Isochronenmethode

Die Isochronenmethode ist eine häufig angewandte Methode zur radiometrischen Datierung von Gesteinen. Vorteil gegenüber der konventionellen radiometrischen Datierung ist, dass keine Annahmen über die anfängliche Konzentration des Zerfallsprodukts im Gestein gemacht werden müssen, um ein Gestein sicher zu datieren. Zusätzlich können mit der Isochronenmethode auch Störungen des zur Datierung verwendten Isotopensystems entdeckt werden, die eine Datierung verfälschen würden, wenn sie unerkannt blieben. Die Isochronenemethode ist deswegen ein sehr leistungfähiges Instrument der radiometrischen Datierung.

Verwendbarkeit

Die Isochronenmethode kann bei solchen Isotopensytemen angewendet werden, bei denen das Element, in welches das Mutternuklid $M$ zerfällt, neben dem Tochterisotop $D$ noch mindestens eine weiteres nichtradiogenes stabiles Isotop als Referenzisotop $R$ aufweist. Beispiel ist das Rb-Sr System. Neben dem ⁸⁷Sr, welches das Zerfallsprodukt des Radionuklides ⁸⁷Rb ist, kommt in der Natur noch das stabile Isotop ⁸⁶Sr vor, welches nichtradiogen ist, also nicht selbst Zerfallprodukt eines im der Probe vorkommenden Radionuklides ist. Weitere Beispiele sind z.B. Sm-Nd, U-Pb.

Ablauf der Analysen

Zur Datierung werden die entprechenden Isotopenkonzentrationen entweder in verschiedenen Mineralen einer individuellen Gesteinsprobe (engl. "mineral-isochron") oder in verschiedenen Gesteinsarten kogenetischen Ursprungs (engl. "whole rock isochron"), welche also z.B. von einer Gesteinsschmelze abstammmen, bestimmt.

Bei einer Mineral-Isochrone müssene zuerst verschiedene Mineralfraktionen aus dem zu datierende Gestein separiert werden. Diese Mineralsparation geschieht durch verschiedene Methoden, wie Dichtetrennung, magnetische Separation, chemische Separation, manuell mit Pinzette und Mikroskop usw. Ziel ist es Mineralfraktionen mit möglicht grossem Unterschied im Häufigkeitsverhältnis von Mutterisotop zu Referenzisotop zu gewinnen, was letztendlich die Genauigkeit der Datierung erhöht.

Die verschiedenen Fraktionen werden dann chemisch aufgelöst und die zur Datierung verwendeten Elemente durch chromatographische Methoden extrahiert. Die so erhaltenen Proben werden dann zur Messung der Isotopenverhältnisse mit einem Massenspektrometer und der Elementhäufigkeiten, beipielweise mit einem Atomemissionspektrometer, vorbereitet. Die bei der anschliessenden Messung gewonnenen Resultate werden dann in einem sogenannten Isochronenplot eingezeichnet.

Isochronenplot

Diagramm 1: Beipiel eines hypothetischen Isochronenplots für vier Mineralfraktionen aus einer Gesteinsprobe. Die Isotopenverhältnisse der einzelnen Mineralfraktionen wandern von ihrer anfängliche Position zum Zeitpunkt $t_{0}$ (Kristallisationszeitpunkt des Gesteins) zur neuen Position zum Zeitpunkt $t_{1}$. Je mehr Zeit verstrichen ist, desto steiler ist die Gerade; der Schnittpunkt mit der Ordinate bleibt jedoch konstant.

Der Isochronenplot ist ein Diagramm in dem Verhältnis des Tochterisotopes zum Referenzisotop ($D/R$) über das Verhältnis des Mutterisotopes zum Referenzisotop ($M/R$) aufgetragen ist. Liegen die Daten im Isochronenplot auf einer Geraden, so wird diese Gerade als Isochrone bezeichnet. Die Steigung der Isochrone ist dann ein Maß für das Alter der Probe. Der Schnittpunkt mit der Ordinate des Koordniatensytems gibt das Verhältnis von Tochter- zu Referenzisotop zum datierten Zeitpunkt $t_{0}$ wieder.

Es kann gezeigt werden, dass für die Steigung m und das Alter t folgender Zusammenhang gilt:

$t={\frac {1}{\lambda }}\cdot \ln \left(m+1\right),\quad \lambda =Zerfallskonstante$

Beachtenswert ist, dass in dieser Formel zur Bestimmung des Alters nur die Steigung und nicht das Anfangsverhältnis von Tochterisotop zu Mutterisotop eingeht. Man erhält dieses Anfangsverhältnis zwar als Resultat der Isochronemethode, benötigt es aber nicht zur Altersbestimmung.

Interpretation der Datierung

Das resultierende Alters der Isochronenmethode datiert, wie bei anderen radiometrischen Datierungmethoden auch, den Zeitpunkt des "Abschlusses" des verwendeten Isotopensystems, d.h. den Zeitpunkt, ab dem die Isotope in den entsprechenden Mineralen und Gesteinen fixiert sind, und nicht mehr mit der Umgebung ausgetauscht werden. Verschiedene Isotopensysteme reagieren sehr unterschiedlich auf Umgebungsbedingungen, so dass sie unter unterschiedliche Bedingen abschliessen. Je nach zur Datierung verwendetem Isotopensytem kann der "Abschluss" also unterschiedlichen physikalischen Ereignissen entsprechen. Wenn ein zur Datierung verwendetes Isotopensytem beipielsweise bei einer höheren Temperatur abschliesst als ein anderes, so wird ersteres ein höheres Alter für ein aus einer Schmelze auskristallisierendes und extrem langsam abkühlendes Gestein liefern. Dies kann in solchen Fällen zur Bestimmung von Abkühlraten verwendet werden.

Auch ist zu beachten, dass "mineral-isochrons" und "whole rock isochrons" unterschiedliche Ereignisse datieren. Während die Mineral-Isochrone z.B. Kristallisation des individuellen Gesteins datiert, datiert die "whole rock isochron" die Aufspaltung der Urspungschmelze in verschiedene Teilschmelzen, aus denen dann die verschieden Geteinsarten auskristallisierten. Es ist also nicht ungewöhnliches wenn beide Datierungen unterschiedliche Resultate liefern.