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Kalium-Argon Datierung

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Mit der in den 19-fünfziger Jahren entwickelten Kalium-Argon-Methode kann man Vulkanasche- und Tuffgesteine datieren. Sie spielt in der Paläoanthropologie eine herausragende Rolle und basiert auf der Tatsache, dass bei natürlichem Kalium (40K) etwa eines von 10.000 Teilchen radioaktiv ist und langsam, aber stetig in die stabilen Isotope Argon-40 (40Ar) und Calcium-40 (40Ca) zerfällt.

Die Kalium-Argon Datierung findet in der Regel bei Mineralien Anwendung, die von erstarrten Lavaströmen (Tuffe) separiert sind. Solche Mineralien sind oft mit fossilführenden Sedimenten durchsetzt und haben sich bei ausreichend hohen Temperaturen gebildet, so dass alles anfänglich vorhandene Argon radioaktiven Ursprungs entfernt und die Uhr auf Null gestellt worden ist. Je mehr 40Ar eine Gesteinsprobe enthält, desto länger tickt also seine Uhr bereits: älteres Gestein enthält mehr Argon-40. Wenn man den Gehalt an 40K und den bereits zu 40Ar zerfallenen Anteil mißt, kann man das Alter des Gesteins ermitteln (die Halbwertszeit von 40K beträgt 1.250 Millionen Jahre). Da Argon mit etwa 0,9 Vol. % auch Bestandteil der Atmosphäre ist, muss eine Korrektur erfolgen, um die tatsächliche Menge von Argon radioaktiven Ursprungs in einer Probe bestimmen zu können.

Die größten Unsicherheiten bei Altersbestimmungen mit der Kalium-Argon Datierung ergeben sich aus Messfehlern von Kalium und radiogenem Argon durch Verunreinigung der Probe mit älteren Materialien, oder durch Argon im zu datierenden Material, das nicht durch den radioaktiven Zerfall von Kalium zustande gekommen ist (Überschuss-Argon), sowie durch den Verlust von Argon im zu datierenden Material über einen längeren geologischen Zeitraum, was besonders problematisch bei Lavaströmen ist, die durch Verwitterung oder andere geochemische Prozesse bereits stark verändert wurden.

Die größten Unsicherheiten bei Altersbestimmungen mit der Kalium-Argon Datierung ergeben sich aus Messfehlern von Kalium und radiogenem Argon durch Verunreinigung der Probe mit älteren Materialien, oder durch Argon im zu datierenden Material, das nicht durch den radioaktiven Zerfall von Kalium zustande gekommen ist (Überschuss-Argon), sowie durch den Verlust von Argon im zu datierenden Material über einen längeren geologischen Zeitraum, was besonders problematisch bei Lavaströmen ist, die durch Verwitterung oder andere geochemische Prozesse bereits stark verändert wurden.

Die Daten, die man mit der Kalium-Argon Methode emittelt hat, gibt man in der Regel in "Millionen Jahre" an, meist zusammen mit einer gewissen Fehlertoleranz. Bei guten Probenmaterialien bewegt sich die Fehlerwahrscheinlichkeit in der Regel zwischen 1 bis 3 Prozent. Die Kalium-Argon Datierung wendet man für stratigraphische Schichten an, zwischen denen ein Fossil eingebettet ist. Sie liefert daher nur Ober- und Untergrenzen von Zeiträumen, so dass die Forscher beurteilen müssen, was sich im Zeitraum zwischen den datierten Schichten an Ereignissen abgespielt hat. Zum Beispiel kann festgestellt werden, dass die Sedimentation mehr oder weniger kontinuierlich vonstatten ging oder dass es eine Lücke in einem Abschnitt gibt usw.

Die Kalium-Argon Datierung ist für das Verständnis der Evolution der Australopithecinen und des Menschen wichtiger als jede andere Methode. Da man in der Lage ist, die zeitlichen Ober- und Untergrenzen von geologischen Perioden und deren Epochen zu ermitteln, kann man das ungefähre Alter von vielen Fossilien von Australopithecinen oder Frühmenschen abschätzen durch die Untersuchung anderer Fossilien, mit denen sie assoziiert sind. In Ostafrika und anderen Orten, wo Vulkanausbrüche und Ablagerungen (Sedimentationen) Hand in Hand gingen, kann man das Alter von Fossilien durch die genaue Datierung des Tuffsteins in fossilführenden Schichten bestimmen. Besonders erfolgreich war man damit bei homininen Fossilien aus dem Pliozän und Pleistozän an Fundorten wie Koobi Fora und West-Turkana in Kenia und Omo und Hadar in Äthiopien.

Die Argon/Argon Variante

Eine wichtige Variante der Kalium-Argon Datierung ist die Argon-Argon Datierung (40Ar/39Ar). Hier wird die zu untersuchende Probe bestrahlt, um das künstliche Isotop Argon-39 (39Ar) aus Kalium-39 ( 39K) zu erzeugen. Das Argon wird dann in einer Reihe von Schritten mit immer höheren Temperaturen extrahiert. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass das Kalium (berechnet aus dem Gehalt an 39Ar) und das 40Ar in der selben Probe gemessen und ein Alter für jede Fraktion des Gases berechnet werden kann. Außerdem kann man erkennen, ob überschüssiges Argon vorliegt.

Eine elegante Variante der 40Ar/39Ar Datierung ist die Einzelkristall-Fusionsmethode. Dabei werden mit Hilfe eines Lasers zuvor bestrahlte Kristallfragmente geschmolzen und das Argon freigesetzt. Das Argon atmosphärischen Ursprungs wird so reduziert und ein genaues Probenalter kann anhand von einzelnen kleinen Kristallen bestimmt werden. Durch dieses Verfahren verringert sich die für eine Altersbestimmung erforderliche Probenmenge beträchtlich. Die Messung läßt sich so genau steuern, dass man von der Außenseite einer Gesteinsprobe nach innen eine ganze Serie von Altersangaben erhält.

Die Daten, die man mit der Kalium-Argon Methode ermittelt hat, können durch eine Rubidium-Strontium Datierung (Rb-Sr) von vulkanischem Gesteinsmaterial gegengeprüft werden. Dies macht man jedoch nur sehr selten.


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