DatierungDatierung

Methoden der Methoden der geowissenschaftlichen geowissenschaftlichen

ZeitbestimmungZeitbestimmung

Vorlesung „Methoden der geowissenschaftlichen Zeitbestimmung“

L. ZöllerInhalt:0: Keine Zeit für Geomorphologie…1) Einleitung

VorüberlegungenTerminologieRadioaktivität: Zerfalls- und Strahlungsarten und Gleichungen

A: Physikalische Methoden auf Grundlage der Radioaktivität2) Radiogene Edelgase

Kalium-ArgonUran-Helium

3) Kosmogene RadionuklideRadiokohlenstoff (14-C)10-Be, 26-Al, 36-Cl u.a.Tritium (3-H), 3-He

4) Strahlendosimetrische MethodenLumineszenz (TL, OSL, IR-OSL)Elektronen-Spin-Resonanz (ESR)Partikelspuren: Spaltspuren und Alpha-Rückstoßspuren

5) Uranreihen230-Th/234-U, 231-Pa/235-U, u.a.

6) Radiocäsium

B: Chemische Methoden7) Aminosäuren-Racemisierung8) Andere chemische Methoden

C: „Absolute“ Methoden der Jahreszählung9) Dendrochronologie 10) Warwenchronologie und Eislagenzählung (Eisbohrkerne)

D: Nicht-numerische Methoden (Magnetismus, Stabile Isotope)

11) Archäo- und Paläomagnetismus12) Magnetische Suszeptibilität und abgeleitete Parameter13) Stabile Isotope

Sauerstoffisotope (δ18-O) und orbitales TuningKohlenstoffisotope (δ13-C)

E: Paläobiologische Methoden14) Pollenanalyse15) Groß- und Kleinsäugerstratigraphie

Grundlegende Literatur:Grundlegende Literatur:

Aitken, M.J.: Thermoluminescence Dating. London Aitken, M.J.: Thermoluminescence Dating. London 19851985

Aitken, M.J.: An Introduction to Optical Dating. Oxford Aitken, M.J.: An Introduction to Optical Dating. Oxford 1998.1998.

Geyh, M.A.: Handbuch der physikalischen und chemi-Geyh, M.A.: Handbuch der physikalischen und chemi-schen Altersbestimmung. Darmstadt 2005 schen Altersbestimmung. Darmstadt 2005

(WBG).(WBG). Wagner, G.A.: Altersbestimmung von jungen Wagner, G.A.: Altersbestimmung von jungen

Gesteinen Gesteinen und Artefakten. Stuttgart 1995.und Artefakten. Stuttgart 1995. Wagner, G.A.: Age Determination of Young Rocks and Wagner, G.A.: Age Determination of Young Rocks and

Artifacts. Berlin 1998 (Springer).Artifacts. Berlin 1998 (Springer).

Keine Zeit für Keine Zeit für Geomorphologie?Geomorphologie?

Wie Geomorphologen mit der Zeit Wie Geomorphologen mit der Zeit umgehenumgehen

Ludwig ZöllerLudwig Zöller

Lehrstuhl Geomorphologie

Geoökologie…das Konzert 1. SatzGeoökologie…das Konzert 1. Satz

Mathe PhysikAnorgan. Chemie

Geologie Biogeografie

Bodenkunde,-physik, -ökologieÖkotoxikolog

ie

Klimatologie,Mikrometeorologie

Agrarökosystem-forschung

Geomorphologie Keine Zeit!

Geographie…das Konzert 2. SatzGeographie…das Konzert 2. Satz

Einf. Geogr.

Stadtgeogr.

Sozialgeogr.

Geologie Biogeografie

Entwicklungsforsch.

Geomorphologie Keine Zeit!

Konkurrenz?Konkurrenz? Relevanz unserer Forschungs- und Relevanz unserer Forschungs- und

LehrinhalteLehrinhalte

Dimensionen des ZeitbegriffsDimensionen des Zeitbegriffs(geologisch-geomorphologischer versus (geologisch-geomorphologischer versus

geoökologischem und humangeographischem)geoökologischem und humangeographischem) ……und seine Vermittelbarkeitund seine Vermittelbarkeit

…… Gibt es Berührungspunkte?Gibt es Berührungspunkte?

Gesunde

Dualismus der GeomorphologieDualismus der Geomorphologie

Aktualistisch:Aktualistisch: - Beobachtbare Prozesse- Beobachtbare Prozesse

- Abstraktion,- Abstraktion, Gesetzmäßigkeiten, Gesetzmäßigkeiten, Zusammenhänge, Zusammenhänge, Kausalketten,… Kausalketten,…- - Extrapolation+ProjektioExtrapolation+Projektion,n, Risikoabschätzung Risikoabschätzung

Historisch-genetischHistorisch-genetisch - Werden der - Werden der

LandschaftLandschaft- „Vorzeitinfluenz“- „Vorzeitinfluenz“- (rapide) Änderungen- (rapide) Änderungen- ihre Ursachen und - ihre Ursachen und Auswirkungen Auswirkungen- Projektion, - Projektion, Risikoabschätzung Risikoabschätzung

Zum Beispiel Zum Beispiel Geoarchäologie…Geoarchäologie…

Krems-Wachtberg

Synchroner Ansatz: Wie sah die Umwelt (Landschaft, Umgebung) der Fundstelle während der Besiedlungszeit aus? D

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~5 mAbout the archaeology…….

Since 2005 an Lower Gravettian cultural layer is excavated at this site. The project is led by the Praehistoric Commission of the Austrian Academy of Sciences. Project leader: Dr. Christine Neugebauer-MareschLeader of excavation: MA Thomas Einwögerer

The work presented here is part of this project.

northern wallnorthern wall

C-14 Datum;Poz-12920: 26580 +/- 160 BP

© Thomas Einwögerer

Calendric Age calBP: 31.108 +/- 129 CalPal Online

Exkurs Krems-Wachtberg

800600400200

magnet ic suscept ibility in 10 - 6 S I - units

low - int ensit y of ' pedogenesis' - high

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greyscale values- 46 - 44 - 42 - 40 - 38

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laminated sediments f rom M aar - lakes, E if el, Germany

magnet ic suscept ibility of loess atKrems- W achtberg,A ustr ia

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H einr ich event 2GI 2

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GI 6

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Vergleich vom Archiven (diachron)

Geomagnetic Events and Excursions of the last 50 ka

A: Hilina Pali Event ca. 20 ka

B: Mono Lake Event ca. 32-34 ka

C: Laschamp Event ca. 40 ka

Teanby et al. 2002

Lavas from Hawaii

There is only one Geomagnetic Event between ca. 25 – 35 ka : >Mono Lake Event (MLE)

Dank an Dr. Ulrich Hambach!

Das Zeit-Problem…Das Zeit-Problem…

Meinen Geomorphologen, Geologen, Geografen, Meinen Geomorphologen, Geologen, Geografen, Geoökologen,… dasselbe mit dem Begriff „Zeit“?Geoökologen,… dasselbe mit dem Begriff „Zeit“?

Zunächst: Was verstehen eigentlich wir Geomorphologen Zunächst: Was verstehen eigentlich wir Geomorphologen unter „Zeit“?unter „Zeit“?

Nehmen wir uns etwas Zeit, um über die Zeit Nehmen wir uns etwas Zeit, um über die Zeit nachzudenken…nachzudenken…

Zeitbegriff in der GeomorphologieZeitbegriff in der Geomorphologie(nach Ahnert 1996, S. 21 ff)(nach Ahnert 1996, S. 21 ff)

Funktionale GeomorphologieFunktionale Geomorphologie: : Geschwindigkeiten und Prozessraten Geschwindigkeiten und Prozessraten oder Angabe der Zeitdaueroder Angabe der Zeitdauer

Prozessrate = Arbeit / Zeiteinheit [z.B. mkg sProzessrate = Arbeit / Zeiteinheit [z.B. mkg s-1-1]] Gesamtarbeit = Prozessrate x ZeitdauerGesamtarbeit = Prozessrate x Zeitdauer

"Es ist nicht eine Zeit des Zustandes, sondern die "Es ist nicht eine Zeit des Zustandes, sondern die Zeit des Ablaufes physikalischer Prozesse und Zeit des Ablaufes physikalischer Prozesse und damit ein systeminterner Bestandteil dieser damit ein systeminterner Bestandteil dieser Prozesse. Mit anderen Worten, die Zeit der Prozesse. Mit anderen Worten, die Zeit der funktionalen Geomorphologie ist funktionalen Geomorphologie ist physikalische physikalische ZeitZeit".".

Zeitbegriff in der Geomorphologie 2Zeitbegriff in der Geomorphologie 2(nach Ahnert 1996, S. 21 ff)(nach Ahnert 1996, S. 21 ff)

Historisch-genetische GeomorphologieHistorisch-genetische Geomorphologie::

"Im Gegensatz dazu ist die Zeit der historisch-"Im Gegensatz dazu ist die Zeit der historisch-genetischen Geomorphologie ein Mittel zur genetischen Geomorphologie ein Mittel zur Einordnung des Eintretens und der Dauer Einordnung des Eintretens und der Dauer erdhistorischer Ereignisse. ...Wie diese Ereignisse erdhistorischer Ereignisse. ...Wie diese Ereignisse ist auch diese Zeit systemextern und wird durch ist auch diese Zeit systemextern und wird durch ihre Bezeichnung als ihre Bezeichnung als historische Zeithistorische Zeit von der von der systeminternen physikalischen Zeit unterschieden."systeminternen physikalischen Zeit unterschieden."

Steigung: Prozessrate dn/dt

Für dt → 0 bei „Wiggles“:Alle denkbaren Steigungen

KonsequenzenKonsequenzen

Nicht-lineare Prozesse können bei zu großem Nicht-lineare Prozesse können bei zu großem ΔΔt t nicht erfasst werdennicht erfasst werden..

Das eigentliche Ziel eines umweltorientierten Das eigentliche Ziel eines umweltorientierten geomorphologischen Ansatzes (z.B. im Sinne von geomorphologischen Ansatzes (z.B. im Sinne von William L. Graf) kann völlig verfehlt werden.William L. Graf) kann völlig verfehlt werden.

Interesse der Geomorphologie an weiteren Interesse der Geomorphologie an weiteren qualitativen Sprüngen der Datierungsmethoden!qualitativen Sprüngen der Datierungsmethoden!

„„Prozessrate“Prozessrate“ Was meinen wir mit „Prozessrate“…Was meinen wir mit „Prozessrate“…

- bei „Steady State“ oder „Reaction Time“,- bei „Steady State“ oder „Reaction Time“, - bei „Relaxation Time“,- bei „Relaxation Time“,

- in der Prozessgeomorphologie,- in der Prozessgeomorphologie, - in der historisch-genetischen Geomorphologie?- in der historisch-genetischen Geomorphologie?

Wie können wir sie jeweils sinnvoll bestimmenWie können wir sie jeweils sinnvoll bestimmen (d.h., wie groß wählen wir (d.h., wie groß wählen wir ΔΔt)?t)?

Bestimmung der ProzessrateBestimmung der Prozessrate(Herausforderung an Geomorphologie, Geoökologie, (Herausforderung an Geomorphologie, Geoökologie,

Geographie)Geographie) 1) Datierung von Anfangs- und Endpunkt des 1) Datierung von Anfangs- und Endpunkt des

Prozesses und Berechnung der Prozesses und Berechnung der Veränderung/Zeiteinheit Veränderung/Zeiteinheit ΔΔn/n/ΔΔt t

- Aber: „historische Zeit“ wird zur Annäherung an - Aber: „historische Zeit“ wird zur Annäherung an „physikalische Zeit“ genutzt!„physikalische Zeit“ genutzt!

- Statistische und systematische Fehler der - Statistische und systematische Fehler der Datierungen verstärken sich bei Berechnung der Datierungen verstärken sich bei Berechnung der Steigung Steigung ΔΔn/n/ΔΔt t

Geeignet für großes Geeignet für großes ΔΔt (z.B. „zyklische Zeit“), t (z.B. „zyklische Zeit“), ungeeignet bei „Wiggles“ ungeeignet bei „Wiggles“

2) Ist direkte Bestimmung der Prozessrate möglich?2) Ist direkte Bestimmung der Prozessrate möglich?

Zu 1) Bestimmung über DatierungenZu 1) Bestimmung über Datierungen

Fragen:Fragen: Was wird eigentlich datiert (welches Ereignis, Was wird eigentlich datiert (welches Ereignis,

Kontext)?Kontext)? Was datiert welche Methode (z.B. Holzkohle und Was datiert welche Methode (z.B. Holzkohle und

Bodenbildung)?Bodenbildung)? Können verschiedene Methoden kombiniert Können verschiedene Methoden kombiniert

werden (im Prinzip erwünscht) und wie?werden (im Prinzip erwünscht) und wie? Welche Beschränkungen haben die Welche Beschränkungen haben die

Datierungsmethoden (Anwendungsbereich, Datierungsmethoden (Anwendungsbereich, Zuverlässigkeit, Materialien…)Zuverlässigkeit, Materialien…)

Momentaufnahme oder Film; Beispiel Momentaufnahme oder Film; Beispiel VulkanVulkan

Datierung des Datierung des Ausbruchs durch Ausbruchs durch Ar/Ar oder TL Ar/Ar oder TL oder…oder…

Dynamik der Dynamik der Hän-ge und Hän-ge und Böden unter sich Böden unter sich wan-delndem wan-delndem Klima, Klima, geänderter Nut-geänderter Nut-zung…???zung…???

La Corona, Lanzarote

Bei präzisem Gebrauch der „Zeit“-Begriffe: Überzeugende Vermittlung geomorphologischer Anliegen und Ergebnisse, Diskussion des Zeitbegriffes in verschiedenen Disziplinen.

Wichtige physikalische und chemische Wichtige physikalische und chemische Datierungsmethoden im QuartärDatierungsmethoden im Quartär

Zu 2) Direkte Bestimmung von Zu 2) Direkte Bestimmung von ProzessratenProzessraten

FragenFragen: : Wie repräsentativ sind aktuelle Messungen?Wie repräsentativ sind aktuelle Messungen?

(personal- und/oder geräteintensiv: teuer!)(personal- und/oder geräteintensiv: teuer!)Upscaling/Downscaling-ProblemUpscaling/Downscaling-Problem

Sind direkte Messungen für die Vergangenheit möglich?Sind direkte Messungen für die Vergangenheit möglich?

Über welchen Zeitraum soll gemittelt werden?Über welchen Zeitraum soll gemittelt werden?

Sind vorzeitliche Änderungen der Prozessraten Sind vorzeitliche Änderungen der Prozessraten messbar?messbar?

MethodenMethoden Nutzung vonNutzung von A) Erstmaligem (u. U. letztmaligem) Eintrag A) Erstmaligem (u. U. letztmaligem) Eintrag

chemischer chemischer Stoffe oder Radionuklide (RN) Stoffe oder Radionuklide (RN) („Tracer“, s.u.)(„Tracer“, s.u.)

B) Radioaktivem ZerfallB) Radioaktivem Zerfall Z.B. Z.B. 1010Be (HWZ 1,5 Ma) u.a.Be (HWZ 1,5 Ma) u.a.

Voraussetzungen: bekannte Produktionsrate, Voraussetzungen: bekannte Produktionsrate, „Halbwertsdicke“, Zerfallsgleichgewicht, chemisch „Halbwertsdicke“, Zerfallsgleichgewicht, chemisch geschlossenes System.geschlossenes System.Resultat: i) Mittlere Abtragsrate über mehrere HWZ. Resultat: i) Mittlere Abtragsrate über mehrere HWZ.

ii) Alternativ Expositionsalter.ii) Alternativ Expositionsalter. Bei mehreren kosmogenen RN mit sehr unterschiedlicher Bei mehreren kosmogenen RN mit sehr unterschiedlicher

HWZ: HWZ: Zeitliche Variation der mittleren AbtragsratenZeitliche Variation der mittleren Abtragsraten..C) ThermochronometrieC) Thermochronometrie

(Spaltspuren, U-Th-He: Datierung der letzten Erhitzung auf (Spaltspuren, U-Th-He: Datierung der letzten Erhitzung auf Schließungs-T, z.B. 110°C oder 60°C, Temp.-Hebungspfade)Schließungs-T, z.B. 110°C oder 60°C, Temp.-Hebungspfade)Zeitliche Variation der mittleren AbtragsratenZeitliche Variation der mittleren Abtragsraten..

Thermochronometrie, Beispiel U-SpaltspurenThermochronometrie, Beispiel U-Spaltspuren

Abkühlungsmodelle Fichtelgebirge-SteinwaldAbkühlungsmodelle Fichtelgebirge-Steinwald

Nach Hejl & Wagner 1990, Naturwiss.

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Intrusion?

Neuere TracermethodenNeuere Tracermethoden

Radiocäsium (Radiocäsium (137137Cs)Cs)Eintrag: 1. Max. 1962/63 (Bomben), 2. Max. 1986 Eintrag: 1. Max. 1962/63 (Bomben), 2. Max. 1986 (Tschernobyl)(Tschernobyl)Quantifizierung von Bodenerosion seit 1963 in kleinen Einzugs-Quantifizierung von Bodenerosion seit 1963 in kleinen Einzugs-gebieten (bis ca. 1 ha). gebieten (bis ca. 1 ha). In der BRD fast nicht angewandt In der BRD fast nicht angewandt (s. Schimmack et al. 2002, Zöller et al. subm.)(s. Schimmack et al. 2002, Zöller et al. subm.)

Plutonium (Plutonium (239,240239,240Pu), Americium (Pu), Americium (241241Am)Am)Eintrag fast nur durch Bomben. Wegen langer HWZ von Eintrag fast nur durch Bomben. Wegen langer HWZ von 241241Am Am (ca. 400 a) und von Pu-gestütztem weiterem radiogenen (ca. 400 a) und von Pu-gestütztem weiterem radiogenen Aufbau ist Aufbau ist 241241Am zukunftsträchtiger Tracer. Analytik Am zukunftsträchtiger Tracer. Analytik schwieriger als für schwieriger als für 137137Cs. Cs. In der BRD fast nicht angewandt (s. In der BRD fast nicht angewandt (s. Schimmack et al. 2002, Schleich 2006)Schimmack et al. 2002, Schleich 2006)

Radioberyllium (Radioberyllium (77Be)Be)

Tracer: Tracer: 77BeBe77Be:Be: - Bildung kosmogen in AtmosphäreBildung kosmogen in Atmosphäre- Nasse Deposition, Adsorption v.a. an Ton- und Nasse Deposition, Adsorption v.a. an Ton- und

HumuspartikelHumuspartikel- HWZ nur 55 d (5 HWZ=275 d)HWZ nur 55 d (5 HWZ=275 d)- Nachweis mittels HP-Ge-GammaspektrometerNachweis mittels HP-Ge-Gammaspektrometer- Verlagerung bei erosionswirksamen Starkregen Verlagerung bei erosionswirksamen Starkregen

oder Schneeschmelzeoder Schneeschmelze

→ → ereignisbezogene retroperspektive Messung des ereignisbezogene retroperspektive Messung des Abtrages in kleinen Einzugsgebieten möglich,Abtrages in kleinen Einzugsgebieten möglich,besonders geeignet für Gebiete mit stark besonders geeignet für Gebiete mit stark saisonaler Erosionstätigkeitsaisonaler ErosionstätigkeitIn BRD m.W. noch nicht angewandtIn BRD m.W. noch nicht angewandt

ProblemeProbleme

Homogenität des Eintrages (bes. Homogenität des Eintrages (bes. 77Be, Be, 137137Cs)Cs) Fixierung bzw. Mobilität (Translokation) des Fixierung bzw. Mobilität (Translokation) des

Tracers, z.B. pH-Abhängigkeit, Art der Tracers, z.B. pH-Abhängigkeit, Art der Bindung…Bindung…

weitere Grundlagenforschungen zur weitere Grundlagenforschungen zur Geoökologie des Tracer-Verhaltens bis auf Geoökologie des Tracer-Verhaltens bis auf Mikroskalen nötig (Mikroskalen nötig (s. Schleich 2006s. Schleich 2006))

Länger zurückreichende Prozessraten nur Länger zurückreichende Prozessraten nur über längere Zeiträume zu mittelnüber längere Zeiträume zu mitteln

Perspektiven von radiometrischen Methoden Perspektiven von radiometrischen Methoden zur direkten Ermittlung von Prozessraten…zur direkten Ermittlung von Prozessraten…

Reihe von MethodenReihe von Methoden Decken zeitlich 8 Zehnerpotenzen ab Decken zeitlich 8 Zehnerpotenzen ab

(von 10(von 1000 bis 10 bis 1088 a) a) Kombination verschiedener Methoden kann Kombination verschiedener Methoden kann

grundlegende Änderungen bzw. Konstanz der grundlegende Änderungen bzw. Konstanz der Prozessraten über mehrere Zeit-Dimensionen Prozessraten über mehrere Zeit-Dimensionen detektieren. Dabei Analogie zu „detektieren. Dabei Analogie zu „Intenstitäts-Auslese-Intenstitäts-Auslese-PrinzipPrinzip“ überlieferter Formen (“ überlieferter Formen (H. RohdenburgH. Rohdenburg))

Sowohl für historisch-genetische Geomorphologie Sowohl für historisch-genetische Geomorphologie ((dynamische bis zyklische Zeitdynamische bis zyklische Zeit) als auch für ) als auch für aktualisti-sche G. aktualisti-sche G. (Statische bis(Statische bis Steady State-ZeitSteady State-Zeit) ) einsetzbareinsetzbar

Einige Methoden (z.B. Einige Methoden (z.B. 1010Be) zur Bestimmung Be) zur Bestimmung historischer wie auch physikalischer Zeit geeignethistorischer wie auch physikalischer Zeit geeignet

……Perspektiven der Geomorphologie Perspektiven der Geomorphologie

Mithilfe der neuen Methoden große neue Zeit für Geomorphologie?!

Es wird aber Zeit,

- sich vehement für den zeitigen Ausbau neuer Methoden der Zeitmessung einzusetzen,

- dabei Risiken nicht zu scheuen,

- dass ich zeitig aufhöre!

Danke für Ihre Zeit zum Zuhören!