Die Datierung litoraler Ablagerungen (Korallenriffe ... · darüber hinaus nicht nur eine...

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Band 35 Seite 95-113 Essen 2003 ESSENER GEOGRAPHISCHE ARBEITEN

Dating of Littoral Deposits (Coral Reefs, Beachridge systems, Coastal Dunes) by Electron SpinResonance (ESR)ESR dating has become an efficient tool in suppor-ting geochronological studies on different kinds oflittoral deposits (coral reefs terraces, beach ridgesystems, eolianites) during the last ten years. Im-provements on annual dose rate (D’) estimations,and the newly developed approach for equivalentdose (DE) determination (DE-Dmax plot procedure)increases the precision of ESR dating of Holoceneand Pleistocene corals, and marine and terrestrialmollusk shells. This is strongly supported by com-paring ESR dating results with other numeric datingmethods like radiocarbon (14C) and TIMS Uraniumseries analysis (TIMS 230Th/234U) too. The ESR da-ting uncertainties of Holocene corals coincide withthe variability of 14C ages caused by the marine re-servoir effect, and the dating of Pleistocene coralspermits the differentiation between the main mari-ne isotope stages (MIS) 5, 7, 9, 11, and 13 and alsobetween sub-stages 5e3/2 and 5e1, 5c, and 5a2 and5a1. The average error range of dating corals is bet-ween 5 to 8%. Also, the ESR dating of marine andterrestrial mollusc shells have yielded promisingresults, and permits the differentiation between MIS1, 5, 7 and 9 with an average dating error range of10 to 15%.

Die Datierung litoraler Ablagerungen (Korallenriffe, Strandwälle,Küstendünen) mit Hilfe der Elektronenspin-Resonanz-Methode (ESR)

*GERHARD SCHELLMANN1) & ULRICH RADTKE2)

1) Gerhard Schellmann, Universität Bamberg, Lehrstuhl Geographie II – Physische Geographie, Am Kranen 1, D-96045 Bambergemail: [email protected]

2) Ulrich Radtke, Universität zu Köln, Geographisches Institut, Albertus-Magnus-Platz, D-50923 Köln; e-mail: [email protected]* Korrespondenz

Abstract

Zusammenfassung

chronologischen Untersuchungen litoraler Ablage-rungen wie z.B. von Korallenriffen, Strandwallsy-stemen oder Äolianiten eine wichtige Datierungsal-ternative dar. Die Schwerpunkte methodischer Ver-besserungen bei der Datierung aragonitischer Ko-rallen sowie mariner und terrestrischer Molluskenlagen in der Optimierung der Berechnung der durch-schnittlichen jährlichen Dosisrate (D’) wie auch dergenaueren Bestimmung der Paläodosis (DE); letz-teres geschah u.a. mittels der neuen DE-Dmax PlotProzedur ("D-DP procedure"). Die inzwischen deut-lich verbesserte Qualität der ESR-Methode an Kar-bonaten zeigt der Vergleich mit der Radiokoh-lenstoff (14C)- und der TIMS Uran-Serien (230Th/234U)-Methode. Bei der ESR-Datierung holozäner Koral-len können inzwischen Alter gemessen werden, de-ren Genauigkeit an die der 14C-Methode nicht nurheranreicht. Durch den Umstand, dass 14C-Altermariner Karbonate durch den sogenannten "mari-nen Reservoireffekt", der u.U. eine Altersverschie-bung von bis zu 1.000 Jahren bewirkt und schwer zuquantifizieren ist, beeinflusst werden, ist die ESR-Technik sogar im Vorteil gegenüber der 14C-Metho-de. Die Datierung pleistozäner Korallen ermöglichtdarüber hinaus nicht nur eine chronostratigraphi-sche Unterscheidung der marinen Isotopenstufen(MIS) 5, 7, 9,11 und 13, sondern auch der Unterstu-fen 5e3/2 und 5e1, 5c, 5a2 und 5a1. Da die Th/U-Da-tierung aber maximal nur bis zum drittletzten Inter-glazial (Stufe 9) sinnvoll einsetzbar ist, zeigt sichauch bei diesem Vergleich von ESR und Th/U einwichtiger Vorteil der ESR-Datierung. Der durch-schnittliche Altersfehler von ESR-Datierungen an Ko-rallen liegt bei etwa 5 bis 8%. Die zeitliche Auflösungvon ESR-Datierungen an Muschel- und Landschnek-kenschalen ist dagegen mit einem durchschnittlichenAltersfehler von 10 bis 15% deutlich geringer. Hier istbisher nur die geochronologische Unterscheidungder marinen Isotopenstufen 1, 5, 7 und 9 möglich.

In den vergangenen zehn Jahren konnte die Elek-tronenspin-Resonanz-Altersbestimmungsmethode(ESR) substantiell verbessert und standardisiert wer-den. Die ESR-Methode stellt inzwischen bei geo-

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G. Schellmann & U. Radtke

Obwohl bereits vor mehr als 25 Jahren IKEYA (1975)erstmalig die Elektronen-Spin-Resonanz-Spektro-skopie (ESR) als Datierungsmethode bei Stalagmi-ten anwandte, ist aktuell das Potential dieser rela-tiv neuen Datierungsmethode immer noch nicht voll-ständig ausgeschöpft. Nicht nur die Qualität vonESR-Spektrometern konnte deutlich verbessert wer-den, es wurden auch viele neue physikalische Er-kenntnisse, wie z.B. über die Struktur und das Ver-halten der zur Datierung verwendeten ESR-Signa-le, gewonnen.

Einen ausführlichen Einblick in die ESR-Altersbestim-mungsmethode geben u.a. GRÜN (1989a, 1989b),RADTKE (1989), JONAS (1997) und RINK (1997). Diemethodischen Fortschritte sollen aber nicht darüberhinwegtäuschen, dass die ESR-Methode zwar beider Datierung von Korallen, Molluskenschalen, undStalagmiten inzwischen etabliert ist, die Entwicklungder Methode aber hinsichtlich der Untersuchung an-

Im Gegensatz zu den auf Isotopenzerfall beruhen-den 14C- und Th/U-Datierungsmethoden basiert dieESR-Methode (Abb. 1) auf der Messung strahlungs-induzierter Defekte im atomaren Gitterbau. DieseDefekte im Gittergerüst der Molluskenschalen undSteinkorallen sind das Resultat natürlicher radioak-tiver Strahlung, die sich aus der internen Strahlungin dem Fossil selbst (D’int., interne Dosisrate: i.w. Uranund Tochterprodukte), der Umgebungsstrahlungder Proben (D’ext., externe Dosisrate: vor allem Uran,Thorium, Kalium) und aus der kosmogenen Strah-lung (D’cos., kosmogene Dosisrate) zusammensetzt.Die radioaktive Strahlung bewirkt den Transport vonElektronen auf höherenergetische Niveaus. La-dungsdefekte im atomaren Gitterbau, sogenannte"traps", führen dazu, dass ein Teil dieser Elektro-nen an Defektstellen im zwischenenergetischenRaum eingefangen wird.

Eine ausführliche Darstellung der physikalischenDetails geben u.a. GRÜN (1989a; 1989b), JONAS(1997) und RINK (1997). Dabei repräsentiert die Hö-he eines ESR-Signals die Anzahl der mit ungepaar-ten Elektronen besetzten Gitterdefekte. Jedes unter-suchte Material weist ein charakteristisches ESR-Spektrum mit mehreren Einzelsignalen auf, abernicht alle diese Signale sind für die Datierung ge-eignet. Es muss primär überprüft werden, ob dasSignal gleichermaßen strahlungssensitiv und unternatürlichen Temperaturbedingungen auch thermisch

1. Einleitung

derer Materialien als noch nicht abgeschlossen be-trachtet werden kann (u.a. SKINNER, 2000). Für dieAkzeptanz einer neuen Datierungsmethode ist immerdie "Kalibrierung" an unabhängig ermittelten Altersda-ten eine essentielle Voraussetzung, von daher sindsystematische Vergleichsuntersuchungen mit ande-ren numerischen Altersbestimmungsmethoden, wiez.B. der Radiokohlenstoff (14C)- oder der 230Thorium/234Uran (Th/U)-Methode, angezeigt (vgl. u.a. SKIN-NER, 2000; RINK, 1997).

Ziel der hier vorgestellten Ausführungen ist es des-halb, Ergebnisse des direkten Vergleiches von ESR-14C- und TIMS Th/U-Datierungen an holozänen undjungpleistozänen marinen Muschelschalen, Land-schneckenschalen und Korallen vorzustellen. Zumbesseren Verständnis der Untersuchungen werdenzuvor aber noch einige wichtige methodische Ver-besserungen bei der Durchführung der ESR-Alters-bestimmung vorgestellt.

2. Fakten zur Methodik der ESR-Datierung aragonitischer Korallen und Molluskenschalen

stabil ist. Bei aragonitischen Molluskenschalen undKorallen wurde ausschließlich das Signal beig=2,0007 verwendet, da dieses Signal die vorge-nannten Bedingungen in ausreichendem Maße er-füllt (u.a. RADTKE & GRÜN, 1988; WALTHER et al.,1992; SCHELLMANN & RADTKE, 1999, 2001a).

Die ESR-Datierungsmethode beruht darauf, dassbestimmte Mineralien als natürliche Dosimeter fun-gieren und Strahlenbelastungen "speichern" ("ra-diation induced dosimetric dating method"). EinESR-Alter ist damit eine Funktion der Strahlenbela-stung und der dadurch über die Zeit erzeugten undmit ungepaarten Elektronen gefüllten atomaren Git-terdefekte. Das Alter berechnet sich aus der Divisi-on der im Laufe der Zeit akkumulierten Paläodosis(DE) durch die jährliche Dosisrate (D’) (Abb. 1).

Da die Anzahl und Füllgeschwindigkeit paramagne-tischer Gitterdefekte individuenspezifisch ist, wirddas Äquivalent der akkumulierten Paläodosis (DE)über eine sogenannte "additive Dosis-Wirkungs-kurve" ("additive dose method") ermittelt. Dabei wirdmit Hilfe künstlicher b- oder g-Bestrahlung für jedeProbe eine individuelle künstliche Bestrahlungs-Aufbaukurve erstellt und durch Extrapolation aufdie x-Achse der DE-Wert berechnet (Abb. 1).

Die kosmogene Strahlenbelastung (D’cos.) errechnetsich aus der Tiefe der Probe unter der Oberfläche,der Breitenkreislage sowie der Höhe über dem

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Die Datierung litoraler Ablagerungen mittels ESR

Meer (u.a. PRESCOTT & HUTTON, 1994). Die na-türliche Umgebungsstrahlung (D’ext.) wird entwederdirekt im Gelände mit Hilfe eines tragbaren Gam-madetektors gemessen oder über die analytischeBestimmung der Uran-, Thorium- und Kaliumge-halte ermittelt, die interne Dosisrate (D’int.) i.d.R.

Abb. 1: Allgemeines Prinzip der ESR-Alterbestimmungsmethode an aragonitischen Molluskenschalen und Korallen.

über die Bestimmung des Urangehaltes. Einigeder zahlreichen potentiellen Fehlerquellen, diebei der Kalkulation der Paläodosisrate auftretenkönnen, letztendlich nicht quantifizierbar sindund somit zu fehlerhaften ESR-Altern führen kön-nen, sind u.a. (Abb. 1).

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a) schwankende Paläowassergehalte in der Matrix("Umgebungsmaterial") der Proben,

b) radioaktive Elementverlagerungen, insbesonde-re des relativ leicht wasserlöslichen Urans ausoder in die Probe,

c) Elementmigrationen in der Matrix und dadurchentstehende radioaktive Ungleichgewichte,

d) Veränderung der Tiefenlage der Probe durch Ero-sions- und Akkumulationsprozesse,

e) eine nicht ausreichend genaue Bestimmung dersogenannte α-Effektivität, auch als k-Faktor be-zeichnet (Details in JONAS, 1997). Auf experi-mentellem Wege unter Benutzung einer 241Am α-Quelle bestimmten GRÜN (1985) sowie GRÜN &KATZENBERGER (1994) für Molluskenschalen ei-nen k-Wert zwischen 0,07 bis 0,1. RADTKE &GRÜN (1988), GRÜN et al. (1990) sowie MALM-BERG & RADTKE (2000) bestimmten für Koralleneine α-Effektivität, die zwischen 0,05 bis 0,07liegt. Nach LYONS (1987, zitiert nach RADTKE &GRÜN, 1988) ist die tatsächliche α-Effektivität derUran-Zerfallsreihe aber etwa 20-30% größer alsder mit Hilfe einer monoenergetischen α-Quelleermittelte Wert.

Alle hier vorgestellten ESR-Datierungen an mari-nen Muschel- und Landschneckenschalen wurdenmit einem k-Faktor von 0,1 ± 0,02, alle Korallenal-ter mit einem k-Faktor von 0,05 ± 0,01 berechnet.

2.1. Fortschritte im Bereich der Quantifizierungder absorbierten Paläodosis (DE)

Seit Mitte der 1990er Jahre konzentrierten wir unsbei der Optimierung der ESR-Datierung aragoniti-scher Molluskenschalen und Korallen insbesonde-re auf eine verbesserte Quantifizierung der absor-bierten Paläodosis (DE) (SCHELLMANN, 1997, 1998;SCHELLMANN & RADTKE, 1997, 1999, 2001a). Ei-nen Schwerpunkt bildete dabei die Untersuchungdes Wachstumsverhaltens des ESR-Signalsg=2,0007 bei künstlicher g-Bestrahlung mit einer60Co-Quelle. Bereits KATZENBERGER & WILLEMS(1988) konstatierten, dass die Amplitude dieses Sig-nals bei Molluskenschalen unter künstlicher γ-Be-strahlung nicht einfach exponential bis zu einem Sätti-gungswert wächst, sondern dass in der Regres-sionskurve sogenannte "Inflexionspunkte" (Abb. 1:"inflexion points") existieren, an denen das Signal-wachstum sprunghaft zu- bzw. abnimmt. SCHELL-MANN & RADTKE (2001a) konnten zeigen, dass nichtnur die Dosis-Wirkungskurven von Mollusken son-dern auch die aragonitischer Korallen klare Infle-xionspunkte besitzen können. Die physikalischeNatur dieser Inflexionspunkte ist bisher nicht ab-

schließend geklärt. KATZENBERGER & WILLEMS(1988) sowie BARABAS et al. (1992) sehen sie alsErgebnis der Überlagerung des Datierungssignalsdurch ein weiteres Signal, dem sogenannten "A-Kom-plex", welcher bei γ-Bestrahlung ein zunehmenddominierendes Wachstumsverhalten gegenüberdem Datierungssignal bei g=2,0007 besitzen soll.Es kann aber auch nicht ausgeschlossen werden,dass die Inflexionspunkte auf atomare Gitterdefek-te zurückzuführen sind, die durch die hohe künstli-che γ-Bestrahlung erzeugt werden (GRÜN, 1990).Immerhin übersteigt die bei der künstlichen Be-strahlung verwendete Dosisrate die Werte, die beider natürlichen Strahlungsexposition auftreten, umden Faktor 106.

Es ist bisher nicht möglich, Inflexionspunkte durchÄnderung der ESR-Messparameter oder durch Er-hitzungsverfahren zu eliminieren, ohne dabei dasDatierungssignal selbst zu beeinflussen. Das be-deutet aber für die Bestimmung eines DE-Wertes,dass nur der "ungestörte" relativ niedrig bestrahlteerste Teil einer Dosis-Wirkungskurve vor dem Er-reichen eines ersten kräftigen Inflexionspunktes zurDE -Berechnung verwendet werden sollte (Abb. 1).Nur dieser Bereich scheint vom Signalaufbau desDatierungssignals dominiert zu werden und ist wahr-scheinlich dem natürlichen Intensitätsaufbau amehesten vergleichbar. Dieser Bereich der Kurvekann zudem mit einer einfachen exponentiellenSättigungskurve mathematisch korrekt beschrie-ben werden. Statt der früher üblichen wenigen Be-strahlungsschritte, im Mittel wurden meist nur 5 bis8 Aliquots pro Probe mit teilweise sehr hohenkünstlichen Bestrahlungsschritten verwendet, sindnun viele enge Bestrahlungsschritte notwendig. Eswerden i.d.R. 20, manchmal auch mehr Aliquotsbenötigt. Aus statistischen Gründen sind aber im-mer mehr als 12 Datenpunkte zur DE-Berechnung zuverwenden (SCHELLMANN & RADTKE, 2001a). Eswerden relativ geringe künstliche Bestrahlungsdosenappliziert, sie liegen beim ca. 2-3fachen des DE-Wer-tes. Eine objektive, standardisierte Methode zurBerechnung des DE-Wertes bietet ein "plateau-screening"-Verfahren (SCHELLMANN, 1997, 1998;SCHELLMANN & RADTKE, 1997), welches als DE-Dmax-Plot (DDP)-Prozedur bezeichnet wird (Abb. 1;SCHELLMANN & RADTKE, 1999, 2001a).

Alle bei unseren Untersuchungen verwendeten DE-Werte wurden mittels o.g. Methode berechnet.Dazu wurden die Mollusken- und Korallenprobenvon Hand gemörsert; von der Fraktion 125-250 µmwurden dann 20 oder mehr Aliquots mit 0,2000 gGewicht eingewogen. Alle Proben wurden unter der60Co-Quelle der Universitätsklinik Düsseldorf mitDosisraten zwischen 0,8 und 2,5 Gy/min bestrahlt.

99


Die maximale Bestrahlungsdosis betrug etwa dasZwei- bis Dreifache der DE. Typische ESR-Messpa-rameter waren: 10 oder 25 mW Mikrowellenleistung,0,5 oder 1,0-1,2 G Modulationsamplitude, 41,9 sScan-Zeit, 40-50 G Scan-Breite, 5 bis 40 Scans.Alle DE-Werte wurden mit Hilfe des Programms"Fit-sim" (Version 1993) und die ESR-Alter mit demProgramm "Data IV" (Version 1990) bzw. "Data V.6"(Version 1999) von RAINER GRÜN berechnet.

Es wird seit längerem diskutiert, inwieweit die Sta-bilität des Datierungssignals, und damit die Signal-höhe, nach einer künstlichen g-Bestrahlung durchsogenanntes "anomalous long-term fading" als Fol-ge des Abbaues strahlungsinduzierter instabilerKomponenten an Intensität verliert. Fading würdedazu führen, dass je nach Zeitabstand der ESR-Messungen vom Bestrahlungstermin unterschiedli-che DE-Werte ermittelt würden. So begründen z.B.YOSHIDA & BRUMBY (1999) bei Wiederholungsmes-sungen an zuvor von GRÜN et al. (1992) datiertenKorallen die von ihnen festgestellte bis zu 30%-igeAbweichung der DE-Werte als Fading-Resultat.

Abb. 2:DE-Werte von Erst- und Wiederholungs-messungen an pleistozänen Korallenvon Barbados.

0

100

200

300

D (Gy)E

2387

2390

2389

2391

2046

2388

2386

2047

2043

2045

2203

2202

2190

2175

2207

2394

2392

Sample No.

1st ESR measurements (JEOL; Cambridge 1992)

n = 17

2nd ESR meas. (Bruker ESP 300E; Cologne 1998, 1999, 2000)

0

50

100

150

200

D (Gy)E

3059 3060 3038 3040 3313 3061 3063 3090

Sample. No.

1st ESR measurements (Bruker ESP 300E, Cologne)

2nd ESR measurements 5 to 19 months later

n = 8

Abb. 2 zeigt zahlreiche Wiederholungsmessungenan Korallenproben, die erstmalig im Jahr 1992 aufeinem JEOL ESR-Spektrometer (Universität Cam-bridge) und dann erneut in den Jahren 1998 bis2000 auf einem Bruker-Gerät ESP 300E (Universi-tät zu Köln) gemessen wurden. Innerhalb der Feh-lergrenzen sind die DE-Werte beider Messungenidentisch, obwohl die Wiederholungsmessungenauf einem anderen Gerät mit etwas verändertenGeräteeinstellungen durchgeführt wurden. Ein anor-males Fading dieser Proben ist nicht erkennbar.Auch weitere innerhalb von wenigen Monaten durch-geführte Wiederholungsmessungen an Korallenpro-ben (Abb. 2: unten) geben keinen Hinweis auf einesignifikante Reduzierung des Datierungssignals.

Eine weitere Erkenntnis der letzten Jahre war dasunerwartete Phänomen, dass rezente Muschelscha-len bereits eine DE von bis zu 2,8 Gy (bei 25 mWMikrowellenleistung) besitzen können, was einemAlter von in etwa einigen hundert Jahren entspre-chen würde (SCHELLMANN & RADTKE, 1999). Die-ser Befund, der erstmals bei der Datierung von Mol-

100


lusken der patagonischen Atlantikküste gemacht wur-de, ist natürlich für die Datierung holozäner Muschel-schalen nicht unerheblich und muss entsprechendberücksichtiget werden. Weiterhin konnte für fossilearagonitische Landschneckenschalen der GattungHelix sp., geborgen aus Äolianiten an der SüdküsteZyperns (s.u.), gezeigt werden, dass sie bei g=2,0007ein ähnliches strahlungssensitives Datierungssignalbesitzen wie aragonitische marine Mollusken. Bei ih-nen hat ein sogenanntes "pre-heating"-Verfahren, mitdem versucht wird, sich instabiler Elektronen zu "ent-ledigen", keinen signifikanten Einfluß auf vorhandeneInflexionspunkte oder auf die Größe der DE-Werte(SCHELLMANN & KELLETAT, 2001).

2.2. Fortschritte im Bereich der Quantifizierungder Paläo-Dosisrate (D’)

Neben Verbesserungen bei der Quantifizierung derDE-Werte erfolgte auch eine Optimierung der Do-sisratenabschätzung. So wurde z.B. bei den über-wiegend beidschalig geborgenen Muschelschalendie jährliche Paläodosisrate separat über die U-,Th-, K-Gehalte des innerhalb der Muschel einge-schlossenen Sedimentes wie aber auch der des

umgebenden Sedimentes bestimmt und in die Dosis-ratenberechnung einbezogen (SCHELLMANN, 1997,1998; SCHELLMANN & RADTKE, 1997).

Die interne Dosisrate aragonitischer Mollusken-schalen und Korallen wird fast ausschließlich vondem dort eingebauten Uran bestimmt. Die Urange-halte liegen bei subrezenten, holozänen und auchpleistozänen Korallen im Mittel bei 3 bis 3,2 ppm.Auch mit steigendem Alter der Koralle ist keine Zu-nahme der Urangehalte ersichtlich (Abb. 3), d.h.,dass das aragonitische Skelett von Steinkorallenentweder bereits zur Lebenszeit oder kurz nachdem Absterben Uran in entsprechender Menge ausdem Meerwasser aufgenommen hat.

Sofern anschließend noch Uranverlagerungen statt-finden, sind diese nicht altersabhängig, sondernwerden allein von individuellen diagenetischen Ver-änderungen, wie z.B. der Umkristallisation des Ara-gonits zu Calcit, gesteuert. Damit bestätigen sich ent-sprechende Befunde von RADTKE & GRÜN (1988).Extrem hohe Urangehalte von bis zu 5 ppm undextrem niedrige Gehalte von unter 2,5 ppm einzel-ner Korallen sind wahrscheinlich individuelle Be-sonderheiten, über deren genaue Ursache nur spe-kuliert werden kann.

Abb. 3:Urangehalte (ppm) rezenter, ho-lozäner und pleistozäner Steinko-rallen und Muschelschalen.

0

2

4

6

8

10

12

0 2000 4000 6000 14C BP

Ura

niu

mco

nte

nt

(pp

m)

Modern and Holocene coral(Aruba, Bonaire, Curaçao and Barbados)

mean/dev.: ppm2.95 ± 0.34range: 2.34 to 3.63 ppm

n = 26 Uranium contentPleistocene coral(Barbados South)n = 292

range: 2.23 to 5.07 ppm

mean/dev.:3.24 ± 0.42 ppm

0

2

4

6

8

10

12

0 2000 4000 6000 8000

n = 66

14C BP

Ura

niu

mco

nte

nt

(pp

m)

recent(n = 15)

Modern and Holocene mollusc shells(Patagonian Atlantic coast)

range: 0.2 to 10.2 ppm

mean/dev.:2.6 ± 1.6 ppm

Uranium contentPleistocene mollusc(Patag. Atlantic coast)

n = 166

Holocene > 4000 yrs.:mean/dev. 3.1 ± 2.9 ppm:range: 0.2 to 10.9 ppm

101


Für die Berechnung von ESR-Altern an Korallen istalso von einer frühen Uranaufnahme und damit voneiner direkt einsetzenden hohen internen Strahlenbe-lastung auszugehen. Das ist insofern bedeutungsvoll,da ESR-Alter, die auf der Grundlage einer frühenUranaufnahme (Modell des "early uranium uptake")berechnet werden, wesentlich jünger ausfallen, alswenn man von einer linearen Uranaufnahme (Modelldes "linear uranium uptake") ausgehen würde.

Anders verläuft dagegen der Einbau des Urans inMuschelschalen (SCHELLMANN 1997, 1998). Wieaus Abb. 3 deutlich wird, sind die Urangehalte re-zenter Muschelschalen an der patagonischen At-lantikküste extrem niedrig und liegen fast aus-schließlich bei 0,1 bis 0,2 ppm. Der bisher von unsgemessene maximale Urangehalt einer rezentenMuschelschale liegt bei 0,7 ppm. Deutlich höhereGehalte von z.T. weit über 2 ppm Uran konnten da-gegen in mehr als 2.500 Jahre alten Muschelscha-len nachgewiesen werden. Ihre Urangehalte errei-chen bereits eine Größenordnung, wie sie auch inpleistozänen Muschelschalen häufig vorkommt.Würde man statt dieses relativ frühzeitigen jung-holozänen Einbaues von einer allmählichen Akku-mulation des Urans während des gesamten Holo-zäns wie auch des Pleistozäns ausgehen, wäre dieAltersberechnung von Mollusken mit einem gravie-renden zusätzlichen Fehlermoment versehen. Soist aber bei der Berechnung von ESR-Altern plei-stozäner Muschelschalen der zeitlich nur leicht ver-zögert stattfindende post mortem Uraneinbau ver-nachlässigbar; allein bei der Datierung jüngererholozäner Muschelschalen muss er entsprechendBerücksichtigung finden.

Da die internen Urangehalte einen relativ bedeu-tenden Einfluss auf die ESR-Datierung haben, wur-den sie i.d.R. mittels Doppel- oder gar Dreifachbe-stimmungen durch die INAA-Methode ("inducedneutron activity method") abgesichert, eine Metho-de, die bisher weit verbreitet bei der Bestimmungvon Paläodosisraten im Rahmen von Altersbestim-mungsmethoden eingesetzt wurde, die mit Strah-lungsdefekten arbeiten (ESR, TL, OSL, IRSL).

Im Zuge systematischer Urangehaltsbestimmungenan holozänen Korallen wurde aber deutlich, dass sichdie Urangehalte, je nachdem welche der beiden zurVerfügung stehenden hochauflösenden Analyseme-thoden INAA oder ICP-MS ("inductive coupled plas-ma mass spectrometry") angewendet wurden, sig-nifikant unterschieden (Abb. 4) (RADTKE et al., 2003).Nach den bisher vorliegenden Ergebnissen sind diemit Hilfe der INAA-Methode ermittelten Urangehaltesystematisch um etwa 10-15% niedriger als die andenselben Proben durchgeführten Urananalysen mitder ICP-MS-Methode. Die INAA-Methode ist anschei-nend nicht in der Lage, das gesamte in einer Steinko-ralle gespeicherte Uran analytisch nachzuweisen.Sollten sich diese systematischen Unterschiede be-stätigen, wäre die INAA-Methode zur Bestimmungdes Urangehaltes nur sehr bedingt geeignet und soll-te somit nicht bei der Berechnung von Paläodosis-raten herangezogen werden. Die Abweichungen imUrangehalt können bei der ESR-Datierung holozänerKorallen zu Altersüberschätzungen von einigen Jahr-hunderten führen. Alle hier vorgestellten ESR-Alterholozäner Korallen wurden daher ausschließlich an-hand von Doppelbestimmungen des Urangehaltesmittels der ICP-MS-Methode berechnet.

Abb. 4:Vergleich von Urange-halten in subrezentenund holozänen Ko-rallen von Aruba, Bo-naire und Curaçaonach der INAA- (Fa.Becquerel, Australien)und der ICP-MS-Me-thode (H.-U. Kasper,Universität zu Köln).

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

U (ppm)

K-4

248

K-4

253

K-4

258

K-4

264

K-4

266

K-4

267

K-4

268

K-4

269

K-4

270

K-4

273

K-4

275

K-4

276

K-4

277

K-4

278

K-4

279

K-4

280

K-4

281

K-4

282

K-4

283

K-4

287

K-4

288

K-4

289

K-4

290

K-4

291

K-4

293

K-4

294

K-4

295

Sample-No.

n = 27

mean/dev.U by INAA (Bec.): 2.63 ± 0.33

U by ICPMS (Cologne): 2.99 ± 0.34

U by ICPMS (Cologne): 2.94 ± 0.29

102


Jede Altersbestimmungsmethode besitzt ihre spezifi-schen methodischen Probleme, die in der Fehlerbe-rechnung berücksichtigt werden müssen. Selbst beihoher analytischer Präzision können fehlerhafte Alternicht ausgeschlossen werden. Bei der Ermittlung dersogenannten "precision" ist die Berücksichtigung dersogenannten "Laborfehler" noch relativ transparentnachvollziehbar und dementsprechend bei der Alters-berechnung zu berücksichtigen. Dagegen stellt diesogenannte "accuracy", die sich z.B. bei später nichtmehr rekonstruierbaren diagenetischen Prozessenim untersuchten Material verändern kann, eineschwer fassbare Größe dar. Die Ermittlung der "accu-racy" ist nur durch den Vergleich mit Kontrolldatierun-gen unabhängiger Datierungsmethoden möglich.

Bei der ESR-Methode liegen die nicht exakt quan-tifizierbaren Fehlerquellen weniger in den soge-nannten "Dosimeter-Eigenschaften" des ESR-Datie-rungssignals, da es sich hierbei um eine relativ sta-bile Komponente handelt. Vielmehr ist die Abschät-zung der natürlichen Strahlenbelastung der Proben inder Vergangenheit problematisch. Schwankende Pa-läowassergehalte im Sediment, die eine Veränderungder externen Strahlendosis zur Folge haben, sowiedie potentielle Zu- oder Abfuhr radioaktiver Elemente(i.w. Uran) sind die beiden Hauptfehlerquellen für diekorrekte Berechnung der Paläodosisrate. Diese Be-rechnung ist für die überwiegend in sehr heterogenzusammengesetzte Sande und Kiese eingelagertenMuschelschalen wesentlich problematischer als eineBerechnung für Landschnekkenschalen in relativ ho-mogen aufgebauten Äolianiten. Am wenigsten fehler-trächtig ist die Ermittlung der Paläo-Dosisraten vonSteinkorallen. Bei ihnen ist neben der kosmischenDosisrate i.w. nur das in der Koralle eingebaute Uran"strahlungsrelevant" (Abb. 1).

Das Problem sich verändernder Paläowasserge-halte in unmittelbarer Umgebung der Probe exi-stiert bei Korallen z.B. nicht und auch die erosivenoder akkumulativen Prozesse, die zur Veränderungder Lagetiefe und somit zu einer veränderten Be-rücksichtigung der kosmischen Dosisrate führen wür-den, spielen bei fossilen Korallenriffen nur eine un-tergeordnete Rolle.

Wie oben aber schon erwähnt, zeigt sich letztend-lich, dass auch bei einer noch so sorgfältigen Feh-leranalyse die Qualität, d.h. die Datierungsgenauig-keit und -reichweite einer Altersbestimmungsme-thode nur durch begleitende Untersuchungen si-chergestellt werden kann. Dieses gilt insbesonde-re für die relativ junge ESR-Methode. Erst durch

den Vergleich ihrer Datierungsergebnisse mit demumgebenden stratigraphischen Kontext, durch dieDurchführung multipler Datierungen von einer Lo-kalität wie aber auch von mehreren Lokalitäten ausderselben stratigraphischen Einheit, sowie durchden Vergleich mit den Ergebnissen anderer nume-rischer Datierungsmethoden ist eine seriöse Feh-lerabschätzung möglich.

3.1. ESR-, TIMS Th/U- und 14C - Datierungen ho-lozäner und jung- bis mittelpleistozäner Mu-schelschalen von der patagonischen Atlan-tikküste

Seit den ersten systematischen Anwendungen vonESR-Datierungen an fossilen aragonitischen Mu-schelschalen (RADTKE et al., 1981; IKEYA & OMU-RA, 1981) zählen Mollusken neben aragonitischenKorallen zum wichtigsten Datierungsobjekt derESR-Methode. Aus diesem Grund sollen als erstesBeispiel für die heutige ESR-Datierungsqualität diean holozänen sowie jung- und mittelpleistozänenMuschelschalen der patagonischen Atlantikküsteermittelten ESR-Alter vorgestellt werden. An dieserKüste existieren an zahlreichen Standorten in un-terschiedlichen Höhenlagen ausgedehnte holozä-ne und pleistozäne Strandablagerungen, deren Da-tierung zur Zeit allein über die eingelagerten beid-schaligen Muschelschalen (Abb. 1) möglich ist(SCHELLMANN, 1997, 1998). Abb. 5 zeigt beispielhaftdie Verbreitung gehobener Strandwallsysteme in derBucht von Bustamante und die Ergebnisse von 14C-,TIMS Th/U- und ESR-Datierungen überwiegendbeidschaliger Muscheln aus diesen Sedimenten (wei-tere Küstenlokalitäten in SCHELLMANN, 1998).

Die ESR-Datierungen bestätigen die morpho- undpedostratigraphische Differenzierung unterschied-lich alter Strandwallsysteme in diesem Raum. Dieküstenfernen Strandwälle T4[7] bis T2[7] stammendanach aus dem vorletzten Interglazial vor etwa220.000 Jahren. Die meerwärts gelegenen T3[5]-bis T1[5]-Strandwallsysteme wurden im letzten Inter-glazial gebildet. Entlang der heutigen Küste sindzudem mehrere unterschiedlich alte holozäneStrandterrassen erhalten. Insgesamt sind die ESR-Alter zu ungenau, um die innerhalb eines Intergla-zials gebildeten Strandwallsysteme, wie z.B. dieT4[7]- bis T2[7]- und die T3[5]- bis T1[5]-Strandwallsy-steme, altersmäßig zu trennen. Außerdem tendie-ren vor allem die holozänen und letztinterglazialenESR-Werte zu Altersüberschätzungen. Zum Bei-

3. Reichweite und Qualität von ESR-Datierungen aragonitischer Muschel- und Landschnek-kenschalen sowie Steinkorallen an ausgewählten Beispielen

103


Abb. 5: ESR-, TIMS Th/U- und 14C-Datierungen an holozänen und pleistozänen Muschelschalen aus Strandablagerungenan der patagonischen Atlantikküste bei Bustamante. Die TIMS Th/U-Datierungen stammen von A. Rostami & A.Mangini (Institut für Umweltphysik, Universität Heidelberg); Details in SCHELLMANN (1997, 1998), sowie SCHELL-MANN & RADTKE (2000).

spiel weiß man sehr genau, dass das letztintergla-ziale Transgressionsmaximum etwa 130.000 bis120.000 Jahre alt ist und damit deutlich jünger als155.000 Jahre, die sich als maximaler Mittelwerteder ESR-Altersbestimmungen aus dem T3[5]-Sy-stem an der Lokalität Pa 37 ergeben. Die Ergebnis-se der TIMS Th/U-Datierungen sind dagegen alleviel zu jung, eine Unterscheidung von letzt- undvorletztinterglazialen Strandwallsysteme ist mit ih-rer Hilfe nicht möglich.

Ein ähnliches Bild zeigt sich auch, wenn man allebisher vorliegenden ESR- und Th/U-Datierungenan Muschelschalen von verschiedenen Lokalitätenan der patagonischen Atlantikküste betrachtet(Abb. 6). Nur die ESR-Datierungen erlauben, miteinem Fehler von ca. 10-15% eine geochronologi-sche Unterscheidung letzt- und vorletztinterglazia-

ler Strandterrassen. Beim Vorliegen mehrerer Da-tierungen ist häufig auch noch eine geochronologi-sche Differenzierung von Strandablagerungen dermarinen Isotopenstufe 9 (MIS 9) möglich.

Es zeigt sich, dass auch bei der ESR-Datierungholozäner Muschelschalen durch eine Optimierungder Dosis-Wirkungskurven und dank eines moder-nen hochauflösenden ESR-Spektrometers deutli-che Fortschritte erreicht werden können (SCHELL-MANN & RADTKE, 1999). Die in Abb. 7 dargestelltenersten Ergebnisse derzeit laufender Untersuchun-gen verdeutlichen die Bedeutung einer korrektenadditiven Aufbaukurve. Bei der Verwendung extremniedriger künstlicher Bestrahlungsdosen (Abb. 7:Probe Pa 58*4) liegt eine "Reproduktion" der Er-gebnisse von 14C-Datierungen an Mollusken im Be-reich des Möglichen.

104


Abb. 6: ESR- und TIMS Th/U-Datierungen holozäner und pleistozäner Muschelschalen aus unterschiedlich alten Strand-ablagerungen an der patagonischen Atlantikküste. Die TIMS Th/U-Datierungen stammen von A. Rostami & A. Man-gini (Institut für Umweltphysik, Universität Heidelberg); Details in SCHELLMANN (1998).

Abb. 7: Erste Ergebnisse eines weiter optimierten ESR-Datierungsverfahren an holozänen Muschelschalen von der pata-gonischen Atlantikküste im Vergleich mit 14C-Datierungen an Muschelschalen aus derselben stratigraphischen Ein-heit (1,2,3,4 = diverse Muschelschalen; Lage der Pa-Lokalitäten in SCHELLMANN, 1998).

0

100

200

300

400

500

600

ESR ages of paired mollusc shells n = 84

a Th/ U ages of paired mollusc shells n = 18-spectrometric 230 234

a-spectrometric Th/ U ages of paired mollusc shells230 234

obtained by sequential leaching n = 7

Mollusc shells from the same stratigraphic layer

ES

Ran

dT

h/U

ag

es

x1

000

ye

ars

Oxy

ge

nIs

oto

pe

sta

ges

*

Pa 1

Pa 33

Pa 31

Pa35

Pa40 Pa43

Pa7

Pa 37Pa38Pa41

Pa39

Pa 42

Pa8

Pa75

Pa 72

Pa9

Pa11

Pa27

11

9

7

5

1

* Oxygen isotope stages after

SHACKLETON & OPDYKE 1973)(

MIS 1 and 5 MIS 7 MIS 9MIS7 ?

MIS 11

Pa 43a8090 ± 113 C BP (Hd 16504)14

Pa 584473 ± 40 14C BP (Hd 18397)4420 ± 80 (Hd 17683)14C BP

Pa 105336 ± 34 14C BP (Hd 15492)5908 ± 60 (Hd 15493)14C BP

0

2,000

4,000

6,000

8,000

10,000

ES

Ra

ge

s

4,000 4,500 5,00014C BP

14C cal BP ages, calibrated after Stuiver & Reimer (1993): marine dataset,calibrated ranges reservoir effects from 0 to 1000a(2 sigma values) with the full range of

2,000

4,000

6,000

8,000

10,000

12,000

14,000

ES

Rag

es

5,000 5,500 6,000

14C BP

7,000

8,000

9,000

10,000

11,000

12,000

13,000

ES

Ra

ge

s

8,000 8,100 8,200

14C BP

20 irradiation steps :

2 - 5 Gy up to 85 Gy

1

23

4

n = 4

5

n = 1n = 2

5

4


2 - 5 Gy up to 70 Gy20 irradiation steps :

2 - 5 Gy up to 70 or 85 Gy


0. 5 Gy up to 12 Gy

105


3.2. Reichweite und Qualität von ESR-Datierun-gen an jungpleistozänen Landschnecken-schalen der Gattung Helix sp. geborgen ausÄolianiten an der Südostküste von Zypern

Wie schon berichtet, lag seit dem Einsatz der ESR-Methode in der Geochronologie ein Schwerpunktauf der Datierung aragonitischer Muschelschalenund Korallen. Dem Potential von ESR-Datierungenterrestrischer Landschneckenschalen wurde dage-gen bis heute nur wenig Aufmerksamkeit ge-schenkt, obwohl bereits RADTKE (1985) und SKIN-NER & SHAWL (1994) erste ESR-Altersbestimmun-gen an terrestrischen Landschneckenschalen durch-führten. Ebenfalls sehr frühzeitig befasste man sichmit Untersuchungen zum ESR-Signalverhalten inLandschneckenschalen (u.a. KATZENBERGER, 1989;MOLODKOV, 1993). Eine erste systematischen Stu-die zur ESR-Datierung an Landschneckenschalenaus Äolianiten wurde von SCHELLMANN & KELLE-TAT (2001) vorgestellt.

Eine Besonderheit an der Südküste Zypern sinddie dort verbreiteten jungpleistozänen Äolianitzüge,die zum Beispiel die Südostküste auf mehreren Ki-lometern Länge begleiten. Zwar sind sie dort anvielen Stellen durch die litorale Erosion kliffartig un-terschnitten, dennoch kann man an einigen Stellenderen ursprüngliche Wurzelzone mehrere Meterunter dem heutigen Meeresspiegel erkennen, wiez.B. an der Küste bei Nissi-Beach (Abb. 8). Da dieSüdküste Zyperns seit dem letzten Interglazial nurin schwacher Hebung begriffen ist (SCHELLMANN &KELLETAT, 2001), kann die Anwehung der küsten-nahen prä-holozänen Äolianite nicht während desmehr als 150 m tiefergelegenen letztkaltzeitlichenMeeresspiegels stattgefunden haben, sondern nuram Beginn oder am Ausgang des letztinterglazialenMeeresspiegelhochstandes als der damalige Mee-resspiegel einige Meter tiefer lag als heute.

Die genaue geochronologische Einstufung ermög-lichen die innerhalb der Äolianite bei Nissi-Beachund am Kap Greco (Abb. 8) begrabenen Schalender Landschnecke Helix sp. So belegen die an ih-nen durchgeführten ESR-Datierungen eindeutig,dass die Anwehung der Dünensande am Kap Gre-co vor etwa 66.000 bis 72.000 Jahren und im RaumNissi-Beach vor etwa 84.000 bis 95.000 Jahren er-folgte. Insgesamt sind also die jüngsten Äolianitzü-ge am Ausgang des letzten Interglazials (MIS 5a)entstanden als der Meeresspiegel etwa 15 bis 25 munter dem heutigen Niveau lag. Die an einigen Schnek-kenschalen durchgeführten 14C-Datierungen sinddagegen als viel zu jung anzusehen und geochro-nologisch nicht zu verwenden. Es bestätigt sichhier wieder das altbekannte Phänomen, dass die

Datierungsobergrenze der Radiokohlenstoffmetho-de an Karbonaten schon bei etwa 25.000 bis 30.000Jahren erreicht ist (RADTKE, 1988).

Diese ESR-Alterseinstufung der jüngsten prä-holo-zänen Äolianite auf Zypern an den Ausgang desletzten Interglazials wird eindrucksvoll am Kap Gre-co bestätigt, wo die Äolianite von Strandsandenaus dem letztinterglazialen Transgressionsmaxi-mum unterlagert werden (Abb. 8). Die jüngstenESR-Datierungen an eingelagerten Muschelscha-len (Einzelschalen) ergaben letztinterglaziale Altervon 130.000 bis 137.000 Jahre. Dagegen sind dieESR-Alter der aus den auflagernden pleistozänenÄolianiten geborgenen Landschneckenschalendeutlich jünger und datieren überwiegend in denZeitraum zwischen 66.000 bis 72.000 Jahren, alsoan den Ausgang des letzten Interglazials (MIS 5a).

Insgesamt ermutigen diese ersten systematischenESR-Datierungen terrestrischer Landschnecken-schalen zu entsprechenden weiteren chronostrati-graphischen Arbeiten.

3.3. Reichweite und Qualität von ESR-Datierun-gen letztinterglazialer Korallen von Barbados

Aufgrund der relativ einfachen Bestimmung derPaläo-Dosisrate (Abb. 1) gestaltet sich die Datie-rung fossiler aragonitischer Korallen, wie oben be-reits ausgeführt, als besonders erfolgsträchtig. Hierist bisher die höchste zeitliche Auflösung bei denmittels ESR datierten Materialen erreicht worden.Erste erfolgversprechende Datierungsansätze stam-men bereits vom Ende der 1980er Jahre (IKEYA &OMURA, 1983; RADTKE & GRÜN, 1988; RADTKE etal., 1988; RADTKE, 1989; GRÜN et al., 1992).

Seitdem ist die Qualität der ESR-Datierungen durchzahlreiche methodische Verbesserungen (s.o.) unddank stabilerer und hochauflösenderer ESR-Spek-trometer weiter vorangeschritten. Mittlerweile ist esmöglich, anhand der ESR-Datierung von Korallennicht nur die großen Interglaziale bis vor etwa500.000 Jahren zu unterscheiden, sondern selbstdie Submaxima innerhalb des letzten Interglazialskonnten altersmäßig getrennt werden. Vorausset-zung ist aber weiterhin, dass mehrere Korallen voneiner Lokalität und darüber hinaus im Idealfall auchnoch jede stratigraphische Einheit an mehrerenLokalitäten datiert werden. Nur so können Einflüs-se schwacher diagenetischer Veränderungen vonKorallenproben und die daraus resultierenden Ver-jüngungen der ESR-Alter erkannt werden, bzw. ausder Streuung der erzielten ESR-Datierungen abge-leitet werden.Die insgesamt sehr hohe Qualität vonESR-Datierungen an Korallen wird insbesondere

106


Abb. 8: 14C- und ESR-Datierungen spät-letztinterglazialer Äolianite sowie letztinterglazialer Strandablagerungen (Kap Gre-co) an der Südostküste von Zypern (Details in SCHELLMANN & KELLETAT, 2001).

auch verdeutlicht durch die Vergleichsdatierung mit-tels der TIMS U/Th-Technik. Hierbei wurdenjungpleistozäne Korallen aus unterschiedlich altenund verschieden stark herausgehobenen letzt-interglazialen Korallenriffterrassen an der Südküstevon Barbados systematisch mit beiden Datierungs-methoden untersucht (Abb. 9, 10).Dort sind in 21 bis43 m über dem heutigen Meeresspiegel bis zu dreiunterschiedlich hohe Korallenriffe aus dem letzt-interglazialen Transgressionsmaximum MIS 5e und

in 4 bis 17 m ü.M. bis zu drei Korallenriffe aus demspät-letztinterglazialen Submaximum MIS 5c. Zu-dem existieren in etwa 2 bis 3 m Höhe ü.M. zweiweitere Korallenriffterrassen: die am Ausgang desletzten Interglazials entstandenen MIS 5a1 und MIS5a2-Unterstufen (Abb. 9; SCHELLMANN & RADTKE,2002, 2003). Die zeitliche Stellung dieser verschie-denen letztinterglazialen Riffbildungen im Südenvon Barbados ist über zahlreiche ESR- und einigeTIMS U/Th-Datierungen relativ genau abgesichert

107


Abb. 9:Letztinterglaziale Ko-rallenriffterrassen ander Südküste vonBarbados mit Lageder ESR- und TIMSU/Th-datierten Koral-len (XI-Nr. = datierteLokalität). Die TIMSU/Th-Datierungenwurden von Frau E.-K. Potter (AustralianNat. University, Can-berra) durchgeführt.Details in SCHELL-MANN et al. (2004).

(Abb. 9; SCHELLMANN & RADTKE, 2001b, 2002;2003). Die vergleichsweise starke Streuung der ESR-Datierungen innerhalb einer Korallenriffterrasse istwahrscheinlich die Folge leichter diagenetischerVeränderungen, verbunden mit Umkristallisationenund/oder mit dem Einbau zusätzlichen Urans.

Dieses hat zur Folge, dass für einige der datier-ten Korallen "zu junge" ESR-Alter berechnet wer-den. Wegen der potentiellen Gefahr einer Alters-unterstimmung durch Diageneseprozesse, die zumeinen schwer nachweisbar sind und von Korallezu Koralle sehr unterschiedlich ausgeprägt seinkönnen bzw. auch ganz fehlen können, sollten im-mer nur die ältesten ESR-Alter, die innerhalb einesKorallenriffes ermittelt wurden, für chronostratigra-phische Einstufungen verwendet werden. Bei demVorliegen von mehr als 20 ESR-Datierungen aus

einer Korallenriffterrasse verwenden wir den 90Perzentilwert, bei weniger Datierungen den oberenQuartilwert aller ESR-Alter eines Korallenriff-körpers.

Es zeigt sich, dass insgesamt die Ergebnisse bei-der Datierungsmethoden, d.h. die "ältesten" ESR-Alter (90 Perzentil- bzw. Quartilwerte) und die Me-dianwerte der U/Th-Datierungen aus einer Koral-lenriffterrasse relativ gut übereinstimmen. Diesesverdeutlicht auch die hohe Korrelation der in Tabel-le 1 zusammengestellten Medianwerte der TIMSTh/U- und die Quartilwerte der ESR-Altersdatierun-gen an letztinterglazialen Korallen der barbadiani-schen Süd- und Westküste. Altersdifferenzen zwi-schen beiden Datierungsmethoden liegen im Mittelbei maximal 3.000 Jahren und damit innerhalb desFehlerintervalls der ESR-Datierungsmethode.

108


Gemeinhin wird die TIMS U/Th-Altersbestimmung indem hier betrachteten Datierungszeitraum des letz-ten Interglazials als eine sehr präzise Methode ange-sehen, der analytische Fehler wird mit unter 1% an-gegeben. Unsere Ergebnisse lassen diese Ein-schätzung aber in einem anderen Licht erscheinen.Es zeigt sich, dass die Qualität der TIMS U/Th-Datenhöchstens unwesentlich genauer zu sein scheint alsdie mit der ESR-Methode ermittelten Werte. DiesesErgebnis wird jedenfalls durch die ESR- und Th/U-Vergleichsdatierungen an letztinterglazialen Korallenan der Südküste bei Inch Marlowe Point (Abb. 10)und an der Westküste bei Batts Rock Bay (Abb. 11,Details in SCHELLMANN et al., 2004) impliziert.

An der Lokalität Inch Marlowe Point sind die ESR-Datierungen ca. 1000 bis 8000 Jahre jünger als dieTIMS U/Th-Altersdaten – ohne dass ein systemati-scher Zusammenhang zwischen älteren und jün-geren Datierungsresultaten beider Methoden er-sichtlich ist. Die Ursachen für diese unsystema-tisch verlaufenden Altersdifferenzen zwischen

ESR- und U/Th-Datierungen müssen also ver-schieden sein. Die Unterschiede in den Einzelda-tierungen relativieren sich jedoch deutlich, wennman nur die ältesten ESR-Datierungen mit denMedianwerten der U/Th-Alter vergleicht. So liegtder obere Quartilswert aller ESR-Alter bei 73.100Jahren, der Medianwert der U/Th-Datierungen bei76.700 Jahren. Interessanterweise streuen die Er-gebnisse beider Methoden, obwohl alle datiertenKorallen aus einem Korallenstock stammen undwahrscheinlich annähernd zum gleichen Zeitpunkt(maximale Differenz wenige Jahrhunderte) aufge-wachsen sind, mit einer Bandbreite von etwa 4.000Jahren relativ stark.

Das bedeutet aber, dass die Qualität ("accuracy")von TIMS U/Th-Datierungen an Korallen, trotz ho-her analytischer Präzision ("precision") mit Alters-fehlern von unter 1%, derzeit nicht besser ist als dieQualität der mit einem analytischen Fehler von ca.5-8% operierenden ESR-Datierungsmethode. Auchdie an der Westküste von Barbados bei Batts Rock

Tab. 1:ESR-und TIMS U/Th-Alter letztin-terglazialer Korallenriffstufen ander Süd- und Westküste von Bar-bados. Die TIMS U/Th-Datierun-gen stammen von Frau E.-K. Pot-ter (Australian National Universi-ty, Canberra); Details hierzu inSCHELLMANN et al. (2004).

60

65

70

75

80

85

90Age (ka)

K-4

311

K-4

309

K-4

307

K-4

306

K-4

314

K-4

308

K-4

312

K-4

316

K-4

305

K-4

304

K-4

064

TIMS U/Th age

ESR age

ESR U/ThUpper Quartile: 73.1 ± 5 ka Median: 76.7 ± 0.6 karange: 71 to 75 ka range: 74 to 79 ka

n = 11

SampleNo.

Abb. 10:ESR- und TIMS U/Th-Alter (δ234U>141 und <157‰) der T-1a1 Ko-rallenriffterrasse bei Inch MarlowePoint, Südküste von Barbados(Lokalität XI-78 in Abb. 9).

Samplesites ka ± n ka ± n ka ± n

MIS 5a-1 T1a-1 XI-04, XI-78 73.4 5 14 76.7 0.6 12 76.8 0.6 14

MIS 5a-2 T1a-2 XI-65 80.9 5 5 84.2 0.7 4 83.9 0.7 5

MIS 5a-2 N2 VIII-17 85.5 6 7 84.5 0.8 3 89.4 0.8 7

MIS 5c-3 T3 XII-03, XII-07 102.6 6 8 102.9 1 3 103.2 1 8

MIS 5c N1[5c] VIII-16 108.7 9 5 105.4 1 7 105.4 1 8

U/Th (all) = Median of all U/Th data

Strat. U/ThESR U/Th (all)Terrace

ESR = Upper quartile value (25% of all ESR ages are ranked above this value)

U/Th = Median of U/Th data with initial delta 234U values between 141 and 157 permil

109


Bay mit beiden Methoden datierten Korallen ausden MIS 5c- und MIS 5a-Submaxima zeigen einerelativ hohe Streuung von einigen tausend Jahren

Abb. 11: ESR- und TIMS U/Th-Alter von MIS 5a- und MIS 5c-Korallenriffen bei Batts Rock Bay. Die TIMS U/Th-Datierun-gen wurden von Frau E.-K. Potter (Australian National University, Canberra) durchgeführt; Details in SCHELLMANNet al. (2004).

und belegen damit das aktuell mögliche und somitrealistische zeitliche Auflösungsvermögen beiderDatierungsmethoden.

110


3.4. Reichweite und Qualität der ESR-Datierungholozäner Korallen von den Niederländi-schen Antillen (Aruba, Bonaire, Curaçao)

Ein weiterer Schwerpunkt unserer ESR-Untersu-chungen bildete die Beantwortung der Frage, in-wieweit eine hochauflösende ESR-Altersbestim-mung alternativ zur traditionellen Radiokohlenstoff(14C)-Methode eingesetzt werden kann. Zur Klä-rung dieser Frage wurden insgesamt 21 14C-datier-te subrezente, jung- und mittelholozäne Korallen-proben von Tsunami-Ablagerungen auf Aruba,Bonaire und Curaçao (Niederländische Antillen)parallel mit der ESR-Methode datiert. In Tab. 1 undAbb. 12 sind die Ergebnisse beider Datierungs-techniken gegenübergestellt. Bei der Interpretationder Daten ist zu beachten, dass im Gegensatz zurESR-Methode die Ergebnisse von 14C-Datierungenan marinen Karbonaten durch räumlich und zeitlichschwankende marine Reservoireffekte beeinflusstwerden. Sie können zu Altersüberbestimmungenvon wenigen bis hin zu 1.000 Jahren und mehr füh-ren. Bisher ist es nicht möglich, die räumliche undzeitliche Variabilität mariner 14C-Reservoireinflüsseder Vergangenheit zu quantifizieren und damit 14C-Alter präzise zu korrigieren. Bei Berücksichtigungpotentieller mariner 14C-Reservoireinflüsse ist es so-mit nicht verwunderlich, dass die ESR-Datierungs-ergebnisse generell deutlich jünger ausfallen alsdie unkalibrierten 14C-Alterswerte (Abb. 12: oben).Erstaunlich ist es aber schon, dass fast alle ESR-Alter in dem Bereich liegen, in dem die 14C-Alter ei-gentlich anzusiedeln wären, wenn man sie mit ei-nem marinen Reservoireffekt von 400 bzw. 800Jahren korrigieren würde.

Ein Vergleich zwischen ESR- und kalibrierten 14C-Altern (kalibriert = marin Reservoir- und atmosphä-risch korrigierte 14 C-Alter) zeigt Abb. 12 unten. Diekalibrierten 14C-Alter variieren zwischen 0 und 3644Jahren, die ESR-Alter zwischen 9 und 3653 Jahren.Bis auf eine Probe, die als "Ausreisser" interpretiertwerden muss, sind die ermittelten Alter beider Me-thoden innerhalb einer Fehlergrenze von 250 Jahren"kompatibel", wobei die ESR-Alter generell etwasälter ausfallen als die unter Annahme eines mari-nen Reservoireffektes von ∆R = -49 (ca. 392 Jahre)korrigierten Radiokarbonalter. Sicherlich unterlagder marine Reservoireffekt in der Vergangenheit grö-ßeren Schwankungen mit zeitweilig höheren undzeitweilig niedrigeren ∆R-Werten als den hier an-genommenen, so dass auch die kalibrierten 14C-Alternur bedingt die "wahren" Alter widerspiegeln können.

Betrachtet man die erstaunlich hohe Übereinstim-mung der ESR-Alter, 9 Jahre (= 1993 n.Chr.) und284 Jahre (= 1718 n.Chr.), mit dem tatsächlichen

Abb. 12: ESR- und 14C-Alter holozäner Korallen von Aru-ba, Bonaire und Curacao (Niederländische Antil-len). Oben: unkalibrierte 14C-Alter; unten: kali-brierte 14C-Alter (Marin Reservoir- und atmo-sphärisch korrigiert). Die 14C-datierten Korallen-proben wurden von D. Kelletat & A. Scheffers (In-stitut für Geographie, Universität Essen) zur Ver-fügung gestellt. Die Radiokohlenstoff-Datierun-gen inklusive ihrer Kalibrierung stammen von B.Kromer (Institut für Umweltphysik, UniversitätHeidelberg); Details in RADTKE et al. (2003).

0

1,000

2,000

3,000

4,000

5,000

ES

Rag

es

(yrs

.b

efo

re19

50)

0 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000

14C cal BP (� R=-49)

14C marine reservoir effects

14C marine reservoireffects

0 yrs.

400 yrs.

800 yrs.

0

1,000

2,000

3,000

4,000

5,000

ES

Ra

ge

s(y

ea

rs)

0 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000

uncalibrated C ages ( C BP)14 14

error range of ESR ages

n = 21

error range of ages

n = 21

Alter zweier 1920 n.Chr. als lebende Exemplare ge-sammelten Korallenproben, die vom ZoologischenMuseum der Universität Amsterdam zur Verfügunggestellt wurden (RADTKE et al., 2003), dann ist dieVerbesserung der Qualität der ESR-Methode offen-sichtlich, und es erscheint nicht als unwahrschein-lich, dass die doch relativ fehlerhafte 14C-Datierungholozäner Korallen zukünftig übertroffen werdenkann. Mittels der ESR-Datierungen könnte dannerstmals eine Korrektur des marinen Reservoir-Ef-fektes, und damit eine zeitliche und räumlicheQuantifizierung mariner 14C-Reservoirschwankun-gen in der Vergangenheit, möglich werden. Die

111


Kenntnis dieser Schwankungen ist aber nicht nurfür die 14C-Datierung mariner Karbonate, sondernauch für das Verständnis der Atmosphäre - Ozean

Es konnte demonstriert werden, dass die ESR-Altersbestimmungsmethode dank der in den letz-ten 10 Jahren erzielten methodischen Verbesse-rungen inzwischen ein weiteres wichtiges geochro-nologisches Verfahren zur Untersuchungen litora-ler Formen und Ablagerungen wie Korallenriffe,Strandwallsysteme, Äolianite darstellt. Die deutlichgesteigerte Qualität von ESR-Datierungen an Kar-bonaten zeigt sich auch im direkten Vergleich mitden Ergebnissen anderer Altersbestimmungs-methoden, wie z.B. der Radiokohlenstoff (14C)- undder TIMS Uranserien (230Th/234U)-Methode. So er-reicht die ESR-Datierung holozäner Korallen inzwi-schen eine Genauigkeit, die den Vergleich mit der14C-Methode nicht zu scheuen braucht. Da dieESR-Alter der marinen Karbonate nicht wie die derRadiokohlenstoffmethode durch marine Reservoir-effekte beeinflusst sind, besitzt die ESR- gegen-über der 14C-Methode einen wichtigen Vorteil. DieDatierung pleistozäner Korallen ermöglicht darüberhinaus nicht nur eine chronostratigraphische Unter-scheidung der marinen Isotopenstufen (MIS) 5, 7,9, 11 und 13, sondern auch der Unterstufen 5e3/2

und 5e1, 5c, 5a1 und 5a2. Der durchschnittliche Al-

- Kopplungsmechanismen von großer Wichtigkeit.Die Untersuchungen ermutigen sehr, auf dem ein-geschlagenen Weg weiterzugehen.

4. Zusammenfassung

tersfehler von ESR-Datierungen an Korallen liegtbei etwa 5 bis 8%. Letztinterglaziale Korallen kön-nen mit ähnlicher Qualität datiert werden, wie dasderzeit nur mit der in diesem Zeitintervall relativ ak-kuraten TIMS U/Th-Datierungsmethode möglich ist.Der Vorteil der ESR-Methode ist aber der, dass ihreDatierungsobergrenze an Korallen bei 500.000 Jah-ren v.h. sicherlich noch lange nicht erreicht ist.Könnte man diagenetische Veränderungen aus-schließen, wäre physikalisch betrachtet eine Datie-rung von einigen Millionen Jahre alten Korallenrif-fen möglich.

Die zeitliche Auflösung von ESR-Datierungen anMuschel- und Landschneckenschalen ist dagegenmit einem durchschnittlichen Fehler von 10 bis 15%deutlich geringer. Dennoch ermöglicht deren Datie-rung i.d.R. eine geochronologische Unterschei-dung der marinen Isotopenstufen 1, 3, 5, 7 und 9.

Die Weiterentwicklung der ESR-Altersbestim-mungsmethode sollte aber noch nicht als abge-schlossen betrachtet werden; es gilt, durch weitereAnstrengungen ihr Potential noch besser auszu-schöpfen.

Danksagung

Wir bedanken uns sehr bei der DFG (Ra 383/6-1 bis 6-3, Sche 465/2-1) und bei den Universitäten Bam-berg, Köln und Essen für die in den vergangenen Jahren geleisteten finanziellen Unterstützungen. Beson-derer Dank gebührt ebenfalls der Strahlenklinik an der Universität Düsseldorf für die großzügige Nutzungihrer 60Co-Strahlenquelle.

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