an der Anzahl der vorhandenen Gesteine ​​und den nicht wahrnehmbaren Prozessen wie Erosion, Bestattung, Fossilisierung und Hebung muss die geologische Aufzeichnung eine unermessliche Zeitspanne von Millionen von Jahren darstellen. Es ist diese Einsicht, die erstmals 1785 zum Ausdruck gebracht wurde, die James Hutton zum Vater der Geologie machte.

Wir wussten also über "tiefe Zeit" Bescheid, aber es war frustrierend, sie zu erkunden. Über hundert Jahre lang war die Verwendung von Fossilien oder Biostratigraphie die beste Methode, um seine Geschichte zu ordnen. Das funktionierte nur für Sedimentgesteine ​​und nur für einige davon. Die Gesteine ​​des präkambrischen Zeitalters wiesen nur die seltensten Fossilienfetzen auf. Niemand wusste, wie viel von der Erdgeschichte unbekannt war! Wir brauchten ein präziseres Werkzeug, eine Art Uhr, um es zu messen.

Der Aufstieg der Isotopendatierung

Im Jahr 1896 zeigte Henri Becquerels zufällige Entdeckung der Radioaktivität, was möglich sein könnte. Wir haben erfahren, dass einige Elemente radioaktiv zerfallen und sich spontan in einen anderen Atomtyp verwandeln, während sie einen Ausbruch von Energie und Teilchen abgeben. Dieser Prozess läuft mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit ab, die so stabil wie eine Uhr ist und weder von normalen Temperaturen noch von normaler Chemie beeinflusst wird.

Das Prinzip des radioaktiven Zerfalls als Datierungsmethode ist einfach. Betrachten Sie diese Analogie: Ein Grill voller brennender Holzkohle. Die Holzkohle brennt mit einer bekannten Geschwindigkeit, und wenn Sie messen, wie viel Holzkohle noch übrig ist und wie viel Asche sich gebildet hat, können Sie feststellen, wie lange es her ist, bis der Grill angezündet wurde.

Das geologische Äquivalent zum Anzünden des Grills ist der Zeitpunkt, zu dem sich ein Mineralkorn verfestigt, sei es in einem alten Granit oder erst heute in einem frischen Lavastrom. Das feste Mineralkorn fängt die radioaktiven Atome und ihre Zerfallsprodukte ein und sorgt so für genaue Ergebnisse.

Kurz nachdem die Radioaktivität entdeckt worden war, veröffentlichten die Experimentatoren einige Versuchsdaten von Gesteinen. Als Ernest Rutherford erkannte, dass der Zerfall von Uran Helium produziert, bestimmte er 1905 das Alter eines Stückes Uranerz, indem er die Menge des darin eingeschlossenen Heliums maß. Bertram Boltwood verwendete 1907 Blei, das Endprodukt des Zerfalls von Uran, als Methode, um das Alter des Uraninits in einigen uralten Gesteinen zu bestimmen.

Die Ergebnisse waren spektakulär, aber verfrüht. Die Gesteine ​​schienen erstaunlich alt zu sein und reichten von 400 Millionen bis zu mehr als 2 Jahren Milliarde Jahre. Aber zu der Zeit wusste niemand etwas über Isotope. Als die Isotope in den 1910er Jahren expliziert wurden, wurde klar, dass die radiometrischen Datierungsmethoden nicht für die Hauptzeit bereit waren. 

Mit der Entdeckung der Isotope kehrte das Datierungsproblem auf den ersten Platz zurück. Zum Beispiel ist die Zerfallskaskade von Uran zu Blei tatsächlich ein Zerfall von zwei Uran-235 zu Blei-207 und von Uran-238 zu Blei-206, aber der zweite Prozess ist fast siebenmal langsamer. (Das macht Uran-Blei-Datierungen besonders nützlich.) In den nächsten Jahrzehnten wurden etwa 200 weitere Isotope entdeckt. Diejenigen, die radioaktiv sind, haben ihre Zerfallsraten in sorgfältigen Laborexperimenten bestimmen lassen.

In den 1940er Jahren ermöglichten dieses grundlegende Wissen und die Fortschritte bei den Instrumenten die Bestimmung von Daten, die für Geologen von Bedeutung sind. Die Techniken sind jedoch noch immer auf dem neuesten Stand, da mit jedem Schritt eine Vielzahl neuer wissenschaftlicher Fragen gestellt und beantwortet werden kann.

Methoden der Isotopendatierung

Es gibt zwei Hauptmethoden der Isotopendatierung. Man erkennt und zählt radioaktive Atome durch ihre Strahlung. Die Pioniere der Radiokohlenstoffdatierung verwendeten diese Methode, weil Kohlenstoff-14, das radioaktive Isotop des Kohlenstoffs, sehr aktiv ist und mit einer Halbwertszeit von nur 5730 Jahren zerfällt. Die ersten Radiokohlenstofflabore wurden unterirdisch unter Verwendung antiker Materialien aus der Zeit vor der radioaktiven Kontamination in den 1940er Jahren errichtet, um die Hintergrundstrahlung gering zu halten. Trotzdem kann es Wochen dauern, bis die Patienten genau gezählt sind, insbesondere bei alten Proben, in denen nur noch wenige Radiokohlenstoffatome vorhanden sind. Diese Methode wird immer noch für seltene, hochradioaktive Isotope wie Kohlenstoff-14 und Tritium (Wasserstoff-3) angewendet..

Die meisten Zerfallsprozesse von geologischem Interesse sind für Zerfallszählmethoden zu langsam. Die andere Methode beruht darauf, die Atome jedes Isotops zu zählen und nicht darauf zu warten, dass einige von ihnen zerfallen. Diese Methode ist schwieriger, aber vielversprechender. Es geht darum, Proben vorzubereiten und durch ein Massenspektrometer zu leiten, das sie Atom für Atom so sauber nach Gewicht sortiert wie eine dieser Münzsortiermaschinen.

Betrachten Sie als Beispiel die Kalium-Argon-Datierungsmethode. Kaliumatome kommen in drei Isotopen vor. Kalium-39 und Kalium-41 sind stabil, aber Kalium-40 unterliegt einer Zersetzungsform, die es in Argon-40 mit einer Halbwertszeit von 1.277 Millionen Jahren umwandelt. Je älter eine Probe wird, desto geringer ist der prozentuale Anteil von Kalium-40 und desto größer ist umgekehrt der prozentuale Anteil von Argon-40 im Verhältnis zu Argon-36 und Argon-38. Die Zählung einiger Millionen Atome (leicht mit nur Mikrogramm Gestein) ergibt ziemlich gute Daten.

Die Isotopendatierung hat das ganze Jahrhundert des Fortschritts untermauert, den wir in der wahren Geschichte der Erde gemacht haben. Und was ist in diesen Milliarden Jahren passiert? Das ist genug Zeit, um all die geologischen Ereignisse, von denen wir je gehört haben, mit Milliarden übrig zu kombinieren. Aber mit diesen Datierungswerkzeugen waren wir damit beschäftigt, tiefe Zeiten abzubilden, und die Geschichte wird von Jahr zu Jahr genauer.