Aufgaben: Die Methoden der Altersbestimmung

Erklären Sie den Unterschied zwischen relativer und absoluter Altersbestimmung und nennen Sie je ein Beispiel für ein geologisches Ereignis, das mit der jeweiligen Methode datiert werden kann.

Formulieren Sie das Superpositionsprinzip der Schichten und wenden Sie es auf die Abfolge im Steinbruch der Skizze (Schichten A, B und C) an. Welche Schicht ist die älteste und welche Umweltveränderung deutet die Abfolge an?

Was ist ein Leitfossil? Nennen Sie die drei Anforderungen, die ein gutes Leitfossil erfüllen muss, und begründen Sie, warum der Mensch sich nicht zur Datierung alter Gesteine eignet.

Definieren Sie den Begriff Fossil und nennen Sie drei verschiedene Arten von Zeugnissen, die fossil erhalten bleiben können (Hartteile, Fährten bzw. Spurenfossilien, Abdrücke und Steinkerne, Koprolithen, Einschlüsse in Bernstein), und erklären Sie, welche Information jede Art liefert.

Erklären Sie, worin der Prozess der Fossilisation besteht (schnelle Einbettung, Mineralisierung der Hartteile), und begründen Sie, warum Organismen mit Weichteilen (Quallen, Würmer) nur selten als Fossilien auftreten.

Erklären Sie das Prinzip der faunistischen Identität und wie es ermöglicht, Schichten zweier Steinbrüche, die Hunderte von Kilometern voneinander entfernt liegen, miteinander zu korrelieren, und geben Sie an, welche Art von Fossilien sich dafür am besten eignet.

Erklären Sie, was die Halbwertszeit eines radioaktiven Isotops ist, am Beispiel eines Haufens von $100$ Münzen, von dem Sie in jeder Runde die Hälfte entfernen, und warum diese Gesetzmäßigkeit radiometrische Verfahren zu geologischen „Uhren“ macht.

Begründen Sie, warum Sedimentgesteine das große Archiv der Geschichte des Lebens sind, obwohl sie sich nur selten direkt mit radiometrischen Methoden datieren lassen, und geben Sie an, wie dieses Problem mithilfe zwischengelagerter magmatischer Gesteine gelöst wird.

Kohlenstoff-14 hat eine Halbwertszeit von $5\,730$ Jahren. Eine archäologische Holzprobe enthält noch ein Viertel des $\text{C-14}$, das beim Absterben des Baumes vorhanden war. Berechnen Sie das Alter der Probe und erläutern Sie Ihre Überlegung.

In einem Aufschluss beobachtet man eine Serie horizontaler Schichten, die von einem Gang aus magmatischem Gestein durchschlagen werden, und das Ganze wird wiederum von einer Verwerfung durchschnitten. Bringen Sie unter Anwendung des Prinzips der Durchschneidung und des Superpositionsprinzips Schichten, Gang und Verwerfung vom ältesten zum jüngsten Element in eine Reihenfolge und begründen Sie jeden Schritt.

In einem Aufschluss sieht man gefaltete, abgetragene Schichten und darüber horizontale Schichten. Geben Sie an, wie diese Struktur heißt, bringen Sie die Ereignisse, die sie gebildet haben (Sedimentation, Faltung, Erosion und erneute Sedimentation), in eine Reihenfolge und erklären Sie, was die „Schichtlücke“ (Hiatus) darstellt.

Kohlenstoff-14 hat eine Halbwertszeit von $5\,730$ Jahren. Ein fossiles Gewebe enthält noch $1/16$ des $\text{C-14}$, das es zu Lebzeiten hatte. Berechnen Sie das Alter des Fossils und zeigen Sie die Anzahl der verstrichenen Halbwertszeiten sowie das Endergebnis.

In einem Aufschluss liegt eine Schicht mit Trilobiten-Fossilien über einer Schicht mit Ammonoideen, also entgegen der Reihenfolge der geologischen Zeitskala. Erklären Sie, welche zwei tektonischen Prozesse eine Schichtfolge umkehren können (überkippte Falten, Überschiebungen) und welche Hinweise im Gelände die Umkehrung erkennen lassen.

Erklären Sie, worin die Dendrochronologie besteht: was jeder Jahrring eines Baumes aufzeichnet, wie sich Reihen von Bäumen unterschiedlichen Alters überlappen, um die Chronologie um Tausende von Jahren zu verlängern, und welche Klimainformation die Dicke der Jahrringe enthält.

Warven sind Paare aus hellen und dunklen Lagen, die sich in bestimmten Seen jedes Jahr ablagern. Erklären Sie, wodurch dieser jahreszeitliche Wechsel entsteht, wie man sie zur Datierung nutzt und warum Seesedimente Klimaarchive sind, die mit Eisbohrkernen vergleichbar sind.

In einem Aufschluss beobachtet man von unten nach oben: metamorphe Schiefer, eine Erosionsfläche mit Schiefergeröllen an der Basis eines Konglomerats, horizontale Sandsteine und, alles durchschneidend, einen Gang aus magmatischem Gestein. Bringen Sie die geologischen Ereignisse vom ältesten zum jüngsten in eine Reihenfolge und begründen Sie jede Beziehung (Superposition, Durchschneidung, eingeschlossene Gerölle).

Ein Forschungsteam untersucht die Knochenreste eines Säugetiers, die in einer Karsthöhle gefunden wurden. Labor A extrahiert Kollagen aus dem Inneren des Knochens und stellt fest, dass noch $12,5\ \%$ ($1/8$) der anfänglichen Aktivität von $^{14}\text{C}$ erhalten sind. Labor B analysiert eine Karbonatkruste, die den Knochen außen überzog, und misst $50\ \%$ des anfänglichen $^{14}\text{C}$.

1. a) Berechnen Sie das numerische Alter, das jedes Labor ergibt (Halbwertszeit von $^{14}\text{C} = 5\,730$ Jahren).
2. b) Begründen Sie, welches der beiden Ergebnisse zuverlässig ist, um zu bestimmen, wann das Tier starb, und erklären Sie, welcher geochemische Prozess den Fehler bei der anderen Probe verursacht hat.
3. c) Ein Teammitglied schlägt vor, mit Radiokohlenstoff einen vulkanischen Tuff von $1,2$ Millionen Jahren am Höhleneingang zu datieren. Zeigen Sie mathematisch, warum das nicht möglich ist, und schlagen Sie eine alternative Isotopenmethode vor.

Um eine Sandsteinschicht mit fossilen Fährten früher Tetrapoden zu datieren, trennt ein Schüler Muskovit-Kristalle (Kaliumglimmer) aus dem Sediment selbst ab. Nachdem er gemessen hat, dass noch $25\ \%$ des ursprünglichen $^{40}\text{K}$ vorhanden sind ($T_{1/2} = 1\,250$ Ma), folgert er, dass die Fährten $2\,500$ Millionen Jahre alt sind (Präkambrium).

1. a) Widerlegen Sie die Schlussfolgerung des Schülers: Welches physikalische Ereignis setzt die K-Ar-Uhr auf null, und was datiert man tatsächlich, wenn man detritische Körner eines Sandsteins analysiert?
2. b) In derselben stratigrafischen Abfolge beobachtet man einen Lavastrom, der unterhalb der Sandsteinschicht eingeschaltet ist, und einen vulkanischen Gang, der sowohl die Lava als auch den Sandstein durchschneidet. Entwerfen Sie ein Verfahren, um das maximale und das minimale Alter des fossilführenden Sediments anhand dieser magmatischen Körper einzugrenzen.

In einem Meeresbecken werden drei Aufschlüsse untersucht, die mithilfe derselben fossilen Ammonoideen-Art mit kurzer biostratigrafischer Reichweite korreliert sind:

• Profil A: Die Schicht mit Ammonoideen liegt zwischen einer unteren Vulkanasche von $115$ Ma und einer oberen von $110$ Ma.

• Profil B: Die fossilführende Schicht wird von einem Basaltgang durchschlagen, der auf $112$ Ma datiert ist, aber dieser Gang durchschneidet die darüberliegenden Schichten nicht.

• Profil C: Ein Forscher behauptet, ein radiometrisches Alter von $114$ Ma erhalten zu haben, indem er direkt den Kalkzement der fossilführenden Schicht analysierte.

1. a) Leiten Sie das genaueste und belastbarste Zeitintervall für die Existenz dieser Ammonoideen-Art ab, indem Sie die gültigen Daten der Profile A und B kombinieren.
2. b) Beurteilen Sie die Gültigkeit des Datums aus Profil C und begründen Sie, ob der Zement eines Sedimentgesteins die Voraussetzungen der radiometrischen Methode erfüllt oder nicht.
3. c) Sagen Sie voraus, wie sich die zeitliche Eingrenzung der Art ändern würde, wenn eine genaue Analyse zeigte, dass die magmatische Struktur in Profil B kein diskordanter Gang, sondern ein zwischengelagerter, konkordanter submariner Lavastrom ist.

Ein Labor analysiert Zirkonkristalle eines Granitplutons anhand des Zerfalls von $^{235}\text{U}$ zu $^{207}\text{Pb}$ ($T_{1/2} = 704$ Ma).

1. a) In einer unveränderten Probe zeigt das Isotopenverhältnis, dass auf jedes verbliebene $^{235}\text{U}$-Atom $7$ angesammelte $^{207}\text{Pb}$-Atome kommen. Berechnen Sie die Anzahl der verstrichenen Halbwertszeiten und das Kristallisationsalter des Granits.
2. b) In einer weiteren Probe aus einer Scherzone mit starker hydrothermaler Veränderung wird ein Verhältnis $^{207}\text{Pb}/^{235}\text{U} = 1$ gemessen ($50\ \%$ des ursprünglichen Urans). Ein Geologe behauptet, dieser Bereich des Plutons sei $1\,400$ Ma später kristallisiert. Widerlegen Sie seine Hypothese, indem Sie erklären, welche Störung des geschlossenen Systems stattgefunden hat.
3. c) Zeigen Sie, warum dieses Isotopenpaar zur Datierung eines Feuerstein-Faustkeils aus einer paläolithischen Fundstelle von $100\,000$ Jahren nutzlos ist: Schätzen Sie ab, welcher verschwindend kleine Prozentsatz von $^{235}\text{U}$ zerfallen wäre, und begründen Sie das sich daraus ergebende analytische Problem.

Die Konzentration von atmosphärischem $^{14}\text{C}$ ist zeitlich nicht konstant: Die oberirdischen Atomtests (1955–1963) verdoppelten den $^{14}\text{C}$ fast („Bombeneffekt“), während die industriellen Emissionen fossiler Brennstoffe große Mengen an $\text{CO}_2$ freisetzen, das völlig frei von $^{14}\text{C}$ ist („Suess-Effekt“).

1. a) Wenn Sie das Holz eines 1965 gefällten Baumes mit der Standardformel ohne Kalibrierung datieren, ergibt sich dann ein scheinbares Radiokohlenstoffalter aus der Vergangenheit oder „aus der Zukunft“ (negativ)? Begründen Sie Ihre Folgerung anhand der gemessenen spezifischen Aktivität.
2. b) Sagen Sie voraus, welchen Fehler (künstliche Alterung oder Verjüngung) die Datierung einer Flechte ergäbe, die heute neben einer Autobahn mit dichtem Dieselverkehr wächst. Begründen Sie den beteiligten Isotopenaustausch.
3. c) Begründen Sie, wie die Dendrochronologie den Aufbau einer Kalibrierungskurve ermöglicht, die diese Abweichungen für die letzten $12\,000$ Jahre korrigiert.

In einer kantabrischen Höhle mit fossilen Menschenresten wird von oben nach unten folgende stratigrafische Abfolge festgestellt:

• Schicht 1: Sedimente mit normaler magnetischer Polarität. Ein eingeschalteter Stalagmit wird mit der Uran-Reihen-Methode auf $0,45$ Ma datiert.

• Schicht 2: Sedimente mit inverser Polarität, die eine reiche Steinwerkzeugindustrie und Knochenreste enthalten.

• Schicht 3: Basale Sedimente mit normaler magnetischer Polarität.

Es ist bekannt, dass die Brunhes-Matuyama-Umkehr (in die Vergangenheit gesehen von normal zu invers) vor $0,78$ Ma und die Matuyama-Gauss-Umkehr (von invers zu normal) vor $2,58$ Ma stattfand:

1. a) Grenzen Sie anhand der kombinierten Daten das Zeitintervall ein, in dem die Hominini aus Schicht 2 gelebt haben können.
2. b) Ein Teammitglied schlägt vor, dass die Reste aus Schicht 2 $600\,000$ Jahre alt sind. Widerlegen Sie seine Behauptung formal anhand der beobachteten magnetischen Polarität.
3. c) Wenn in der Mitte von Schicht 2 ein schmales Band normaler Polarität von nur wenigen Zentimetern Mächtigkeit aufträte, müsste dann die gesamte Chronologie geändert werden, oder welches kurzzeitige geomagnetische Phänomen (Subchron oder Event) innerhalb der Matuyama-Epoche würde es darstellen?

In einem Küstenfriedhof werden zwei menschliche Skelette aus demselben Bestattungshorizont datiert:

• Individuum A: $4\,150 \pm 30$ Jahre BP.

• Individuum B: $4\,600 \pm 40$ Jahre BP.

Die Analyse stabiler Isotope zeigt, dass sich Individuum A von Früchten und landlebenden Pflanzenfressern ernährte ($\delta^{13}\text{C} = -21\ \text{‰}$), während Individuum B überwiegend Meeresfrüchte und Meeresfische verzehrte ($\delta^{13}\text{C} = -13\ \text{‰}$).

1. a) Prüfen Sie, ob sich die Intervalle mit zwei Standardabweichungen ($2\sigma$, Spanne von $95\ \%$) beider Individuen überlappen.
2. b) Formulieren Sie eine Hypothese, die die Abweichung von fast $500$ Jahren mithilfe des „marinen Reservoireffekts“ erklärt. Welches der beiden Daten kommt dem tatsächlichen Zeitpunkt der Bestattung näher?
3. c) Wenn statt Kollagen das mineralische Karbonat des Knochens (Hydroxylapatit) datiert worden wäre, das in einem feuchten Kalkboden fossilisiert ist, sagen Sie die Richtung des Fehlers (scheinbare Alterung oder Verjüngung) voraus, den die Diagenese verursachen würde, und begründen Sie sie.

Ein Team legt folgenden Vorschlag zur Datierung verschiedener Elemente eines tektonischen Beckens vor:

1. Datierung der Keramik aus einer oberflächennahen Schicht mit Radiokohlenstoff durch Analyse von Silicium und Aluminium des gebrannten Tons.

2. Datierung eines basaltischen Lavastroms mit Dendrochronologie durch Messung der konzentrischen Verwitterungsbänder seiner Gasblasen.

3. Datierung des Sedimentationszeitpunkts eines präkambrischen Schiefers mit K-Ar an den Glimmern, die während der regionalen Metamorphose entstanden sind.

1. a) Erkennen Sie den konzeptionellen oder methodischen Fehler, der jeden der drei Vorschläge ungültig macht, und begründen Sie ihn.
2. b) Entwerfen Sie für jedes der drei Materialien eine gültige methodische Alternative und geben Sie die geeignete Analysemethode an sowie, welches physikalische oder chemische Ereignis das Nullsetzen der Uhr genau darstellt.
3. c) Wenn Sie an einem Holzbalken der Fundstelle $95$ Jahrringe zählen, aber die dendrochronologische Kurve der Region nicht kennen, erklären Sie, warum Sie ihm kein absolutes Kalenderdatum zuweisen können und wie sich die Methode mit Radiokohlenstoff ergänzen würde, um ihn zeitlich einzuordnen.