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Datierung von Sedimenten mit der 210Pb-Methode

Grundlagen der Methode

Innerhalb der letzten zwei Jahrzehnte hat sich die Messung von natürlichem und aus der Atmosphäre eingetragenem ²¹⁰Pb als Standardmethode zur Altersbestimmung von Sedimenten weitgehend durchgesetzt. Während paläolimnologische Studien zuvor immer auf bestimmte Sediment-Marker, wie die Dokumentation von optisch sichtbaren Veränderungen der Sedimentschichten („varves“) oder die Anzahl von Diatomeen (Kieselalgen) angewiesen waren, ist die Datierung mittels der ²¹⁰Pb-Methode heute mit sehr großer Präzision möglich. Im Unterschied zur Datierung mittels ¹⁴C, das eine relativ lange Halbwertszeit von 5730 Jahren hat und somit keine zeitliche Feinauflösung zuläßt, kann die ²¹⁰Pb-Analyse ein Zeitfenster von 100-150 Jahren abdecken und damit andere geophysikalische Methoden ergänzen. In der Paläolimnologie wird ²¹⁰Pb heute routinemäßig zur Altersbestimmung von oberen Eisschichten (H. GÄGGELER), Sedimenten (C. SCHELSKE) und Torfablagerungen (F. EL-DAOUSHY) benutzt. Die Methode stellt zudem ein wichtiges Werkzeug zur Bestimmung von Sedimentationsraten dar und kann damit zur Beurteilung von Umweltveränderungen durch Gewässer-Eutrophierung, verstärkte Erosion und andere menschliche Einflüsse auf Seen und Fließgewässer dienen. Mit dem Zeitfenster von ca. 150 Jahren lassen sich somit ideal die durch menschliche Aktivitäten bewirkten Umweltveränderungen vom prä-industriellen Zeitalter bis zur Neuzeit zu verfolgen. Zusätzlich können Sediment-Profile auch als „Archive“ benutzt werden; in Kombination mit der durch die Datierung erhaltenen zeitlichen Auflösung sind damit z.B. Aussagen über den Verlauf des Eintrags von Umweltgiften wie chlorhaltigen Pestiziden (R. BARRA), polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAKs) (V. M. SAVINOV), Quecksilber (G. ASMUND) und Blei (C. HUH) in Gewässer möglich.

Die Datierung mittels ²¹⁰Pb basiert auf dem Eintrag von atmosphärischem, sogenanntem "überschüssigem" ²¹⁰Pb (unsupported), dessen Zufuhr zeitlich nahezu konstant ist. Dieses kann, wie bereits eingehend besprochen, gammaspektrometrisch über seine 46,5 keV-Gammalinie (P_γ = 0,0424) bestimmt werden. Zusätzlich kommt es über den natürlichen ²²⁶Ra-Gehalt aller Sedimente zu einem Hereinwachsen von sogenanntem "unterstützten" (supported) ²¹⁰Pb, welches über die Gammalinien der ²²⁶Ra-Töchter ²¹⁴Pb und ²¹⁴Bi (²¹⁴Pb E_γ = 351,9 keV; P_γ = 0,351) bestimmt werden kann. Die unterstützte Aktivität gibt Aufschluß über den innerhalb der Sedimente gebildeten Anteil an ²¹⁰Pb, um den die Messwerte korrigiert werden müssen. Die gammaspektrometrische Messung von ²¹⁰Pb in Sedimenten mit Low-Backgound-Messsystemen wird heute von vielen Forschern benutzt, um die spezifische ²¹⁰Pb-Aktivität in Sedimenten zu bestimmen. Diese hat gegenüber der alphaspektrometrischen Bestimmung des ²¹⁰Pb über das Tochternuklid ²¹⁰Po folgende Vorteile:

• geringer Zeitaufwand für die Probenvorbereitung

• zerstörungsfrei, kein Aufschluß nötig

• ²¹⁰Pb kann ohne Lagerzeit (Gleichgewichtseinstellung) gemessen werden

• zusätzliche Bestimmung von ²²⁶Ra ist möglich

• unabhängige Parameter (¹³⁷Cs, ²⁴¹Am) werden mitbestimmt

Zur Bestimmung von Alters-Profilen durch ²¹⁰Pb-Messungen haben sich in der Literatur zwei Methoden durchgesetzt. Das einfachere Modell, "C.I.C.-Modell" (constant initial concentration) genannt, beschreibt das Verhalten von homogenen Sedimenten mit konstanter Akkumulationsrate, während die komplexere Methode, das "C.R.S.-Modell" (constant rate of supply) auch bei Sediment-Profilen mit veränderlichen Sedimentationsraten angewendet werden kann.

Herkunft und Bedeutung der Bohrkerne (Beispiele)

Die nachfolgend besprochenen Sediment-Bohrkerne wurden von der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. H. Brückner (FB Geographie der Philipps-Universität Marburg) im Rahmen eines Forschungsprojektes in der Türkei entnommen und für die von S. Ritzel durchgeführten Untersuchungen zur Verfügung gestellt. Es handelt sich dabei um Bohrkerne aus den zwei Seen (Azap- und Bafa-See) im Einzugsgebiet des großen Mäanders (Büyük Menderes), der bei Lade in den latmischen Golf mündet. Die Proben wurden mit Hilfe einer Bohrplattform als „Rammkerne“ an den jeweils tiefsten Stellen des Gewässers entnommen; die Abbildung 1 zeigt die genauen Probennahmestellen (Pfeile) in einer Übersichtskarte der türkischen Ägäisküste.

Abbildung 1: Übersichtskarte der Türkischen Ägäisküste mit eingezeichneten Probennahmestellen

Das Ziel des Forschungsprojektes der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. H. Brückner ist es, die Morphogenese der türkischen Ägäisküste im Bereich des Büyük Menderes-Deltas zu klären. Die heutige Topographie weicht stark von derjenigen zur Zeit der ersten Besiedlung in der Antike ab. Damals reichten die Meeresbuchten bis weit ins Landesinnere. Wegen dieser idealen Hafenbedingungen kam es zu Ortsgründungen (Milet, Priene, Ephesos, Herakleia). Die geoökologische Labilität des mediterranen Naturraumes hinsichtlich der Faktoren Klima, Gestein und Boden einerseits, aber auch der gravierende und langandauernde menschliche Einfluß anderseits, haben in der Folgezeit jedoch zu einem dramatischen Landschaftswechsel geführt. Die verstärkte Bodenerosion im Hinterland und der daraus resultierende Deltavorbau des Flusses ließen die Bucht im Lauf der Jahrtausende allmählich verlanden. Mit dem fortschreitenden Deltavorbau verloren die Städte ihren Zugang zum offenen Meer. Probleme durch die Verlandung der Häfen, ansteigende Grundwasserspiegel, Versumpfung der Tiefebenen und Ausbreitung der Malaria traten massiv seit dem 3./ 4. Jhd. n. Chr. auf; diese führten schließlich zum Niedergang der einst blühenden Siedlungen. Ihre Geschichte stand somit in engem Zusammenhang mit der naturräumlichen Veränderung der Landschaft.

Probenvorbereitung und Messung

Die beiden durch „Rammkern-Bohrung“ aus den Seen entnommenen Kerne wurden in ihren Hüllen und unter Luftabschluß nach Deutschland transportiert. Um die Bohrkerne zu zerschneiden, wurden diese zuvor einen Tag in einer Gefriertruhe bei -40°C gelagert, anschließend wurden mit einer Steinsäge Horizonte von ca. 2,0 cm Stärke von den beiden Kernen abgeschnitten. Auf diese Art wurden 14 Horizonte der Bohrsequenz des Azap-Sees bzw. 21 Horizonte des Bafa-Sees separiert (Abbildung 2).

Abbildung 2: Photographien ausgewählter Horizonte des Bafa-Sees (li) und Azap-Sees (re)

Die Scheiben wurden darauffolgend bei 110°C konstantgetrocknet. Aus den erhaltenen Horizonten wurden jeweils die Trockenmassen, der organische Anteil (Glühverlust) und die Schüttdichten des auf 200 µm zerkleinerten Materials bestimmt. Um die Zählverluste bei der ²¹⁰Pb-Bestimmung durch Selbstabsorption in der Probe zu berücksichtigen und zu korrigieren, wurden an jeder Probe Transmissionsmessungen bei E_γ = 46,5 keV durchgeführt. Die Messungen wurden an den zerkleinerten und homogenisierten Proben bei Messzeiten von jeweils 48 Stunden mit einem HPGe-Bohrlochdetektor durchgeführt.

Auswertung und Diskussion der Ergebnisse

Um eine Datierung der einzelnen Horizonte beider Bohrkerne durchzuführen, wurden deren spezifische Aktivitäten an ²¹⁰Pb, ²²⁶Ra, ¹³⁷Cs und ⁴⁰K ermittelt. Aus dem ermittelten spezifischen Aktivitäten an ⁴⁰K kann zusätzlich der Kaliumgehalt des untersuchten Materials berechnet werden. nachfolgend ist die schematische Vorgehensweise einer Datierung am Beispiel der Ergebnisse für den Azap-See dargestellt.

Zur Datierung der Sedimente des Azap-Sees werden zunächst die spezifischen Aktivitäten an ²¹⁰Pb und ²²⁶Ra betrachtet, die Abbildung 3 zeigt diese in Abhängigkeit der Horizonttiefe. Die spezifischen Aktivitäten sind hier auf die Trockenmasse (ungeglüht) bezogen.

Abbildung 3: Spezifische Aktivitäten der Azap-See-Sedimente an ²¹⁰Pb (supported) und ²²⁶Ra in Abhängigkeit der Horizonttiefe

Es zeigt sich eine nahezu monoton mit der Horizonttiefe abfallende spezifische ²¹⁰Pb-Aktivität, die jedoch keinen konstanten Endwert erreicht (Supportbereich). Das Profil der spezifischen ²²⁶Ra-Aktivität ist anfangs relativ konstant und fällt erst ab einer Horizonttiefe von 14 cm von durchschnittlich 75 Bq^.kg^-1 auf 65 Bq^.kg^-1 ab.
Die in Abbildung 4 in Abhängigkeit der Horizonttiefe dargestellte spezifische ¹³⁷Cs-Aktivität zeigt ein entsprechend dem anthropogenen Eintrag erwartetes Verhalten.

Abbildung 4: Spezifische Aktivitäten der Azap-See-Sedimente an ²¹⁰Pb (supported) und ¹³⁷Cs in Abhängigkeit der Horizonttiefe

Wie aus zahlreichen Veröffentlichungen ähnlicher Fälle bekannt, steigt hier der ¹³⁷Cs-Gehalt mit zunehmender Horizonttiefe kontinuierlich an, um nach Erreichen eines Maximums (maximaler Ausstoß von ¹³⁷Cs durch oberirdische Kernwaffentests im Jahr 1963) wieder schnell abzufallen. Die Sedimentationsrate muss also im vorliegenden Fall ausreichend hoch sein, um diese Variationen des ¹³⁷Cs-Eintrags auflösen zu können.
Zusammenfassend kann ausgeführt werden, dass sich bei diesem Bohrkern keine Datierung nach dem C.I.C.-Modell durchführen lässt, da trotz der monoton abfallenden ²¹⁰Pb-Konzentration kein streng exponentieller Abfall besteht, die Sedimentationsraten also nicht konstant bleiben. Um dies zu demonstrieren, wurde die überschüssige ²¹⁰Pb-Aktivität (unsupported) in Abbildung 5 in Abhängigkeit der Horizonttiefe aufgetragen und nach über die Halbwertszeit von ²¹⁰Pb ein Sedimentalter berechnet. Zur Berechnung der überschüssigen 210Pb-Aktivität wurde dazu im Fall C.I.C. 1 ein konstanter Wert (Annahme: Unterstützung = 60 Bq.kg-1 = kleinster Wert) und im Fall C.I.C. 2 die spezifische ²²⁶Ra-Aktivität des jeweiligen Horizonts subtrahiert.

Abbildung 5: Spezifische Aktivitäten der Azap-See-Sedimente an ²¹⁰Pb (unsupported) in Abhängigkeit der Horizonttiefe und berechnetes Sedimentalter nach dem C.I.C.-Modell

Um die Veränderung der Sedimentationsrate bei der Datierung zu berücksichtigen, kann nur das C.R.S.-Modell Anwendung finden, da dieses nicht von einer konstanten Anfangskonzentration an überschüssigem ²¹⁰Pb ausgeht, auf die alle nachfolgenden spezifischen Aktivitäten bezogen werden. Im folgenden wurde das Sedimentalter nach dem C.R.S.-Modell berechnet, indem die überschüssige ²¹⁰Pb-Aktivität gegen die kumulative Trockenmasse aufgetragen wurde, die Aktivitäten C(0), C(x) wurden nachfolgend durch Bildung der numerischen Integrale berechnet. Aufgrund der veränderten Unterstützung durch die im Verlauf des Profils geringer werdende spezifische ²²⁶Ra-Aktivität wurde das überschüssige ²¹⁰Pb dabei auf zwei verschiedene Arten berechnet:

1. Annahme eines konstanten Endwertes der spezifischen ²¹⁰Pb-Aktivität („supportzone“: Unterstützung mit konstanten 60 Bq^.kg^-1)

2. Annahme einer Unterstützung durch die jeweilige spezifische ²²⁶Ra-Aktivität der Horizonte „step-by-step support“: A_spez.(²¹⁰Pb_unsupp.) = A_spez.(²¹⁰Pb) – A_spez.(²²⁶Ra)

In Abbildung 6 sind die Ergebnisse der verschiedenen Ansätze zur Datierung der Azap-See-Sedimente gegenübergestellt.

Abbildung 6: Ergebnisse der ²¹⁰Pb-Datierung des Azap-See-Bohrkerns nach dem C.I.C.- und C.R.S.-Modell

Wie der Abbildung zu entnehmen ist, läßt sich mit Hilfe der C.R.S.-Methode unter Berücksichtigung der spezifischen ²²⁶Ra-Aktivität (C.R.S. 2) eine gute Zuordnung von Sedimentaltern zu den jeweiligen Horizonten treffen. Der Horizont mit der größten spezifischen ¹³⁷Cs-Aktivität wird dabei wie erwartet ungefähr auf das Jahr 1963 datiert.
 

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