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Die steinerne Zeit

Die Datierung der Erdgeschichte steckt voller Tücken: Immer wieder kommen Fehler bei der Altersbestimmung von Gesteinen ans Licht – und ein Teil der Erdgeschichte muß umgeschrieben werden. Geochronologen arbeiten mit kriminalistischem Gespür.

Prof. Hou Lianhai von der chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking staunte nicht schlecht. Die versteinerten Reste des hühnereigroßen Vogels aus der nordchinesischen Provinz Liaoning waren viel älter als er gedacht hatte: 140 Millionen Jahre ergab die Datierung. Damit hätte „Confuciusornis sanctus“, wie der Paläontologe den Fund taufte, fast zur gleichen Zeit gelebt wie der legendäre Vogel-Ahn Archaeopteryx.

Dabei war sein Schädel wesentlich weiter entwickelt: Er besaß bereits einen modernen Hornschnabel an Stelle von Zähnen. Es schien, als müßte die Entwicklungsgeschichte der Vögel neu geschrieben werden. Möglicherweise, so mutmaßten die Experten, hatte das Federvieh schon in der Trias (vor rund 200 Millionen Jahren) das Fliegen gelernt, nicht erst im darauffolgenden Jura.

Doch die chinesische Zeitberechnung geriet kürzlich ins Kreuzfeuer der Kritik: Kanadische Wissenschaftler ermittelten bei einer erneuten Datierung ein Alter von nur 120 Millionen Jahren. Wenn sie recht behalten, was sich noch zeigen muß, ist der vermeintliche Querflieger wesentlich jünger als Achaeopteryx – und die Paläontologen-Welt wieder in Ordnung.

Das Beispiel ist kein Einzelfall: Trotz ständig verbesserter Datierungsverfahren kommt es immer wieder zu Widersprüchen und Fehlern. Kein Wunder – denn eine verläßliche Altersbestimmung ist wesentlich schwieriger als die Meldungen exakter Zahlen suggerieren.

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Je älter ein Fundstück, desto ungewisser ist sein Alter. Während es für die jüngste Vergangenheit inzwischen mehrere Datierungsverfahren gibt, die eine wechselseitige Überprüfung ermöglichen, bleibt für den weitaus größten Teil der Erdgeschichte nur die radioaktive Uhr, die in jedem Felsen tickt: Sie basiert darauf, daß Gesteine eine ganze Reihe radioaktiver Isotope enthalten, die mit bekannten Halbwertszeiten zerfallen, wobei Isotope eines anderen Elements entstehen.

Aus dem jeweiligen Verhältnis von Mutter- zu Tochter-Nuklid kann man berechnen, wann der Stein einst aus dem glutflüssigen Erdinnern auskristallisiert ist. Denn erst beim Erstarren, wenn sich die Bestandteile nicht mehr trennen können, beginnt die Uhr zu ticken.

Inzwischen nutzen Experten rund ein Dutzend verschiedener Mutter-Tochter-Gespanne wie Uran-Blei, Kalium-Argon oder Rubidium-Strontium. Wegen der unterschiedlichen Halbwertszeiten eignen sich die einzelnen Paare für jeweils andere Perioden der Erdgeschichte. Fehler entstehen dabei nicht nur durch Meßungenauigkeiten – im Laufe der Jahrmillionen entweichen auch Atome aus dem Gestein, in dem sie entstanden sind, und verstellen damit die Uhr. Der Verlust der Tochter-Isotope führt zu einer Unterschätzung des Alters.

Prof. Hans Joachim Lippolt nennt eine weitere Fehlerquelle: „Viele Steine haben eine bewegte Geschichte mit diversen chemischen Veränderungen hinter sich.“ Der Leiter des Laboratoriums für Geochronologie an der Universität Heidelberg wiegt einen Brocken aus altem Schwarzwälder Vulkangestein in der Hand, der während geologisch unruhiger Zeiten mehrmals in große Tiefen geraten und wieder aufgestiegen ist. In der Hitze der Unterwelt wuchsen in seinen Hohlräumen neue Kristalle heran und einige der alten Kristalle schmolzen auf, so daß deren radioaktive Uhr auf Null gestellt wurde. In dem faustgroßen Stein verbergen sich deshalb heute mehrere unterschiedliche Alter.

Noch vor ein paar Jahren führte die Vieldeutigkeit oft zu Fehlern. Da für das herkömmliche Meßverfahren eine relativ große, grammschwere Gesteinsprobe nötig war, lieferte die Messung lediglich einen Mittelwert, der nichts besagte. „Inzwischen“, berichtet Lippolt, „geht der Trend zur punktgenauen Analyse.“ Mit immer aufwendigeren und teureren Geräten nehmen die Experten winzige Einzelkristalle aufs Korn. Die Minerale werden mit feinen Elektronen-, Laser- oder Ionenstrahlen beschossen, und das herausgeschleuderte Material anschließend analysiert. So erhält man ein exaktes Alter – und nach mehreren Messungen sogar ein recht genaues Bild vom Werdegang eines Steins.

Zu Goethes Zeiten hätte man von solchen Finessen nur träumen können. Bevor die radioaktive Uhr entdeckt wurde, tappten Geowissenschaftler bei der Datierung im dunkeln. Sie waren überzeugt, daß eine absolute Altersbestimmung niemals gelingen werde. Bis weit ins 17. Jahrhundert hinein ließen sie sich von der Bibel zu absurden Berechnungen verleiten und verkürzten die gesamte Erdgeschichte auf wenige Jahrtausende. Sie nahmen kurzerhand die Generationenfolge seit Adam und Eva, wie sie das Alte Testament penibel auflistet, als Maßstab. Der irische Erzbischof James Ussher, einer der bekanntesten Bibel-Deuter, ermittelte auf die Stunde ganau, wann Gott die Erde mitsamt den Lebewesen erschaffen hatte: am 23. Oktober des Jahres 4004 v. Chr., Schlag 9 Uhr.

Erst als sich die religiösen Nebel gelichtet hatten und die Idee von der Evolution Gestalt annahm, wurden die Datierungsversuche vernünftiger. Im 18. und 19. Jahrhundert ließen findige Köpfe glühende Eisenkugeln auskühlen und schlossen aus der benötigten Zeit auf die Abkühlungsgeschwindigkeit der Erde. Sie kamen auf ein Alter zwischen einer Million und einer Milliarde Jahren.

Ähnliche Werte lieferte die Abschätzung von Sedimentationsraten. Die Berechnungen basierten auf der Geschwindigkeit, mit der Flüsse das Gestein abtragen und den Schutt abladen. Solche Schätzungen waren zwar kaum geeignet, das wahre Alter der Erde – rund 4,6 Milliarden Jahre, wie wir heute wissen – zu ermitteln, doch auch im vergangenen Jahrhundert überblickten die Geologen recht gut die letzten 600 Millionen Jahre.

Da sie das absolute Alter nicht kannten, mußten sie sich mit dem relativen zufrieden geben, das sie an Fossilien und Gesteinsfolgen festmachten. Es war die hohe Zeit der Stratigraphie, der Chronologie der Gesteinsschichten. Die einzelnen Gesteinslagen, das wurde rasch klar, hatten sich nach und nach abgelagert und verfestigt: Unten liegt also – jedenfalls bei ungestörten Schichten – jeweils das ältere Gestein, darüber das jüngere. Wer in die Tiefe bohrt, blickt stets in die Vergangenheit. Jeder Zentimeter ist ein Stück steingewordene Zeit, in der sogar die damals lebenden Tiere und Pflanzen Spuren hinterlassen haben. An manchen Stellen der Erde liegt die Vergangenheit offen zutage: Eine Felswand des Grand Canyon gleicht einem aufgeschlagenen Buch, das dem Lesekundigen unzählige Details der Erdgeschichte preisgibt – über Vorrücken und Rückzug der Meere, über unruhige Zeiten, in denen Gebirge rasch emporwuchsen, über die Entwicklung neuer Organismen und das Aussterben alter Lebewesen.

Der stratigraphische Schmöker mit seinen unzähligen Seiten und Worten – den Gesteinsschichten und Fossilien – lieferte bereits im letzten Jahrhundert die Rohform der geologischen Zeitskala, wie sie heute in jedem Lehrbuch steht: vom Erdaltertum über das Erdmittelalter bis zum Tertiär und Quartär.

Bei der Einordnung eines Gesteins helfen vor allem sogenannte Leitfossilien. Das sind versteinerte Lebewesen, die einst weit verbreitet waren, aber rasch wieder ausstarben.

4,6 Milliarden Jahre Erdgeschichte Die irdische Zeitspirale, gewachsen aus zahllosen Datierungen. Mit ihrer Hilfe lassen sich die Ereignisse rekonstruieren, die unseren Planeten geformt haben. Fossilien erlauben verschiedene Funde weltweit miteinander zu vergleichen, aber erst die moderne radioaktive Datierung hat absolute Zeitbestimmungen möglich gemacht.

Die Meßlatte der Stratigraphie ist allerdings nur relativ – absolute Jahreszahlen kennt man erst seit Entdeckung der radioaktiven Uhr Anfang dieses Jahrhunderts. Doch sie tickt nicht in jedem Gestein: Das Isotopen-Chronometer verrät lediglich, wann ein Gestein aus Magma erstarrt ist. Fossilienhaltige Sedimente kann man damit nicht datieren. Der Zeitpunkt, zu dem sich Sand oder Schlick ablagerte und begann, im Laufe der Jahrmillionen zu Stein zu werden, läßt sich nur indirekt bestimmen – etwa mit Hilfe vulkanischer Asche, die zwischen die Sedimentschichten geraten ist und dort später als willkommene Eichmarke dient.

Bei so vielen Unsicherheiten ist es kein Wunder, daß Experten bis heute an der Feinabstimmung der geologischen Zeitskala tüfteln. Dr. Manfred Menning vom Geoforschungszentrum Potsdam hat sich dabei etwas Pfiffiges einfallen lassen: Er nutzt eine auffällige magnetische Zeitmarke.

Das Erdmagnetfeld, das sich normalerweise etwa alle Jahrmillion umpolt (bild der wissenschaft 8/ 1997, „Der wirbelnde Kern“), blieb im Karbon und Perm rund 40 Millionen Jahre ruhig, ehe vor 265 Millionen Jahren der übliche Rhythmus wieder einsetzte. Menning verfolgt diese auffällige Störung, die „Illawarra-Umpolung“, auf der ganzen Welt – und hat so einen Fixpunkt zur Hand, mit dem er grundverschiedene Gesteinsformationen zeitlich abgleichen kann. Dabei ist er auf „drastische Unstimmigkeiten“ der gängigen Zeitskala gestoßen. Seiner Ansicht nach müssen im Perm einige der anerkannten Daten – etwa der Zeitpunkt, als sich in Europa Kalisalze ablagerten und Erdgas bildete – bis zu 15 Millionen Jahre weit korrigiert werden.

Menning ist zuversichtlich, daß sich seine Zahlen durchsetzen werden – auch wenn bei der Festlegung der geologischen Zeitskala nicht nur rationale Argumente zählen: „Es geht oft nicht um Wissenschaft“, schimpft er, „sondern um persönliche Eitelkeiten.“ Bei Unstimmigkeiten zwischen den Experten, bestätigt der Heidelberger Geochronologe Lippolt, gebe sich die stratigraphische Kommission der „International Union of Geological Science“ mitunter mit einem „demokratischen Beschluß“ zufrieden, wobei nicht immer sachliche Argumente entscheidend sind.

Bei der Feinabstimmung der Zeitskala hat die altbekannte Stratigraphie noch nicht ausgedient. Der Computer verhilft ihr derzeit zu neuem Glanz. Bei einem Unesco-Projekt verfolgen Forscher aus aller Welt einen ebenso bahnbrechenden wie einleuchtenden Ansatz: Statt wenige Leitfossilien zur Datierung zu nutzen, sammeln sie Informationen aus möglichst vielen Lebensspuren.

„Jedes Fossil ist ein Leitfossil“, bringt es Dr. Peter Smolka vom Geologisch-Paläontologischen Institut der Universität Münster auf den Punkt. Derzeit wertet der Computer Daten von rund 80000 Arten der südlichen Hemissphäre aus, wobei er jeweils das Datum ihres ersten Auftretens und ihres Aussterbens zur Einordnung benutzt. Die rechenintensive Methode macht es theoretisch möglich, beliebige Gesteine auf der ganzen Welt sehr genau zu datieren – ein bislang unvorstellbares Ziel. Bei den momentan untersuchten Bohrkernen, die bis zu 50 Millionen Jahre alt sind, liegt die Genauigkeit bei einer halben bis einer Million Jahre. Gegenüber früheren Resultaten, schwärmt Smolka, sei das, als würde man „vom D-Zug auf den ICE“ umsteigen.

Je jünger die Gesteine sind, desto genauer lassen sie sich datieren – und desto spektakulärer sind die Ergebnisse. Wenn der Ursprung der Kunst von Europa nach Australien verlegt wird – weil in der australischen Steppe 100000 Jahre alte Ritzzeichnungen im Fels gefunden wurden -, beflügelt das die Phantasie nun einmal stärker als millionenschwere Zeitkorrekturen im fernen Erdmittelalter.

Für die chronologische Ordnung etwa der letzten Million Jahre stehen inzwischen eine ganze Reihe von Verfahren zu Verfügung. Zum Beispiel lassen sich Strahlenschäden von Mineralen, die mit wachsendem Alter zunehmen, mit „Thermolumineszenz“, „Optisch Stimulierter Lumineszenz“ und „Elektronenspinresonanz“ nach-weisen (siehe Kasten „Teilchen-Hagel aus dem All“).

Die sogenannte C-14-Methode läuft allerdings noch immer allen anderen Verfahren den Rang ab. Sie ist so attraktiv, weil jede organische Substanz Kohlenstoff enthält. Atmosphärischer Kohlenstoff birgt neben normalem C-12 auch geringe Mengen des radioaktiven Isotops C-14, das durch kosmische Höhenstrahlung entsteht. Über die Atmung und mit der Nahrung nehmen Lebewesen das Element auf und bauen es in ihren Körper ein.

Die Radio-Uhr der Erde Eine ganze Reihe radiometrischer Verfahren eicht die Erduhr im Quartär, dem Zeitabschnitt bis vor etwa zwei Millionen Jahren: Sie ergänzen und korrigieren sich. Die farbigen Kegel markieren ihren Geltungsbereich. Die Zusammenstellung stammt von Prof. Günther Wagner von der Heidelberger Forschungsstelle für Archäometrie.

Nach ihrem Tod zerfällt das C-14 nach und nach, während das C-12 erhalten bleibt. Das Verhältnis von C-12 zu C-14 läßt sich somit als Maß für das Alter nutzen. Bei einer Halbwertszeit von 5730 Jahren reicht die Kohlenstoff-Uhr rund 50000 Jahre zurück.

Die Ergebnisse haben allerdings ihre Tücken, weil die atmosphärische C-14-Konzentration über die Jahrhunderte erheblich geschwankt hat. Die Kohlenstoff-Uhr geht nicht nur langsamer als die Sonnenuhr – nach 14000 Kalenderjahren hinkt sie bereits 2000 Jahre hinterher -, sondern macht auch kurzfristige Kapriolen. Um halbwegs verläßliche Ergebnisse zu erzielen, muß man sie eichen. Dabei hilft die „Dendrochronologie“, das Datieren über die Jahresringe von Bäumen. Diese Wachstumsringe fallen – witterungsbedingt – jedes Jahr verschieden dick aus, so daß typische Muster entstehen. Hängt man das Auf und Ab innerhalb einer Baumscheibe in eine Standardkurve ein, läßt sich das exakte Entstehungsjahr jedes Rings ermitteln.

Forscher am Institut für Botanik der Universität Hohenheim haben in Fleißarbeit die weltweit längste Eichen-Chronologie erstellt. Seit mehr als 25 Jahren suchen sie Kiesgruben nach alten Stämmen ab, die Rhein, Main oder Donau einst unter Sand begraben hatten. Ihre Eichen-Uhr reicht inzwischen bis 8480 v. Chr. Eine Kiefern-Chronologie, die allerdings Lükken aufweist und deshalb nur ungenaue Daten liefert, ist noch 1500 Jahre älter. Viel tiefer in die Vergangenheit werden die Botaniker kaum vorstoßen, zumindest nicht in Deutschland. Denn während der Eiszeit wuchsen nördlich der Alpen nur vereinzelt Bäume. Vielleicht können Forscher anderer Fachgebiete den C-14-Spezialisten weiterhelfen. „Wir sind dabei, die Eichung bis auf 14000 Jahre zu verlängern“, sagt Dr. Achim Brauer vom Geoforschungszentrum Potsdam. Er beschäftigt sich mit den Ablagerungen von Seen, die manchmal – wie Baumstämme – eine Jahresstruktur haben. Die Potsdamer Experten haben aus den Kraterseen der Eifel lückenlose Reihen von Jahresschichten („Warven“) gebohrt, die 22000 Jahre zurückreichen.

Doch um die C-14-Uhr eichen zu können, müssen sie nicht nur zählen, sondern auch Kohlenstoff-Reste finden. Nur dann können sie auf die jeweilige atmosphärische C-14-Konzentration rückrechnen. Hier macht die Eiszeit neue Probleme: Als in der Eifel die Kälte regierte, gelangte kaum organisches Material in die Seen. Die Potsdamer Forscher versuchen derzeit, das letzte Aufbäumen der Eiszeit, vor 12600 bis 11600 Jahren, in den Griff zu bekommen und bis zum ausgehenden Hochglazial vorzustoßen. Um diese hohe Eiszeit warvenchronologisch zu meistern, müssen sie ihre Feldforschung in den Süden der Alpen verlagern, wo selbst während der größten Kälte genug Pflanzen gediehen.

Eine Eichung, so gut sie auch sein mag, macht allerdings aus der C-14-Uhr noch keine Rolex. In Troja zum Beispiel stießen Archäologen auf Reste, die alle dasselbe Alter hatten, obwohl sie aus verschiedenen Tiefen stammen: 2900 v. Chr. Die zu Rat gezogenen Experten kannten die Ursache aus bitterer Erfahrung: Der atmosphärische C-14-Pegel nahm damals über viele Jahre ab, und zwar im Tempo des radioaktiven C-14-Zerfalls, so daß die Kohlenstoff-Uhr 200 Jahre lang scheinbar stillstand. „Solche C-14-Plateaus sind verheerend“, klagt der Hohenheimer Dendrochronologe Dr. Marko Spurk.

Zum Glück tauchten in Troja einige verkohlte Pfosten auf, die mit Hilfe der Dendrochronologie auf 20 Jahre exakt datiert werden konnten – und die Archäologen aufatmen ließen. Wo solche „Zeit-Pflöcke“ fehlen, ist gut streiten: um Jahrhunderte, Jahrtausende oder Jahrmillionen.

Teilchen-Hagel aus dem All Strahlung aus dem Kosmos und dem Erdinnern setzt dem Gestein ständig zu. Alpha- und Beta-Teilchen sowie Photonen hinterlassen in den Mineralen meßbare Spuren. Der Dauerbeschuß reißt Elektronen aus den Atomen – und zwar um so mehr, je länger er anhält. Die Irrläufer suchen sich einen neuen Platz im Kristallverband, wobei sie sich mit Vorliebe in Defekten des atomaren Gitters einnisten – denn die Baufehler wirken durch ihr Ladungsdefizit als Elektronenfallen.

Mit verschiedenen Methoden der sogenannten Strahlen-Dosimetrie läßt sich die Zahl der eingefangenen Strahlungs-Teilchen abschätzen – und damit das Alter der Probe. Bei der Thermolumineszenz wird das Mineral erwärmt, so daß die angeregten Elektronen aufleuchten. Die Leuchtintensität gilt als Maß für das Alter. Bei der optisch stimulierten Lumineszenz treibt Licht die Elektronen aus der Falle und verursacht ebenfalls einen Leuchteffekt. Eine dritte Methode nutzt magnetische Eigenschaften, die Elektronen wegen ihres Drehimpulses (Spin) besitzen. Diese Elektronenspinresonanz steckt allerdings noch in den Kinderschuhen – sie zählt noch nicht zu den Standardverfahren.

Alle drei Methoden der Strahlendosimetrie eignen sich für Alter zwischen einigen hundert und rund einer Million Jahren. Bei noch älteren Proben versagen sie – denn irgendwann sind alle Gitter- Defekte mit Elektronen besetzt, so daß neue Strahlenschäden keine meßbaren Spuren mehr hinterlassen.

Eine weitere Voraussetzung für die Strahlen-Dosimetrie ist, daß die Probe einst Hitze, Sonnenlicht oder Druck ausgesetzt war. Zu diesem Zeitpunkt nämlich wurden alle Elektronen aus den Fallen getrieben – und die innere Uhr des Gesteins damit auf Null gestellt. In Frage kommen vulkanische Schlacken oder Gläser, junge Sedimente oder – interessant für Archäologen – Keramik.

Klaus Jacob

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