Die Bildung von Isotopen durch kosmische Strahlung und deren Produktionsrate in Mineralien sind heute sehr gut bekannt – und das macht sie zu geeigneten „Uhren“ des Gesteins. Mit ihrer Hilfe lassen sich Erosionsraten und Alter von Landschaftsformen auf der ganzen Welt bestimmen.
Wenn die Uhr beginnt zu ticken
Grundlage dieser Oberflächendatierung ist, dass kosmogene Nuklide erst gebildet werden, wenn ein Gestein oder Mineral an der Erdoberfläche der kosmischen Strahlung ausgesetzt wird. Bei
der Datierung vulkanischer Lavaschichten erfolgt diese Exponierung durch den Vulkanausbruch. Bei Böden in Nordeuropa begann die kosmogene Nuklid-Uhr zu ticken, als die eiszeitlichen Gletscher abschmolzen und das Gestein freigelegt wurde.
Die kosmische Strahlung dringt nur in die oberen paar Meter der Erdkruste vor. Deshalb tickt die Isotopen-Uhr auch nur in der obersten Erdschicht. Je älter eine Ablagerung ist und je länger sie der Sekundärstrahlung ausgesetzt war, desto mehr Atome eines kosmogenen Nuklids werden gebildet. Bei jungen Ablagerungen lassen sich dementsprechend nur geringe Konzentrationen finden.
Beryllium-10 und die Erosion
Kosmogene Nuklide können aber nicht nur zur Oberflächendatierung eingesetzt werden, sondern auch bei langsamen, stetigen Prozessen wie der Erosion von Gesteinsschichten oder dem Boden. In diesem Fall werden nicht das Alter, sondern die Erosionsraten bestimmt. Aufgrund seiner Halbwertszeit von 1,4 Millionen Jahren ist das meist hierzu verwendete Beryllium-10 in der tiefen Erdkruste nicht vorhanden, so dass die Stoppuhr dieses Nuklids erst zu ticken beginnt, wenn das Gestein, das Sediment oder der Boden durch Erosion und Verwitterung näher an die Erdoberfläche gelangt.
Je schneller die Erosionsrate ist, desto weniger kosmogene Nuklide können in einem bestimmten Tiefenbereich der Erdkruste gebildet werden. In einem Gebirge mit hohen Erosionsraten ist daher die Konzentration kosmogener Nuklide in einer Probe Sediment gering, während sie in einer Region mit geringen Erosionsraten wesentlich höher ist. Mit dem radioaktiven Nuklid 10Be lassen sich geologische Raten im Bereich von Mikrometern bis Millimetern pro Jahr messen.
Hella Wittmann, Samuel Niedermann, Dirk Scherler/ CC-by-sa 4.0; Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ/ System Erde
Stand: 15.12.2017
