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Datierung Methoden der geowissenschaftlichen Zeitbestimmung.

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Präsentation zum Thema: "Datierung Methoden der geowissenschaftlichen Zeitbestimmung."—  Präsentation transkript:

1 Datierung Methoden der geowissenschaftlichen Zeitbestimmung

2 Vorlesung Methoden der geowissenschaftlichen Zeitbestimmung L. Zöller Inhalt: 0: Keine Zeit für Geomorphologie… 1) Einleitung Vorüberlegungen Terminologie Radioaktivität: Zerfalls- und Strahlungsarten und Gleichungen A: Physikalische Methoden auf Grundlage der Radioaktivität 2) Radiogene Edelgase Kalium-Argon Uran-Helium 3) Kosmogene Radionuklide Radiokohlenstoff (14-C) 10-Be, 26-Al, 36-Cl u.a. Tritium (3-H), 3-He 4) Strahlendosimetrische Methoden Lumineszenz (TL, OSL, IR-OSL) Elektronen-Spin-Resonanz (ESR) Partikelspuren: Spaltspuren und Alpha-Rückstoßspuren 5) Uranreihen 230-Th/234-U, 231-Pa/235-U, u.a. 6) Radiocäsium

3 B: Chemische Methoden 7) Aminosäuren-Racemisierung 8) Andere chemische Methoden C: Absolute Methoden der Jahreszählung 9) Dendrochronologie 10) Warwenchronologie und Eislagenzählung (Eisbohrkerne) D: Nicht-numerische Methoden (Magnetismus, Stabile Isotope) 11) Archäo- und Paläomagnetismus 12) Magnetische Suszeptibilität und abgeleitete Parameter 13) Stabile Isotope Sauerstoffisotope (δ18-O) und orbitales Tuning Kohlenstoffisotope (δ13-C) E: Paläobiologische Methoden 14) Pollenanalyse 15) Groß- und Kleinsäugerstratigraphie

4 Grundlegende Literatur: Grundlegende Literatur: Aitken, M.J.: Thermoluminescence Dating. London 1985 Aitken, M.J.: Thermoluminescence Dating. London 1985 Aitken, M.J.: An Introduction to Optical Dating. Oxford Aitken, M.J.: An Introduction to Optical Dating. Oxford Geyh, M.A.: Handbuch der physikalischen und chemi- schen Altersbestimmung. Darmstadt 2005 (WBG). Geyh, M.A.: Handbuch der physikalischen und chemi- schen Altersbestimmung. Darmstadt 2005 (WBG). Wagner, G.A.: Altersbestimmung von jungen Gesteinen und Artefakten. Stuttgart Wagner, G.A.: Altersbestimmung von jungen Gesteinen und Artefakten. Stuttgart Wagner, G.A.: Age Determination of Young Rocks and Artifacts. Berlin 1998 (Springer). Wagner, G.A.: Age Determination of Young Rocks and Artifacts. Berlin 1998 (Springer).

5 Keine Zeit für Geomorphologie? Wie Geomorphologen mit der Zeit umgehen Ludwig Zöller Lehrstuhl Geomorphologie

6 Geoökologie…das Konzert 1. Satz MathePhysikAnorgan. Chemie Organ. Chemie GeologieBiogeografie Bodenkunde, -physik, -ökologie Ökotoxikologie Klimatologie, Mikrometeorologie Geoökol. Modellierung Hydrologie Agrarökosystem- forschung Geomorphologie Keine Zeit!

7 Geographie…das Konzert 2. Satz Einf. Geogr.Stadtgeogr.Sozialgeogr. Statistik GeologieBiogeografie Bodengeogr. Entwicklungsforsch. Klimatologie GIS Hydrogeog. Tourismus- Geogr. Geomorphologie Keine Zeit!

8 Konkurrenz? Relevanz unserer Forschungs- und Lehrinhalte Relevanz unserer Forschungs- und Lehrinhalte Dimensionen des Zeitbegriffs (geologisch-geomorphologischer versus geoökologischem und humangeographischem) Dimensionen des Zeitbegriffs (geologisch-geomorphologischer versus geoökologischem und humangeographischem) …und seine Vermittelbarkeit … …und seine Vermittelbarkeit … Gibt es Berührungspunkte? Gibt es Berührungspunkte? Gesunde

9 Dualismus der Geomorphologie Aktualistisch: Aktualistisch: - Beobachtbare Prozesse - Abstraktion, Gesetzmäßigkeiten, Zusammenhänge, Kausalketten,… - Extrapolation+Projektion, Risikoabschätzung - Beobachtbare Prozesse - Abstraktion, Gesetzmäßigkeiten, Zusammenhänge, Kausalketten,… - Extrapolation+Projektion, Risikoabschätzung Historisch-genetisch Historisch-genetisch - Werden der Landschaft - Vorzeitinfluenz - (rapide) Änderungen - ihre Ursachen und Auswirkungen - Projektion, Risikoabschätzung - Werden der Landschaft - Vorzeitinfluenz - (rapide) Änderungen - ihre Ursachen und Auswirkungen - Projektion, Risikoabschätzung

10 Zum Beispiel Geoarchäologie… Krems-Wachtberg Synchroner Ansatz: Wie sah die Umwelt (Landschaft, Umgebung) der Fundstelle während der Besiedlungszeit aus? Diachroner Ansatz: Welchen Veränderungen war die Fund- stelle vor, während und nach der Besiedlungszeit ausgesetzt?

11 ~5 m About 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-Maresch Leader of excavation: MA Thomas Einwögerer The work presented here is part of this project. northern wall C-14 Datum; Poz-12920: /- 160 BP © Thomas Einwögerer Calendric Age calBP: /- 129 CalPal Online Exkurs Krems-Wachtberg

12 North Greenland Ice Core Project members (2004), Nature 431, Greyscale data from the ELSA-archive: Eifel Laminated Sediments Archive (ELSA) Sedimentology Working Group Univ. of Mainz (Sirocko et al.) expected time window for the Wachtberg site

13 Vergleich vom Archiven (diachron)

14 Geomagnetic Events and Excursions of the last 50 ka A: Hilina Pali Event ca. 20 ka B: Mono Lake Event ca ka C: Laschamp Event ca. 40 ka Teanby et al Lavas from Hawaii

15 There is only one Geomagnetic Event between ca. 25 – 35 ka : >Mono Lake Event (MLE) Dank an Dr. Ulrich Hambach!

16 Das Zeit-Problem… Meinen Geomorphologen, Geologen, Geografen, Geoökologen,… dasselbe mit dem Begriff Zeit? Meinen Geomorphologen, Geologen, Geografen, Geoökologen,… dasselbe mit dem Begriff Zeit? Zunächst: Was verstehen eigentlich wir Geomorphologen unter Zeit? Zunächst: Was verstehen eigentlich wir Geomorphologen unter Zeit? Nehmen wir uns etwas Zeit, um über die Zeit nachzudenken… Nehmen wir uns etwas Zeit, um über die Zeit nachzudenken…

17 Zeitbegriff in der Geomorphologie (nach Ahnert 1996, S. 21 ff) Funktionale Geomorphologie: Geschwindigkeiten und Prozessraten oder Angabe der Zeitdauer Funktionale Geomorphologie: Geschwindigkeiten und Prozessraten oder Angabe der Zeitdauer Prozessrate = Arbeit / Zeiteinheit [z.B. mkg s -1 ] Prozessrate = Arbeit / Zeiteinheit [z.B. mkg s -1 ] Gesamtarbeit = Prozessrate x Zeitdauer Gesamtarbeit = Prozessrate x Zeitdauer "Es ist nicht eine Zeit des Zustandes, sondern die Zeit des Ablaufes physikalischer Prozesse und damit ein systeminterner Bestandteil dieser Prozesse. Mit anderen Worten, die Zeit der funktionalen Geomorphologie ist physikalische Zeit". "Es ist nicht eine Zeit des Zustandes, sondern die Zeit des Ablaufes physikalischer Prozesse und damit ein systeminterner Bestandteil dieser Prozesse. Mit anderen Worten, die Zeit der funktionalen Geomorphologie ist physikalische Zeit".

18 Zeitbegriff in der Geomorphologie 2 (nach Ahnert 1996, S. 21 ff) Historisch-genetische Geomorphologie: Historisch-genetische Geomorphologie: "Im Gegensatz dazu ist die Zeit der historisch- genetischen Geomorphologie ein Mittel zur Einordnung des Eintretens und der Dauer erdhistorischer Ereignisse....Wie diese Ereignisse ist auch diese Zeit systemextern und wird durch ihre Bezeichnung als historische Zeit von der systeminternen physikalischen Zeit unterschieden." "Im Gegensatz dazu ist die Zeit der historisch- genetischen Geomorphologie ein Mittel zur Einordnung des Eintretens und der Dauer erdhistorischer Ereignisse....Wie diese Ereignisse ist auch diese Zeit systemextern und wird durch ihre Bezeichnung als historische Zeit von der systeminternen physikalischen Zeit unterschieden."

19 Steigung: Prozessrate dn/dt Für dt 0 bei Wiggles: Alle denkbaren Steigungen

20 Konsequenzen Nicht-lineare Prozesse können bei zu großem Δt nicht erfasst werden. Nicht-lineare Prozesse können bei zu großem Δt nicht erfasst werden. Das eigentliche Ziel eines umweltorientierten geomorphologischen Ansatzes (z.B. im Sinne von William L. Graf) kann völlig verfehlt werden. Das eigentliche Ziel eines umweltorientierten geomorphologischen Ansatzes (z.B. im Sinne von William L. Graf) kann völlig verfehlt werden. Interesse der Geomorphologie an weiteren qualitativen Sprüngen der Datierungsmethoden! Interesse der Geomorphologie an weiteren qualitativen Sprüngen der Datierungsmethoden!

21 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 bestimmen Wie können wir sie jeweils sinnvoll bestimmen (d.h., wie groß wählen wir Δt)? (d.h., wie groß wählen wir Δt)?

22 Bestimmung der Prozessrate (Herausforderung an Geomorphologie, Geoökologie, Geographie) 1) Datierung von Anfangs- und Endpunkt des Prozesses und Berechnung der Veränderung/Zeiteinheit Δn/Δt 1) Datierung von Anfangs- und Endpunkt des Prozesses und Berechnung der Veränderung/Zeiteinheit Δn/Δt - Aber: historische Zeit wird zur Annäherung an physikalische Zeit genutzt! - Aber: historische Zeit wird zur Annäherung an physikalische Zeit genutzt! - Statistische und systematische Fehler der Datierungen verstärken sich bei Berechnung der Steigung Δn/Δt - Statistische und systematische Fehler der Datierungen verstärken sich bei Berechnung der Steigung Δn/Δt Geeignet für großes Δt (z.B. zyklische Zeit), ungeeignet bei Wiggles Geeignet für großes Δt (z.B. zyklische Zeit), ungeeignet bei Wiggles 2) Ist direkte Bestimmung der Prozessrate möglich? 2) Ist direkte Bestimmung der Prozessrate möglich?

23 Zu 1) Bestimmung über Datierungen Fragen: Fragen: Was wird eigentlich datiert (welches Ereignis, Kontext)? Was wird eigentlich datiert (welches Ereignis, Kontext)? Was datiert welche Methode (z.B. Holzkohle und Bodenbildung)? Was datiert welche Methode (z.B. Holzkohle und Bodenbildung)? Können verschiedene Methoden kombiniert werden (im Prinzip erwünscht) und wie? Können verschiedene Methoden kombiniert werden (im Prinzip erwünscht) und wie? Welche Beschränkungen haben die Datierungsmethoden (Anwendungsbereich, Zuverlässigkeit, Materialien…) Welche Beschränkungen haben die Datierungsmethoden (Anwendungsbereich, Zuverlässigkeit, Materialien…)

24 Momentaufnahme oder Film; Beispiel Vulkan Datierung des Ausbruchs durch Ar/Ar oder TL oder… Datierung des Ausbruchs durch Ar/Ar oder TL oder… Dynamik der Hän- ge und Böden unter sich wan- delndem Klima, geänderter Nut- zung…??? Dynamik der Hän- ge und Böden unter sich wan- delndem Klima, geänderter Nut- zung…??? La Corona, Lanzarote Bei präzisem Gebrauch der Zeit-Begriffe: Überzeugende Vermittlung geomorphologischer Anliegen und Ergebnisse, Diskussion des Zeitbegriffes in verschiedenen Disziplinen.

25 Wichtige physikalische und chemische Datierungsmethoden im Quartär

26 Zu 2) Direkte Bestimmung von Prozessraten Fragen: Fragen: Wie repräsentativ sind aktuelle Messungen? (personal- und/oder geräteintensiv: teuer!) Upscaling/Downscaling-Problem Wie repräsentativ sind aktuelle Messungen? (personal- und/oder geräteintensiv: teuer!) Upscaling/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 messbar? Sind vorzeitliche Änderungen der Prozessraten messbar?

27 Methoden Nutzung von Nutzung von A) Erstmaligem (u. U. letztmaligem) Eintrag chemischer Stoffe oder Radionuklide (RN) (Tracer, s.u.) A) Erstmaligem (u. U. letztmaligem) Eintrag chemischer Stoffe oder Radionuklide (RN) (Tracer, s.u.) B) Radioaktivem Zerfall B) Radioaktivem Zerfall Z.B. 10 Be (HWZ 1,5 Ma) u.a. Voraussetzungen: bekannte Produktionsrate, Halbwertsdicke, Zerfallsgleichgewicht, chemisch geschlossenes System. Resultat: i) Mittlere Abtragsrate über mehrere HWZ. ii) Alternativ Expositionsalter. Z.B. 10 Be (HWZ 1,5 Ma) u.a. Voraussetzungen: bekannte Produktionsrate, Halbwertsdicke, Zerfallsgleichgewicht, chemisch geschlossenes System. Resultat: i) Mittlere Abtragsrate über mehrere HWZ. ii) Alternativ Expositionsalter. Bei mehreren kosmogenen RN mit sehr unterschiedlicher HWZ: Zeitliche Variation der mittleren Abtragsraten. Bei mehreren kosmogenen RN mit sehr unterschiedlicher HWZ: Zeitliche Variation der mittleren Abtragsraten. C) Thermochronometrie (Spaltspuren, U-Th-He: Datierung der letzten Erhitzung auf Schließungs-T, z.B. 110°C oder 60°C, Temp.-Hebungspfade) Zeitliche Variation der mittleren Abtragsraten.

28 Thermochronometrie, Beispiel U-Spaltspuren

29 Abkühlungsmodelle Fichtelgebirge-Steinwald Nach Hejl & Wagner 1990, Naturwiss. M i t U - T h - H e - M e t h o d e g e n a u e r e E r g e b n i s s e f ü r g e r i n g e r e T ( d. h. j ü n g e r e D e n u d a t i o n ) m ö g l i c h Intrusion?

30 Neuere Tracermethoden Radiocäsium ( 137 Cs) Eintrag: 1. Max. 1962/63 (Bomben), 2. Max (Tschernobyl) Quantifizierung von Bodenerosion seit 1963 in kleinen Einzugs- gebieten (bis ca. 1 ha). In der BRD fast nicht angewandt (s. Schimmack et al. 2002, Zöller et al. subm.) Radiocäsium ( 137 Cs) Eintrag: 1. Max. 1962/63 (Bomben), 2. Max (Tschernobyl) Quantifizierung von Bodenerosion seit 1963 in kleinen Einzugs- gebieten (bis ca. 1 ha). In der BRD fast nicht angewandt (s. Schimmack et al. 2002, Zöller et al. subm.) Plutonium ( 239,240 Pu), Americium ( 241 Am) Eintrag fast nur durch Bomben. Wegen langer HWZ von 241 Am (ca. 400 a) und von Pu-gestütztem weiterem radiogenen Aufbau ist 241 Am zukunftsträchtiger Tracer. Analytik schwieriger als für 137 Cs. In der BRD fast nicht angewandt (s. Schimmack et al. 2002, Schleich 2006) Plutonium ( 239,240 Pu), Americium ( 241 Am) Eintrag fast nur durch Bomben. Wegen langer HWZ von 241 Am (ca. 400 a) und von Pu-gestütztem weiterem radiogenen Aufbau ist 241 Am zukunftsträchtiger Tracer. Analytik schwieriger als für 137 Cs. In der BRD fast nicht angewandt (s. Schimmack et al. 2002, Schleich 2006) Radioberyllium ( 7 Be) Radioberyllium ( 7 Be)

31 Tracer: 7 Be 7 Be: -Bildung kosmogen in Atmosphäre -Nasse Deposition, Adsorption v.a. an Ton- und Humuspartikel -HWZ nur 55 d (5 HWZ=275 d) -Nachweis mittels HP-Ge-Gammaspektrometer -Verlagerung bei erosionswirksamen Starkregen oder Schneeschmelze -Verlagerung bei erosionswirksamen Starkregen oder Schneeschmelze ereignisbezogene retroperspektive Messung des Abtrages in kleinen Einzugsgebieten möglich, ereignisbezogene retroperspektive Messung des Abtrages in kleinen Einzugsgebieten möglich, besonders geeignet für Gebiete mit stark saisonaler Erosionstätigkeit In BRD m.W. noch nicht angewandt

32 Probleme Homogenität des Eintrages (bes. 7 Be, 137 Cs) Homogenität des Eintrages (bes. 7 Be, 137 Cs) Fixierung bzw. Mobilität (Translokation) des Tracers, z.B. pH-Abhängigkeit, Art der Bindung… Fixierung bzw. Mobilität (Translokation) des Tracers, z.B. pH-Abhängigkeit, Art der Bindung… weitere Grundlagenforschungen zur Geoökologie des Tracer-Verhaltens bis auf Mikroskalen nötig ( s. Schleich 2006 ) weitere Grundlagenforschungen zur Geoökologie des Tracer-Verhaltens bis auf Mikroskalen nötig ( s. Schleich 2006 ) Länger zurückreichende Prozessraten nur über längere Zeiträume zu mitteln Länger zurückreichende Prozessraten nur über längere Zeiträume zu mitteln

33 Perspektiven von radiometrischen Methoden zur direkten Ermittlung von Prozessraten… Reihe von Methoden Reihe von Methoden Decken zeitlich 8 Zehnerpotenzen ab (von 10 0 bis 10 8 a) Decken zeitlich 8 Zehnerpotenzen ab (von 10 0 bis 10 8 a) Kombination verschiedener Methoden kann grundlegende Änderungen bzw. Konstanz der Prozessraten über mehrere Zeit-Dimensionen detektieren. Dabei Analogie zu Intenstitäts-Auslese- Prinzip überlieferter Formen (H. Rohdenburg) Kombination verschiedener Methoden kann grundlegende Änderungen bzw. Konstanz der Prozessraten über mehrere Zeit-Dimensionen detektieren. Dabei Analogie zu Intenstitäts-Auslese- Prinzip überlieferter Formen (H. Rohdenburg) Sowohl für historisch-genetische Geomorphologie (dynamische bis zyklische Zeit) als auch für aktualisti- sche G. (Statische bis Steady State-Zeit) einsetzbar Sowohl für historisch-genetische Geomorphologie (dynamische bis zyklische Zeit) als auch für aktualisti- sche G. (Statische bis Steady State-Zeit) einsetzbar Einige Methoden (z.B. 10 Be) zur Bestimmung historischer wie auch physikalischer Zeit geeignet Einige Methoden (z.B. 10 Be) zur Bestimmung historischer wie auch physikalischer Zeit geeignet

34 …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!


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