Isotopengeochemie

Untersuchungsgegenstand

Die Isotopengeochemie ist die Lehre von der Verteilung, der Fraktionierung und dem radioaktiven Zerfall der Isotope auf der Erde und im Weltraum. Sie ist ein Teilbereich der Geochemie und wird in zwei Zweige gegliedert:

• Die Geochemie stabiler Isotope beschäftigt sich mit Isotopen, die nicht zerfallen. Die meisten chemischen Elemente besitzen mehrere Isotope. Bei chemischen und biologischen Prozessen verhalten diese sich teilweise unterschiedlich (Isotopenfraktionierung). Dadurch unterscheidet sich das Verhältnis verschiedener Isotope desselben Elements zwischen verschiedenen Substanzen (Minerale, Wässer, organische Substanzen). Damit lassen Isotopenverhältnisse Schlüsse auf die Entwicklungsgeschichte eines solchen Geomaterials zu. Wichtige stabile Isotope sind die des Wasserstoffs, des Sauerstoffs, des Kohlenstoffs, des Schwefels, des Calciums, des Siliziums, des Strontiums und des Eisens.

• Die Geochronologie bestimmt das Entstehungs- oder Metamorphosealter von Mineralen, Gesteinen und Wässern. Dabei macht sie sich zunutze, dass radioaktive Isotope mit der Zeit zerfallen. Solange die Atome bzw. Isotope zwischen einem geologisches Objekt (z. B. einem Mineral) und seiner Umgebung ausgetauscht werden können, liegen ein radioaktives Isotope x und ein stabiles Isotop y in einem so genannten „initialen Isotopenverhältnis“ zueinander vor. Dieses wird durch die Bildungsrate des radioaktiven Isotops durch Kernfusion in der Sonne oder anderen Sternen einerseits und seine Zerfallskonstante andererseits bestimmt und kann sich über geologische Zeiträume ändern. Sobald der Austausch unterbunden ist, weil die Temperatur soweit abfällt, dass keine signifikante Diffusion mehr stattfindet, beginnt die geochronologische Uhr zu ticken. Man spricht von einer „Schließungstemperatur“. Die im Mineral vorhandenen radioaktiven Isotope zerfallen und es findet kein Nachschub an neuen radioaktiven Isotopen mehr statt. Damit ist die Konzentration eines radioaktiven Isotops zu einem stabilen Isotop ein Maß für das Alter des Minerals, das von dem Zeitpunkt an gemessen wird, an dem die Schließungstemperatur letztmalig unterschritten wurde. Wichtige Datierungsmethoden sind die Uran-Blei-Datierung, die Kalium-Argon-Datierung, die Argon-Argon-Methode, die Rhenium-Osmium-Methode und die Radiokarbonmethode.

Untersuchungsmethoden

Die Konzentration der Isotope wird mit der Massenspektrometrie gemessen.

Literatur

• Hans-Günter Attendorn & Robert N.C. Bowen: Radioactive and Stable Isotope Geology. 544 Seiten, Springer-Verlag, 1. Auflage 1997. ISBN 978-0-412-75280-3

Weblinks

Radioaktivität und Altersdatierung von Gesteinen – Eine Informationsbroschüre für Lehrer und Schüler. Deutsche Mineralogische Gesellschaft