Geochronologie w [von *geo- , Chronologie], geologische Altersbestimmung (Stratigraphie), die zeitliche Einstufung von Gesteinen durch die in ihnen vorhandenen Zeitmarken aller Art, z.B. Fossilien und radioaktive Elemente (Radionuklide), zur Rekonstruktion der Erdgeschichte (Tab.). Geochronologische Einheiten sind in absteigender Reihenfolge Äon, Ära, Periode, Epoche, Alter, Chron ( Erdgeschichte II ). – Nach biblischen Zeugnissen rechnete man mit einer Entstehung der Erde im Jahre 4004 v.Chr. Dem dänischen Arzt N. Stensen (Nicolaus Steno, 1669) wird die später als „stratigraphisches Grundgesetz“ bezeichnete Erkenntnis zugeschrieben, daß bei Ablagerung (Sedimentation) von Schichtgesteinen (Sedimentgesteine) die jeweils jüngere die jeweils ältere Schicht (Stratum) überdeckt, also bei ungestörter Lagerung die Gesteine nach oben hin immer jünger werden. Daraus leitete sich die Möglichkeit ab, benachbarte Schichtfolgen zu vergleichen, zu parallelisieren (Schichtparallelisierung) und nach dem Prinzip „älter als – jünger als“ in zeitliche Beziehung zu setzen (relative geologische Zeitrechnung, relative Chronologie). Da Gesteine verschiedenen Alters oft ähnlich aussehen, war die Gefahr des Irrtums groß. Erst durch die Entdeckung des engl. Geologen W. Smith (1796, 1817), daß in bestimmten Schichten immer nur bestimmte Fossilien vorkommen, von denen manche besonders charakteristisch sein können (Leitfossilien), war die Möglichkeit zu zweifelsfreier Orientierung in der Schichtfolge und des Erkennens von Schichtlücken gewonnen (Biochronologie, Biostratigraphie). Die erdgeschichtliche Tab. ( Erdgeschichte I Erdgeschichte II ) war also in ihren Grundzügen bereits richtig erarbeitet, bevor eine begründete Vorstellung vom zahlenmäßigen, absoluten Alter der Gesteine existierte. Schätzungen des Erdalters auf naturwissenschaftlicher Grundlage schwankten zwar in weiten Grenzen, waren aber dennoch weitaus realistischer als die eingangs genannte Zahl. J.S. Goodchild veröffentlichte 1897 eine Zeitskala, die den Beginn des Kambriums auf 704 Millionen Jahre vor heute festsetzte. 1898 berechnete J. Joly den Natriumgehalt (Natrium) der heutigen Ozeane (Meer) nach der Denudationsstatistik auf 80 bis 90 Millionen Jahre. 1903 wies E. Rutherford als erster auf die Möglichkeit hin, aus dem Zerfall radioaktiver Substanzen (Radioaktivität) ein absolutes Zeitmaß zu erhalten. Damit war der Ansatz für eine absolute geologische Zeitrechnung (absolute Chronologie, Geochronometrie) geschaffen (s.u.: Radiometrische Datierungsmethoden). Die moderne Geochronologie stützt sich vor allem auf Methoden der radiometrischen Datierung ( vgl. Tab. ), die vom natürlichen Zerfall radioaktiver Isotope (¹⁴C, ⁴⁰K, ²³²Th, ²³⁸U, ²³⁵U usw.) in einer Zeiteinheit (Halbwertszeit in Jahren) und dem Mengenverhältnis radioaktiver und radiogener Isotope ausgehen. – Eine „paläomagnetische Methode“, die sich unvermittelte Umpolungen des magnetischen Erdfeldes (Magnetfeld) zunutze macht, findet heute ab der Kreide bis zum Quartär Anwendung. Für die Altersbestimmung von Organismen bis 70.000 Jahre vor heute, insbesondere an Knochen und Zähnen, wurde die Racemisations- oder Racemat-Methode entwickelt, die auf der Umwandlung von Aminosäuren von der primären L-Form in die sekundäre D-Form basiert (Aminosäuredatierung; Aminosäuremethode). Für die jüngsten geologischen Zeiträume (einige Jahrtausende) finden weitere Methoden wie z.B. die Thermolumineszenzmethode (Lumineszenzdatierung) oder abzählende Methoden wie die Dendrochronologie und Warvenchronologie Anwendung. Die Palynologie liefert neben der Altersbestimmung von Sedimentgesteinen (bis ins Ordovizium möglich) Einblicke in die Vegetations- und Klimageschichte (Klimaänderungen), wobei die Analyse von Pollen und Sporen aus quartären Ablagerungen (insbesondere Torfen) als Pollenanalyse bezeichnet wird. – Die Biochronologie ermittelt als eine Arbeitsrichtung der Geochronologie eine relative Zeitskala anhand von paläontologischen Befunden. Die Biostratigraphie führt als Zweig der Stratigraphie eine Zeit- und Alterbestimmung mit Fossilien durch und erarbeitet ebenfalls eine relative Zeitskala. In der Praxis sind beide Begriffe daher mehr oder weniger deckungsgleich. Mit radiometrischen Methoden legt man neuerdings das Alter der Erde auf ca. 4,7, der ältesten Gesteine auf 4 und das Alter der ältesten Organismenreste auf 3,5–3,7 Milliarden Jahre fest. Datierungsmethoden, Gentner (W.), Paläontologie.

Radiometrische Datierungsmethoden:

Die Umwandlungen der radioaktiven Isotope (Radionuklide) folgen vielgliedrigen Zerfallsreihen (Radioaktivität, Abb.) und unterliegen keinerlei äußeren Einflüssen (Druck, Temperatur). Für die Geochronologie ist diese Unabhängigkeit von der physikalischen Umgebung sehr wichtig. Der Vorgang des Zerfalls des Mutternuklids in das Tochternuklid vollzieht sich so, daß in gleichen Zeiten stets gleiche Bruchteile des Mutternuklids umgewandelt werden (Exponentialfunktion). Diese Zahl ist für jedes Radioisotop spezifisch. Man mißt die Geschwindigkeit des Zerfalls nach der Zeit, in der die Hälfte der Ausgangsmenge (Mutternuklid) in das Tochternuklid umgewandelt ist (Halbwertszeit). Um das Alter einer Substanzprobe zu messen, muß also das Verhältnis der Isotopenhäufigkeiten ermittelt werden. Dabei ist zu berücksichtigen, daß bei Zerfallsprozessen mit sehr langen Halbwertszeiten (z.B. ²³⁸U → ²⁰⁶Pb, Uran-Blei-Methode) kleine Zeitabschnitte nicht exakt gemessen werden können, weil sich noch keine meßbare Konzentration des Tochternuklids gebildet hat. Auf der anderen Seite sind Zerfallsprozesse mit kurzen Halbwertszeiten (z.B. ¹⁴C → ¹⁴N, Radio-Carbon-Methode) für die Messung längerer Zeiträume ungeeignet, weil die Muttersubstanz schon weitgehend verschwunden ist (siehe Abb. unter Artikel).

Radio-Carbon-Methode (¹⁴C-Methode, Kohlenstoff-14-Methode, Radiokohlenstoffdatierung):
Das seltene Kohlenstoffisotop ¹⁴C wandelt sich mit einer Halbwertszeit von 5730 Jahren durch Betazerfall in das stabile Stickstoffisotop ¹⁴N um. ¹⁴C wird in der hohen Atmosphäre ständig neu gebildet durch die Kernreaktion

¹⁴₇N + ¹₀n → ¹⁴₆C + ¹₁p

Neutronen aus der kosmischen Strahlung treffen auf den Stickstoff der Luft ( vgl. Abb. ). Der gebildete Kohlenstoff verbindet sich sofort mit Sauerstoff zu Kohlendioxid (CO₂) und diffundiert langsam in die Biosphäre. Dort werden die CO₂-Moleküle durch Pflanzen, Tiere und Menschen solange aufgenommen, wie diese leben. Solange entspricht deren ¹⁴C-Gehalt dem der Atmosphäre. Nach dem Tod des Organismus nimmt dieser Gehalt mit der Halbwertszeit des ¹⁴C ab. Bestimmt man ihn in den Überresten des Organismus, so kann man den Zeitpunkt des Todes feststellen. Dabei wird im Grunde vorausgesetzt, daß der Gehalt der Atmosphäre an ¹⁴C damals der gleiche war wie heute. Heutzutage müssen der durch die seit Ende des 19. Jahrhunderts (im Zuge der Industrialisierung) ständig wachsende Zahl von Verbrennungsprozessen zunehmende CO₂-Gehalt der Atmosphäre und die damit verbundene Abnahme des ¹⁴C-Gehalts um ca. 3% berücksichtigt werden („Industrieeffekt“). Heute genügen – im Gegensatz zu früher – für eine Altersbestimmung nach dieser Methode bereits kleinste Mengen; ein Ergebnis liegt oft schon nach Stunden vor.

Uran-Blei-Methode (Blei-Methode):
Natürliches Blei ist eine Mischung von 4 stabilen Isotopen mit den Massenzahlen 204, 206, 207 und 208. Die letzten 3 sind „Radioblei“ (Endprodukte von Zerfallsreihen). Solange andere Nuklide dieser Reihen zugegen sind, nimmt der Gehalt an Radioblei gegenüber ²⁰⁴Pb ständig zu. Trennt sich das Blei von der Zerfallsreihe, so hört die Anreicherung auf. Dieser Zeitpunkt läßt sich feststellen, wenn man den Gehalt der verschiedenen Bleiisotope mit einem Massenspektrometer bestimmt.
Zeigt die Isotopenanalyse eines Minerals z.B. ein Konzentrationsverhältnis zwischen ²⁰⁶Pb und ²⁰⁴Pb von 38,5, so kann man abschätzen, daß sich das Blei vor etwa 300 Millionen Jahren vom Uran getrennt haben muß (z.B. bei einem Vulkanausbruch). Durch Analyse aller Bleiisotope erhält man Aufschluß über das Alter der Erde (ca. 4,7 Milliarden Jahre).

Kalium-Argon-Methode:
Das natürliche Isotop ⁴⁰K (Kalium) unterliegt einem Doppelzerfall zu ⁴⁰Ca (Calcium) und ⁴⁰Ar, wobei ⁴⁰Ca durch reinen β^–-Zerfall (Betastrahlen) und ⁴⁰Ar durch Einfang eines Elektrons aus der K-Schale der Atomhülle (sog. K-Einfang) entsteht. Da dieser Zerfall mit einer Halbwertszeit von 1,3 Milliarden Jahren vor sich geht, können mit der Methode Ablagerungen datiert werden, die älter als ca. 500.000 Jahre sind. Allerdings ist die Kalium-Argon-Methode vorwiegend auf vulkanisches Gestein (Vulkanismus) beschränkt und fehlerhaft, wenn das Gestein nach Verfestigung Kalium oder (das Gas) Argon durch verschiedene Ereignisse verloren oder zusätzlich gebunden hat. In diesem Fall erlaubt die Bestimmung des Isotopenverhältnisses ⁴⁰Ar/³⁹Ar (Argon-Argon-Methode) die Korrektur der Datierung bzw. bietet eine heute vielgenutzte Alternative zur Kalium-Argon-Methode.

S.K./M.B./W.R.

Geochronologie

Nähere Erläuterungen siehe Text unter Radiometrische Datierungsmethoden.