Bestimmung des Alters von Gesteinen nach der Kalium

Bestimmung des Alters von Gesteinen nach
der Kalium-Argon-Methode
Voraussetzungen
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Die Gesamtmenge an Kalium, die es heute in der Erde gibt, stammt aus dem Material,
aus dem die Erde entstand. Es wird also nichts mehr davon nachgebildet.
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Das Element Kalium kommt in Form zweier Isotope vor: 39K (nicht radioaktiv) und dem
schwereren radioaktiven 40K. Alle Vulkangesteine enthalten Kalium. Das Verhältnis der
Kaliumisotope 40K und 39K (1: 25 000) ist in allen Gesteinsproben konstant.
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zerfällt mit einer genau messbaren Halbwertszeit in 40Ar (Argon). Die Halbwertszeit
ist unter den auf der Erde vorkommenden Bedingungen (Druck, Temperatur, Strahlung)
konstant, das heißt, pro Halbwertszeit zerfällt immer die Hälfte der vorhandenen 40KAtome (Halbwertszeit = 1,27 * 109 Jahre).
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Wenn vulkanisches Gestein in flüssiger Form aus tieferen Erdschichten empor dringt,
verdampft alles 40Ar aus radioaktivem Zerfall, das sich darin befunden hat. Wenn sich
das Gestein wieder verfestigt, bleibt das 40Ar, das aus Zerfällen von 40K entstanden ist,
im Kristallgitter bestimmter Gesteine "gefangen". Nur an der Oberfläche kann 40Ar
entweichen.
Durchführung der Messung
1. Die Messung kann nur mit bestimmten Mineralien (wie Biotit oder Muskovit) erfolgen,
von denen bekannt ist, dass deren Kristallstruktur 40Ar einschließt.
2. Aus der Gesteinsprobe werden diese Mineralien ausgelesen und so gemahlen, dass
Körnchen von 0,5 bis 1 mm Durchmesser entstehen. Hierbei entweicht keine messbare
Menge 40Ar.
3. Anschließend werden die Körnchen mit warmer Flusssäure behandelt. Durch diese
Säure werden die oberflächlichen Schichten, die möglicherweise 40Ar verloren haben
bzw. aus der Luft aufgenommen haben könnten, aufgelöst ("weggeätzt").
4. Ein Teil der Probe wird so verarbeitet, dass mit äußerst empfindlichen Methoden (wie
Flammenphotometrie, Atomabsorption oder Neutronenaktivierungsanalyse) der Gehalt
der Probe an Kalium (40K plus 39K) bestimmt werden kann.
5. Ein zweiter Teil der Probe wird im Hochvakuum so stark erhitzt, dass alle Bestandteile
der Probe schmelzen (ab etwa 1.700 0C). Unter diesen Bedingungen treten alle Gase,
die in dem Kristallgitter der Mineralien eingeschlossen waren oder durch das Erhitzen
freigesetzt wurden (wie Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoffmonooxid, Kohlenstoffdioxid,
Wasserstoff, Chlor) aus.
6. Durch Zugabe bestimmter Chemikalien werden aus dem Gasgemisch der Probe alle
Gase außer den Edelgasen chemisch gebunden. Das übrigbleibende Gas wird in einer
Kühlfalle kondensiert (Sdp Ar: -186 0C).
7. Das Kondensat wird in einem so genannten Massenspektrometer untersucht. Dort
werden die Atome so behandelt, dass sie ein Elektron verlieren und positiv geladen
werden. In einem elektrischen Feld werden die Teilchen dann von der Kathode
angezogen. Legt man nun gleichzeitig ein Magnetfeld rechtwinklig zur Flugbahn der
Teilchen an, so werden die Teilchen umso stärker abgelenkt, je leichter sie sind. Die
Ablenkung kann durch Veränderung der Stärke dew Magnetfelds so genau eingestellt
werden, dass sogar Isotope eines Elements, deren Masse sich nur um eine Einheit
unterscheidet, getrennt werden können. Jedes einzelne Teilchen kann von einem
Detektor registriert. Man kann also sowohl die Art jedes Teilchens als auch deren
jeweilige Gesamtmenge in der Probe ermitteln.
8. Auf elegante Weise kann gemessen werden, wie viel Luft mitgeschleppt wurde. Luft
enthält nämlich außer 40Ar auch noch 36Ar und 38Ar, die beiden letzten Isotope werden
beim radioaktiven Zerfall von 40K nicht gebildet. Da das relative Verhältnis dieser
Isotope in der Atmosphäre bekannt ist (36Ar : 40Ar = 1 : 296), kann man leicht das 40Ar,
das durch Verunreinigungen aus der Luft mitgeschleppt wurde, ermitteln und den Wert
für 40Ar in der Probe entsprechend korrigieren.
Aufgaben
1. Begründen Sie, warum sich die Kalium-Argon-Methode nur zur Altersbestimmung von
vulkanischen Gesteinen eignet, bei Sediment-Gesteinen hingegen versagt.
2. Erläutern Sie die Vorgehensweise bei der Messung in eigenen Worten.
3. Beschreiben Sie, wie man aus den bei dem Verfahren ermittelten Wert für die Anzahl
von 40Ar-Atomen auf das Alter des untersuchten Gesteins rückschließen kann.
4. Eine Probe, die mit der oben beschriebenen Methode untersucht wurde, enthielt pro
Gramm Biotit im Ausgangsgestein 357.100.000.000 Atome Kalium. Pro Gramm dieses
Minerals wurden 6.480.000 Atome 40Ar und 5.000 Atome 36Ar gemessen.
a. Berechnen Sie, wie viel Prozent eines radioaktiven Elements nach 0,1,2 ... 10
Halbwertszeiten noch vorhanden sind. Tragen Sie die Werte in ein Diagramm (xAchse: Halbwertszeiten, y-Achse: Prozent der ursprünglichen Masse, die noch
vorhanden sind) ein und zeichnen Sie die entsprechende Kurve.
b. Ermitteln Sie aus den angegebenen Messwerten mit Hilfe Ihres Diagramms, wie viel
Zeit seit dem letzten Aufschmelzen der Probe vergangen ist.
c. Wieviel Prozent Fehler würde man in Kauf nehmen, wenn man das aus der Luft beim
Messvorgang stammende 40Ar nicht berücksichtigen würde?
d. Versuchen Sie, die Genauigkeit dieser Methode abzuschätzen indem Sie mögliche
Fehlerquellen aufzeigen. Überlegen Sie sich jeweils, ob dieser Fehler ein zu hohes
oder ein zu niedriges Alter ergeben würde.
5. Eignet sich die Kalium-Argon-Methode zur Bestimmung des Alters von Fossilien?
6. Ein Forscher besorgte sich vulkanisches Gestein, das nach einem Vulkanausbruch vor
wenigen Jahren aufgelesen wurde. Eine Altersbestimmung ergab, dass die Probe viele
Jahrmillionen alt sein sollte, was ja nachweislich falsch war. Worauf könnte dieser
Messfehler beruhen?
7. Warum eignet sich die Kalium-Argon-Uhr nicht zur Abschätzung des Alters von
Fossilien der unmittelbaren Vorfahren des Menschen (die letzten gemeinsamen
Vorfahren von Mensch und Menschenaffen lebten vor wenigen Jahrmillionen)?