Isotopengeochemie und Isotopengeologie

 

Die Isotopengeologie gehört zu den interdisziplinären naturwissenschaftlichen Bereichen zwischen der Physik und den Geowissenschaften.

Sie spielt mit ihren Untersuchungsmöglichkeiten, Arbeitsansätzen und Methoden in allen Bereichen der modernen Geoforschung eine grosse Rolle

und bietet Lösungswege und Strategien für die Geoforschung (z.B. bei der Altersbestimmung) zu denen sich oft keine andere Alternative bietet.

Es werden die Kern-Prozesse und Atomkerneigenschaften eingesetzt, um geowissenschaftliche Prozesse, z.B. bei der Gesteins-und Mineralbildung,

oder in der Hydro-, Atmo- oder Pedosphäre zu untersuchen. Dabei lassen sich die untersuchten Prozesse in die geologische Zeit stellen, d.h. datieren.

Die Bearbeitung chronometrischer Fragestellungen in der Isotopengeologie gehört zum Bereich der Geochronologie. Darüber hinaus lassen sich die

kernphysikalischen Eigenschaften der an den Prozessen beteiligten Partikel und Verbindungen auch zur „Einfärbung“ von chemischen Elementen,

Verbindungen und Stoffgruppen einsetzen, um so deren Verhalten und deren Transportpfade beim Ablauf der untersuchten Prozesse zu studieren.

Diese Arbeitsweise wird „Tracer“-Ansatz genannt und in dem anderen wichtigen Bereich der Isotopengeologie, der Isotopengeochemie eingesetzt.

Sowohl die Geochronologie als auch die Isotopengeochemiebedienen sich der analytischen Verfahren der Kernphysik und sind stark analytisch

orientierte Geodisziplinen. Sie setzen zur Bearbeitung der Forschungsfragen an den überwiegend sehr kleinen Substratmengen arbeitsintensive und

hochspezialisierte Verfahren der Massenspektrometrie sowie der chemischen Spuren- bzw. Ultraspurenanalytik ein. Dazu müssen meist aufwendige

Grossgeräte zur Verfügung stehen. Oft ist darüber hinaus auch der Einsatz von Reinraumlabor-Bereichen und die Verwendung von Spezial-

Probenpräparationen erforderlich und unverzichtbar.

Geochronologie und isotopische Altersbestimmungen

Die Geochronologie befasst sich mit der absoluten geologischen Zeitrechnung. Zu den klassichen Methoden zur relativen Bestimmung von

geologischen Zeiträumen, z.B. durch Sedimentablagerungen (Lithostratigraphie) und Vorkommen von Fossilien (Biostratigraphie) kamen im

20. Jahrhundert Altersbestimmungsmethoden hinzu, die auf physikalischen und chemischen Prozessen beruhen. Vor allem durch die Nutzung

von kernphysikalischen Vorgängen wurde es möglich, das absolute Alter von Mineralen und Gesteinen direkt zu ermitteln und Eichpunkte für

die geologischen Zeitskalen zu bekommen.

 

Isotopische Altersbestimmungen

Von den meisten chemischen Elementen gibt es Isotope. Isotope eines Elements haben bei gleicher Protonenzahl (Ordnungszahl, Protonen sind

positiv geladene Kernteilchen) unterschiedliche Zahl an Neutronen (ungeladene Kernteilchen). Einige Isotope sind instabil und zerfallen

(alpha-, beta-, gamma-Zerfall) mit der Zeit. Aus der Bilanzierung des entstehenden Tochterisotops und seinem Mutterisotop kann ein Alter

abgeleitet werden (Sanduhr-Modellvorstellung). Durch unterschiedliche Zerfallsgeschwindigkeiten (Halbwertszeiten) können mit den

verschiedenen Mutter-, Tochtersysteme verschiedene Zeiträume datiert werden (Altersbestimmungsmethoden und datierbare geol. Zeiträume).

Unter Halbwertszeit versteht man diejenige Zeit, in der das Mutterisotop zur Hälfte zerfallen ist. Eine andere Möglichkeit Materialalter zu

bestimmen beruht auf der Produktion von instabilen Isotopen durch kosmische Strahlung. Mit bekannten Produktions- und Zerfallsraten kann

aus der Menge der noch vorhandenen instabilen Tochterisotope ein Alter bestimmt werden.

Isotopische Altersdaten und Zeitskala

Grundsätzlich datiert wird der Zeitpunkt eines Mineral- oder Gesteins-Systems, zu dem es keine Mutter- bzw. Tochterisotope mehr verliert.

Dies kann die Abkühlung unter eine bestimmte Temperatur (Abkühlalter) oder Neubildung eines Minerals (Bildungsalter) sein. Treten spätere

chemisch oder thermisch bedingte Verluste des Mutter- oder Tochterisotops auf, so verändern sich die Isotopenzusammensetzungen, und die

Altersinformation wird modifiziert. Zur Deutung von isotopischen Altersdaten sind daher zusätzliche Informationen zur geologischen Geschichte

und zu den Bildungsorten der Gesteine bzw. Minerale notwendig.

Mit diesen Methoden können Prozesse in und auf der Erde wie z.B. magmatische Ereignisse oder Bildungen von Lagerstätten näher untersucht

werden. Mit der Geochemie der Isotope können zusätzliche Informationen über die stoffliche Dynamik dieser Prozesse gewonnen werden.

Aus der Synthese von verschiedenen geologischen Informationen und isotopischen Altersdaten als unabhängige Eichpunkte entstehen Zeitskalen.

Durch internationale Konventionen werden Namen für die geologischen Zeiträume und für die jeweiligen Grenzen festgelegt

(z.B. Paläozoikum/ Mesozoikum, Datierungsmethoden).

Beispiele für Datierungsmethoden

Für Altersdatierungen werden reine Mineral- oder Gesteinspräparate chemisch und isotopisch analysiert (Flußdiagramm zur Meßtechnik)

). Durch Massenspektrometrie werden die relevanten Isotope aufgrund ihrer verschiedenen Massen getrennt und die Häufigkeitsverhältnisse gemessen.

Aus diesen Isotopen-Häufigkeitsverhältnissen und gegebenenfalls chemisch bestimmten Element-Konzentrationen lassen sich Alterswerte berechnen.

Zirkondatierung mit der Uran-Blei-Methode

Die radioaktiven Uran-Mutterisotope 238U, 235U zerfallen über unterschiedliche Zerfallsreihen zu den stabilen Blei-Tochterisotopen 206Pb bzw. 207Pb.

Bei uranhaltigen Mineralen läßt sich so das Alter aus den Häufigkeitsverhältnissen der Uran- zu den Blei-Isotopen ableiten. Zirkone

(Kathodolumineszenzfoto eines zonierten Zirkonkristalls) eignen sich für die Datierung, da sie hitze- und verwitterungsbeständig sind und sie Uran

und Blei speichern können. Neben Zirkonpopulationen werden vor allem einzelne Zirkonkristalle (mittels Ionensonde, Evaporation) analysiert.

Trägt man die gemessenen Häufigkeitsverhältnisse der Blei- zu den Uran-Isotopen gegeneinander auf, liegen die Messdaten für ungestörte

Altersinformationen auf einer sogennanten "Konkordia"-Kurve (U-Pb-Konkordiagramm). Für Zirkone, die durch eine Metamorphose Blei

verloren haben, können die Datenpunkte eine Gerade (Diskordia) bilden, die die Konkordia-Kurve in zwei Punkten schneidet. Der obere

Schnittpunkt entspricht der Gesteinskristallisation und der untere dem Metamorphoseereignis. Mit der U-Pb-Methode können sowohl sehr

alte z.B. archaische als auch relativ junge z.B. mesozoische Gesteine datiert werden.

Glimmerdatierung mit der Kalium-Argon-Methode

Die K-Ar-Methode basiert auf dem dualen Zerfall des Kaliumisotops 40K in radiogenes 40Ca und radiogenes 40Ar. Anhand der Kalium- bzw.

Argon-Konzentrationen und ihrer Isotopenhäufigkeiten können Alter von kaliumhaltigen Gesteinen und Mineralen bestimmt werden. Als häufige,

gesteinsbildende Minerale sind kaliumreiche Glimmer (Biotite, Muskovite) und Alkalifeldspäte für K-Ar-Datierungen geeignet.

Eine verbesserte analytische Variante der K-Ar-Methode mit höherer Messpräzision stellt die 40Ar/39Ar-Technik dar. Durch Neutronenaktivierung

wird aus dem Kaliumisotop 39K das radioaktive Argonisotop 39Ar erzeugt. Es müssen somit nur Argon-Isotopenverhätnisse massenspektrometrisch

gemessen werden. Die Probe wird in Teilschritten bei Temperaturen von etwa 400 °C bis 1300 °C entgast. Für jeden Schritt kann ein Alterswert

berechnet werden, der gegen den Anteil des freigesetzten Argonisotops 39Ar aufgetragen wird (Ar-Ar-Plateau-Diagramm). Aus einem plateauförmigen

Stufenentgasungsspektrum kann eine schnelle Abkühlung des Minerals und ein bis heute geschlossenes K-Ar-Isotopensystem gefolgert werden.

Mit dieser Messtechnik können Milliarden Jahre alte Gesteine aus der Frühzeit der Erde, Meteoriten, paläozoische Gebirgsbildungen, aber auch

sehr junge, einige tausend Jahre alte Vulkanite datiert werden.

Isotopengeochemie mit „radiogenen“ und „stabilen“ Isotopen

Die unterschiedlichen Isotope der Elemente eröffnen ein grosses Feld an Anwendungen in der Geochemie. Die Nuklide nehmen an den Prozessen der

Stoff-Bewegung und –Umverteilung, an der Gesteins-, Mineral- und Lagerstättenbildung und den Kreisläufen in der Umwelt teil. Mit den

Isotopenverteilungen werden die Elemente bzw. die Stoffgruppen „eingefärbt“, denen sie angehören. Statt der Elementverteilungen kann man

auch diese „Isotopenfarben“ und ihre Veränderungen während der untersuchten Prozesse auswerten. Das Arbeiten mit den Isotopen als „Tracer“

der Stoffbewegung bei geologischen Prozessen ist oft wesentlich empfindlicher als das Arbeiten mit den Elementverteilungen und chemischer Analytik.

Isotopentracer sind daher sehr wichtige Werkzeuge bei Projekten der Geochemie.

Es lassen sich zwei Typen dieser Tracer-Werkzeuge unterscheiden. Die erste Gruppe fasst die Nuklide zusammen, die durch Zerfall von primordialen

Radionukliden beeinflusst werden. Dazu gehören die Isotope des Argons, des Strontiums, des Neodyms, des Hafniums, des Osmiums und des Bleis,

also alle durch Radiogenisotopen-Zuwachs geprägten Elemente. Diese Gruppe wird daher unter der Bezeichnung „radiogene Isotope“ zusammengefasst.

Dieser Gruppenname ist streng betrachtet etwas irreführend, weil in den Isotopenverteilungen dieser Elemente nahezu immer neben den Zerfallsprodukten

von primordialen Radionukliden auch wesentliche Mengen akzessorischer Anteile des gleichen wie auch anderer Isotope des betrachteten Elements

enthalten sind.

In der zweiten Gruppe fasst man alle Elemente mit relativ niedrigen Massenzahlen zusammen, die zwar nicht durch radioaktiven Zerfall beeinflusst werden,

bei denen man aber dennoch in der Natur bei entsprechend hohem analytischen Aufwand signifikante Variationen in ihren Isotopenverteilungen beobachten

kann. Besonders häufig eingesetzte Mitglieder dieser Gruppe sind Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Schwefel. Neben Bor, Lithium,

Magnesium, Silizium, Chlor und Kalzium sind mit der Etablierung neuer analytischer Verfahren in letzter Zeit auch noch Elemente wie z.B. Eisen, Kupfer

und Zink zu dieser Gruppe hinzugekommen. Diese Gruppe wird allgemein unter der Bezeichnung „stabile Isotope“ geführt. Auch dieser Gruppenname ist

etwas irreführend, da die vorher genannten „radiogenen Isotope“ meist ebenfalls stabil sind (nicht radioaktiv). Die Gruppenbezeichnung meint in diesem

Fall, dass bei ihnen kein radioaktiver Zerfall von primordialen Radionukliden mit im Spiel ist.