Wissenschaftliche Datierungsmethoden für vorgeschichtliche Zeiten

Altersbestimmungsverfahren, die sich auf radiometrische Methoden stützen, haben einen Meßbereich von Millionen von Jahren. Wie steht es aber um ihre Genauigkeit?

In diesem und den zwei folgenden Artikeln werden verschiedene radiometrische Datierungsmethoden beschrieben, mit deren Hilfe Geologen das Alter von Gestein und von Überresten früheren Lebens bestimmen. Die Artikel wurden von einem Kernphysiker vorbereitet, der über jahrelange einschlägige Erfahrung in Forschung und Industrie verfügt.

„Sinkhole ist ein ergiebiger archäologischer Fund. Nach Meinung von Wissenschaftlern zeigen etwa 10 000 Jahre alte Überreste, daß während der Eiszeit in Florida Menschen gelebt haben.“

„Die älteste steinzeitliche Hütte in Japan ist in der Nähe von Osaka ausgegraben worden. Archäologen geben das Alter der Hütte mit ungefähr 22 000 Jahren an.“

„Vor ungefähr einer Million Jahren schlängelte sich ein Fluß durch das östliche Corona (Kalifornien), dessen Ufer in prähistorischer Zeit von Tieren wie Urelefanten, Kamelen, Pferden und Kaninchen aufgesucht wurden.“

BEHAUPTUNGEN wie diese sind beispielhaft für die Art und Weise, wie Archäologen und Paläontologen heute ihre Entdeckungen verkünden. Das Interessanteste an einem Fund ist immer das Alter. Im Gespräch mit Reportern sind Wissenschaftler stets zu einem Kommentar bereit, ganz gleich, ob sie auf Beweise oder nur auf Schätzungen verweisen können.

Fragt man sich beim Lesen solcher Berichte nicht zuweilen, woher die Forscher ihre Kenntnisse beziehen? Wie gut ist es verbürgt, daß in Florida vor 10 000 Jahren und in Japan vor 22 000 Jahren Menschen gelebt haben, und wie sicher kann man sein, daß vor einer Million Jahren Urelefanten und Kamele durch Kalifornien zogen?

Es gibt verschiedene Meßtechniken, mit denen sich Überreste aus alter Zeit datieren lassen. Einige sind verläßlicher als andere, doch keine erreicht die Genauigkeit von Datierungen, die auf historischen Aufzeichnungen beruhen. Die geschriebene Geschichte des Menschen reicht indes höchstens 6 000 Jahre zurück. Datierungen, die in die Zeit davor fallen, sind ausnahmslos meßtechnisch ermittelt worden.

Radiometrische Datierungsmethoden

Von den verschiedenen Datierungsmethoden sind die radiometrischen am zuverlässigsten. Sie haben die Geschwindigkeit radioaktiver Zerfallsprozesse zur Grundlage. Die Zerfallsraten bleiben trotz extremer äußerer Einflüsse unverändert. Das trifft auf Alterungsprozesse, die man bei anderen Methoden zur Datierung heranzieht, nicht zu, da diese zum Beispiel je nach Umgebungstemperatur schneller oder langsamer ablaufen.

Die Uran-Blei-Methode

Die radiometrischen Datierungsmethoden können am Beispiel der Methode, die man zuerst angewandt hat, veranschaulicht werden, einer Methode, bei der man sich den Zerfall von Uran zu Blei zunutze macht. Der radioaktive Zerfall an sich folgt streng einem statistischen Gesetz. Die Menge Uran, die in einem bestimmten Zeitabschnitt zerfallen ist, ist immer proportional zur verbliebenen Menge. Daraus leitet sich eine Kurve (siehe Seite 19) ab, an der sich ablesen läßt, wieviel nicht zerfallenes Material zu einer bestimmten Zeit vorhanden ist. Die Zeit, in der jeweils die Hälfte des Urans zerfällt, nennt man Halbwertszeit. Das übriggebliebene Material zerfällt im Verlauf einer weiteren Halbwertszeit erneut zur Hälfte, so daß die ursprüngliche Menge auf ein Viertel schrumpft. Nach Ablauf von drei Halbwertszeiten ist nur noch ein Achtel übrig und so weiter. Die Halbwertszeit des Urans beträgt 4,5 Milliarden Jahre.

Da sich Uran in Blei umwandelt, entsteht fortlaufend mehr Blei. Wieviel sich bis zu einem bestimmten Zeitpunkt gebildet hat, ist an der gestrichelten Kurve abzulesen. Die Blei-Kurve bildet das Gegenstück zur Uran-Kurve, das heißt, die Gesamtzahl der Blei- und Uranatome bleibt stets unverändert.

Angenommen, man hätte einen uranhaltigen, aber bleifreien Gesteinsbrocken so dicht versiegelt, daß weder etwas eindringen noch etwas herausgelangen könnte. Irgendwann später würde die Versiegelung entfernt und der Uran- und der Bleigehalt des Gesteins bestimmt werden. Daraus ließe sich errechnen, wie lange das Gestein versiegelt war. Fände man zum Beispiel genausoviel Blei wie Uran, wäre eine Halbwertszeit vergangen, nämlich 4,5 Milliarden Jahre. Würde festgestellt, daß sich nur 1 Prozent des ursprünglich vorhandenen Urans in Blei umgesetzt hätte, ergäbe eine Berechnung anhand der Gleichung dieser Kurve, daß inzwischen 65 Millionen Jahre verstrichen wären.

Betont sei, daß der ursprüngliche Urangehalt des Gesteins nicht bekannt sein muß; nach Ablauf einer gewissen Zeit braucht nur das Verhältnis von Blei zu Uran ermittelt zu werden — das reicht völlig, denn zu Beginn eines solchen Experiments hätte ohnehin niemand dabeisein und irgendeine Messung durchführen können.

Jemandem kommt vielleicht in den Sinn, daß hier in Größenordnungen von Millionen oder Milliarden Jahren gesprochen wird, von riesigen Zeitspannen also, und er mag sich fragen: „Welchen Nutzen hat eine derart langsam tickende ‚Zerfallsuhr‘?“ Nun, sie verrät uns beispielsweise, daß die Erde als solche mehrere Milliarden Jahre alt ist und daß es an manchen Orten Gestein gibt, das bereits einen beträchtlichen Teil dieser langen Zeit dort ist. Geologen betrachten eine so langsam tickende „Zerfallsuhr“ als äußerst nützlich für ihre erdgeschichtlichen Studien.

Wie sicher ist die Methode?

Es muß eingeräumt werden, daß die Datierung nicht so einfach vorzunehmen ist, wie sie hier beschrieben wurde. Wir sind davon ausgegangen, daß das Gestein zu Beginn kein Blei enthält. Das ist gewöhnlich nicht der Fall; zu Anfang ist meist etwas „Urblei“ im Gestein vorhanden. Das prägt dem Gestein von vornherein ein Alter auf — es ist also zu Beginn nicht null Jahre alt. Die zweite Annahme war, daß das Uran im Gestein fest eingeschlossen ist und daß weder etwas eindringen noch etwas herausgelangen kann. Das trifft allerdings nur manchmal zu. Über lange Zeitabschnitte können das Blei und das Uran teilweise ins Grundwasser sickern. Auch ist nicht auszuschließen, daß Blei und Uran in das Gestein eindringen, vor allem in Sedimentgestein. Deshalb eignet sich die Methode am besten für vulkanisches Gestein.

Ein weiterer Störfaktor ist, daß das Gestein möglicherweise Thorium enthält, ein radioaktives Element, das sich ebenfalls langsam in Blei verwandelt. Außerdem liegt das Uran noch in Form eines zweiten Isotops vor — chemisch identisch, aber mit anderer Massenzahl. Dieses zerfällt schneller als das erste, wandelt sich jedoch auch in Blei um. Allerdings handelt es sich bei dem Endprodukt um ein anderes Bleiisotop, so daß außer einer chemischen Analyse ein physikalisches Analysenverfahren nötig wird, um die beiden Isotope — Blei mit unterschiedlicher Massenzahl — voneinander trennen zu können.

Ohne auf diese Probleme näher einzugehen, wird deutlich, daß die Geologen auf ihrer Suche nach einem zuverlässigen Ergebnis damit rechnen müssen, daß die Uran-Blei-Methode ihre Tücken hat. Ihnen kommt es gelegen, daß sie mit anderen radiometrischen Verfahren die Richtigkeit ihrer Altersbestimmungen überprüfen können. Oft kann dasselbe Gestein noch anhand von zwei anderen Methoden untersucht werden.

Die Kalium-Argon-Methode

Das allgemein am häufigsten angewandte Verfahren ist die Kalium-Argon-Methode. Kalium ist kein so seltenes Element wie Uran — Kaliumchlorid wird zum Beispiel als Ersatz für Natriumchlorid verkauft. Kalium besteht hauptsächlich aus zwei Isotopen mit der Massenzahl 39 und 41. Ein drittes Isotop mit der Massenzahl 40 ist nur schwach radioaktiv. Eines der Zerfallsprodukte des Kaliums ist Argon, ein reaktionsträges Gas, das in der Atmosphäre zu rund 1 Prozent vorkommt. Das Kaliumisotop mit der Massenzahl 40 hat eine Halbwertszeit von 1,4 Milliarden Jahren. Dadurch eignet es sich für einen Meßbereich von über 10 Millionen bis zu Milliarden Jahren.

Kalium ist — anders als Uran — in der Erdkruste reichlich zu finden. Es ist Bestandteil einer Vielzahl von Mineralien, die in den meisten Gesteinen vorkommen, sowohl in Vulkan- als auch in Sedimentgestein. Die Voraussetzungen für die Brauchbarkeit der Kalium-Argon-Methode sind mit denen für die zuvor genannte Methode vergleichbar: Das Kalium darf bei der Mineralbildung, also beim Start des Zerfalls, nicht mit Argon verunreinigt sein. Hinzu kommt, daß das System völlig geschlossen sein muß, so daß weder Argon noch Kalium entweichen oder eindringen kann.

Wie praktikabel ist die Methode? Das eine Mal ist sie sehr brauchbar, ein anderes Mal versagt sie vollkommen. Gelegentlich weicht das ermittelte Alter erheblich von den Werten ab, die mit der Uran-Blei-Methode gemessen wurden. Meist liegt das Alter niedriger, was man auf einen Verlust an Argon zurückführt. Bei anderen Gesteinsarten dagegen stimmen die Ergebnisse sehr gut überein.

Eine für die Öffentlichkeit äußerst interessante Anwendung der Kalium-Argon-Methode war die Altersbestimmung eines Gesteinsbrockens, den die Apollo-15-Astronauten vom Mond mitgebracht hatten. Ein Bröckchen dieses Gesteins wurde nach der Kalium-Argon-Methode untersucht, und man stellte ein Alter von 3,3 Milliarden Jahren fest.

Die Rubidium-Strontium-Methode

Eine weitere Methode zur Bestimmung des Alters von Gestein ist noch nicht so lange in Gebrauch. Sie hat als Grundlage den Zerfall von Rubidium mit Strontium als Endprodukt. Rubidium zerfällt unvorstellbar langsam. Seine Halbwertszeit beträgt 50 Milliarden Jahre! Folglich ist selbst in den ältesten Gesteinen nur wenig Rubidium zerfallen. Deshalb sind peinlich genaue Messungen erforderlich, um das zusätzliche Strontium 87 vom ursprünglichen Strontium zu unterscheiden. In Gestein kann hundertmal mehr Strontium enthalten sein als Rubidium. Selbst nach einer Milliarde Jahren ist erst wenig mehr als 1 Prozent des Rubidiums zerfallen. Trotz dieser Schwierigkeiten hat man in einigen Fällen den winzigen Teil des durch Zerfall entstandenen Strontiums messen können. Der Wert der Methode liegt darin, daß man damit das Alter, das anhand anderer Verfahren bestimmt wurde, überprüfen kann.

Ein aufregendes Beispiel für die Anwendung dieser Methode war die Untersuchung eines Meteoriten, der nach Annahme der Astronomen aus derselben Art Gestein besteht wie dasjenige, das entsprechend einer Theorie zusammenstürzte und unseren Planeten gebildet haben soll, sozusagen ein Überbleibsel des Rohmaterials unseres Sonnensystems. Das ermittelte Alter von 4,6 Milliarden Jahren war mit dieser Vorstellung vereinbar.

Ein außergewöhnlicher Erfolg für die Rubidium-Strontium-Methode war die Datierung des zuvor genannten Mondgesteins. Fünf verschiedenartige Minerale wurden untersucht, und die Ergebnisse wiesen durchweg auf ein Alter von 3,3 Milliarden Jahren hin, genau das gleiche Alter, das nach der Kalium-Argon-Methode bestimmt wurde.a

In manchen Fällen stimmen die Messungen, die mit diesen drei Methoden vorgenommen wurden, gut miteinander überein, und so ist man geneigt, darauf zu vertrauen, daß die Altersangaben korrekt sind. Es sei jedoch betont, daß derartige Fälle nur zeigen, wie weit eine Übereinstimmung unter idealen Bedingungen möglich ist. Die Bedingungen sind jedoch meist nicht ideal. Es können weit mehr Beispiele dafür angeführt werden, daß die Ergebnisse nicht zusammenpassen.

Paläontologen versuchen Fossilien zu datieren

Die Paläontologen haben versucht, den Erfolg der Geologen, das Alter von Gestein zu bestimmen, das erst einige Millionen Jahre beträgt, nachzuahmen. Sie glauben, das Alter einiger Fossilien falle in diesen Zeitraum. Zu ihrem Leidwesen ist die Kalium-Argon-Methode für sie nicht gut geeignet, da Fossilien naturgemäß nicht in vulkanischem Gestein, sondern überwiegend in Sedimenten zu finden sind. Für diese Gesteinsart sind radiometrische Datierungsmethoden in der Regel nicht verläßlich genug.

Als Veranschaulichung mögen Fossilien dienen, die unter einem dichten Regen vulkanischer Asche begraben wurden. Die Asche verfestigte sich später zu einer Art Tuff. Dabei handelt es sich zwar um eine Sedimentformation, sie besteht aber aus vulkanischem Material, das an der Luft erstarrt ist. Wenn es gelänge, eine solche Formation zu datieren, könnte man das Alter der darin eingeschlossenen Fossilien angeben.

Um einen solchen Fall handelte es sich bei den Funden in der Olduwaischlucht in Tansania (Afrika), wo Fossilien affenähnlicher Tiere Aufsehen erregten, weil ihre Entdecker behaupteten, diese Tiere seien mit den Menschen verwandt. Erste Messungen der Argonkonzentration des vulkanischen Tuffs, in dem man die Fossilien gefunden hatte, ergaben ein Alter von 1,75 Millionen Jahren. Spätere Messungen eines anderen qualifizierten Labors lagen eine halbe Million Jahre niedriger. Äußerst enttäuschend für die Evolutionisten war, daß das Alter benachbarter Tuffschichten uneinheitliche Werte ergab. Manchmal enthielt die obere Schicht mehr Argon als die untere. Doch das ist aus geologischer Sicht grundverkehrt — die obere Schicht muß sich später als die untere abgelagert haben und folgerichtig weniger Argon enthalten.

Die Schlußfolgerung lautete: „Die Meßwerte sind durch ‚Urargon‘ verfälscht worden. Aus dem flüssigen Gestein ist nicht alles ursprüngliche Argon entwichen.“ Die Zeiger der „Zerfallsuhr“ standen anfangs also nicht auf Null. Wenn nur ein Zehntelprozent des zuvor aus Kalium entstandenen Argons im Gestein verblieb, als es im Vulkan schmolz, hätte die „Uhr“ nicht mit null Jahren, sondern mit einem Alter von fast einer Million Jahren zu laufen begonnen. Treffend sagte ein Experte: „Einige Datierungen müssen falsch sein, und wenn einige falsch sind, sind vielleicht alle falsch.“

Ungeachtet dessen, daß Experten diese Datierungen für möglicherweise bedeutungslos halten, wird das ursprünglich für die Olduwai-Fossilien bestimmte Alter von 1,75 Millionen Jahren weiterhin in bekannten pro-evolutionistischen Zeitschriften zitiert. Man macht den Laien nicht darauf aufmerksam, daß es sich bei solchen Altersangaben nur um Schätzungen handelt.

[Fußnote]

[Herausgestellter Text auf Seite 18]

Geologen, die sich der Uran-Blei-Methode bedienen, müssen damit rechnen, daß sie ihre Tücken hat

[Herausgestellter Text auf Seite 20]

Man macht nicht darauf aufmerksam, daß es sich bei den Altersangaben nur um Schätzungen handelt

[Übersicht auf Seite 19]

(Genaue Textanordnung in der gedruckten Ausgabe)

Die Abnahme an Uran und die Zunahme an Blei sind direkt proportional zueinander

100 %

50 %

25 %

12,5 %

Halbwertszeiten 1 2 3

Blei (Argon)

Uran (Kalium)

[Diagramm auf Seite 18]

(Genaue Textanordnung in der gedruckten Ausgabe)

Uran

Blei

Wieviel Uran (oder Blei) war in dem Gestein ursprünglich enthalten?

Wieviel Uran (oder Blei) drang später in das Gestein ein?

Wieviel Blei entstammt dem Thoriumzerfall?