Die Datierung von Fossilien

Lesedauer 21 Minuten

Wie misst man eigentlich das Alter von Fossilien aus der Urzeit? Je weiter wir in die Vergangenheit blicken, desto schwieriger scheint diese Frage zu beantworten zu sein. Wir bewegen uns in der Urzeitforschung ja in Zeiträumen von vielen Millionen Jahren. Um solche gewaltigen Dimensionen zu erfassen, haben Wissenschaftler Methoden entwickelt, mit denen sich das Alter von Gesteinen und Fossilien trotzdem erstaunlich genau bestimmen lässt.

Bei vielen archäologischen oder historischen Funden ist es nicht schwer, ihr Alter zu bestimmen. Manchmal steht es ja sogar direkt drauf: Auf einer Grabplatte, sogar schon auf solchen aus dem Mittelalter, sind die Lebensdaten des Menschen, der dort bestattet wurde, oft mit eingraviert. Auch auf vielen neuzeitlichen Münzen steht das Prägedatum unmittelbar auf dem Fundstück. Ein neuentdeckter Triceratops hat aber leider kein Halsband um, auf dem sein Sterbedatum draufsteht. Wie finden Forscher nun also trotzdem heraus, wie alt der Triceratops genau ist? Wie kommt man auf ein Alter von so vielen Jahrmillionen? Die Antwort liefern vor allem zwei eng miteinander verknüpfte wissenschaftliche Ansätze zur Datierung, also zur Altersbestimmung. Und diese möchte ich dir hier einmal etwas näher vorstellen!

Chronostratigraphie

Bis vor wenigen hundert Jahren dachten auch viele Gelehrte noch, dass die Erde nur wenige tausend Jahre alt sei. Doch mit akribischen Beobachtungen der Natur kamen die Forscher langsam der Wahrheit auf die Spur. Sie sahen zum Beispiel, dass Flüsse nur sehr langsam Täler formen, dass sich Berge und Vulkane auch über lange Zeit verändern und dass sich Schichten aus Sand, Schlamm oder Kalk Stück für Stück auf dem Grund von Gewässern ablagern. Später versuchten Forscher sogar, den Salzgehalt der Meere als eine Art geologische Uhr zu benutzen: Da Flüsse gelöste Salze ins Meer transportieren, wollte man abschätzen, wie lange sich diese Stoffe dort bereits anreicherten. Solche „Salzuhren“ erwiesen sich später allerdings als unzuverlässig, weil Salze dem Meer auch wieder entzogen werden. Zusammen mit vielen anderen Naturbeobachtungen machten solche Überlegungen aber immer deutlicher, dass die Geschichte der Erde unmöglich nur wenige Jahrtausende umfassen konnte.

Nicolaus Steno

Schon im 17. Jahrhundert erkannte der Däne Nicolaus Steno wichtige Prinzipien der Stratigraphie, darunter das Prinzip der Überlagerung: In einer ungestörten Schichtenfolge liegen die älteren Schichten unter den jüngeren.¹

James Hutton

Der schottische Gelehrte James Hutton setzte diese Gedanken dann im 18. Jahrhundert fort: Er bemerkte, dass geologische Prozesse wie Verwitterung, Erosion und Sedimentation in einem Kreislauf ablaufen und dabei immer wieder neue Gesteine entstehen. Aus Beobachtungen wie Diskordanzen schloss er, dass diese Prozesse unvorstellbar lange dauern. Er ging sogar davon aus, dass die Erde überhaupt kein erkennbares Anfangs- oder Enddatum habe und sich ihre geologische Geschichte in einem fortwährenden Kreislauf vollziehe!²

Charles Lyell

Später erklärte der Brite Charles Lyell diese Idee noch genauer. Er formulierte und popularisierte den Aktualismus: Die geologischen Prozesse, die wir heute beobachten, also Erosion, Sedimentation oder Vulkanismus, wirkten auch schon in der Urzeit nach denselben Naturgesetzen. Daraus folgerte er, dass große Landschaftsformen durch Veränderungen über sehr lange Zeiträume entstehen können.³

William Smith

Auch Fossilien halfen weiter: In verschiedenen Gesteinsschichten fanden Forscher unterschiedliche versteinerte Tiere und Pflanzen. Der Engländer William Smith erkannte, dass bestimmte Gesteinsschichten durch charakteristische Fossilien und Fossilgemeinschaften wiedererkannt werden können und dass diese Schichten in einer regelmäßigen Reihenfolge auftreten. Damit legte er eine wichtige Grundlage für das Prinzip der Fossil- oder Faunenfolge und für die biostratigraphische Korrelation von Gesteinsschichten.⁴

Auch wenn sie alle noch nicht genau sagen konnten, wie alt die Erde eigentlich ist, wurde allmählich klar: Sie muss unglaublich alt sein. Aus Jahrtausenden wurden erst Hunderttausende und schließlich Jahrmillionen!

Leitfossilien

Bei der Datierung von Gesteinsschichten spielen auch Fossilien eine Rolle. Diese sogenannten Leitfossilien, auch Indexfossilien genannt, sind Fossilien von Organismen, die für einen vergleichsweise kurzen geologischen Zeitraum charakteristisch waren, dabei möglichst weit verbreitet vorkamen und gut erkennbar sind. Für die relative Altersbestimmung und Korrelation von Gesteinsschichten und Sedimenten sind sie deshalb von großer Bedeutung.⁵

Wenn man nämlich eines dieser bekannten Fossilien, dessen zeitliche Verbreitung man in einer bestimmten Gegend bereits gut kennt, nun in einer anderen Gesteinsschicht findet, kann man diese Schicht zeitlich entsprechend einordnen. Es ist also hilfreich, wenn Leitfossilien weit verbreitet und leicht erkennbar sind, damit man verschiedene Fundstellen miteinander vergleichen kann. Einige der bekanntesten Beispiele für Leitfossilien sind Ammoniten, Trilobiten, Foraminiferen und Graptolithen. Ammoniten sind besonders wichtige Leitfossilien für große Teile des Mesozoikums, also für die Zeit von etwa 252 bis 66 Ma. Trilobiten sind hingegen typische Leitfossilien des Paläozoikums, also der Zeit von etwa 539 bis 252 Ma. Leitfossilien fungieren damit wie eine Art Zeitstempel und helfen, Gesteinsschichten über große Entfernungen miteinander zu vergleichen.⁶⁷

Aus diesen Entdeckungen entwickelte sich die Chronostratigraphie, also die Wissenschaft von der zeitlichen Ordnung und Korrelation der Gesteinsschichten. Zuerst ordnete man die Schichten nur relativ: unten älter, oben jünger – jedenfalls in einer ungestörten Schichtenfolge. Mithilfe von Leitfossilien konnte man Schichten aus verschiedenen Gegenden miteinander vergleichen. So entstand nach und nach eine große „Zeitleiter“ der Erdgeschichte mit Abschnitten wie Trias, Jura und Kreidezeit. Natürlich wurde dabei auch versucht, ihr genaues Alter abzuschätzen. Die Forscher stellten zum Beispiel Messungen darüber an, wie schnell sich Sedimente ablagern, wie sich Salze in den Meeren anreichern oder wie schnell magmatische Gesteine an der Oberfläche abkühlen. Solche frühen „geologischen Uhren“ lieferten allerdings nur grobe und teilweise stark fehlerhafte Alterswerte.

Bis heute liefert die Chronostratigraphie in erster Linie eine relative zeitliche Ordnung von Gesteinskörpern und Ereignissen. Konkrete numerische Altersangaben werden dagegen mit geochronologischen Methoden gewonnen, insbesondere durch radiometrische Datierungen. Beide Ansätze ergänzen sich: Radiometrische Alter können die chronostratigraphische Zeitskala kalibrieren, während die Stratigraphie zeigt, wie einzelne Gesteinskörper und Fossilien zeitlich zueinander stehen.⁸⁹¹⁰

Geochronologie

Die Geochronologie ist dagegen eine noch recht „junge“ Disziplin und wird erst seit etwa 100 Jahren angewandt. Sie umfasst verschiedene Methoden, mit denen geologische Ereignisse und Materialien zeitlich eingeordnet werden. Besonders wichtig ist dabei die radiometrische Datierung. Dabei nutzt man radioaktive Isotope, die mit bekannten Zerfallsraten in Tochterisotope übergehen. Man kann heute das Alter von Fossilien schon ziemlich genau bestimmen, idem man modernste Technik nutzt.

Und wie geht das? Zuerst wird eine Probe aus geeigneten Mineralien genommen, meist nicht vom Fossil selbst, sondern beispielsweise aus vulkanischen Aschelagen oder anderen datierbaren Gesteinshorizonten innerhalb, oberhalb oder unterhalb der fossilführenden Schicht. So lässt sich das Alter des Fossils direkt oder zumindest sehr genau eingrenzen.Diese Probe wird dann mithilfe eines sogenannten Massenspektrometers untersucht. Dieses Gerät kann winzige Unterschiede zwischen verschiedenen Atomen messen. Das Gerät trennt die unterschiedlichen Atomarten voneinander und zählt, wie viel von jeder Sorte vorhanden ist. Da uns die Geschwindigkeiten bekannt sind, mit denen die Mutter- in ihre Tochterisotope zerfallen, kann man mit etwas Mathe dann ausrechnen, wie alt die Probe sein muss. Die Ergebnisse werden dann auch mit der Stratigraphie gegengeprüft. Jüngere organische Überreste können unter geeigneten Bedingungen auch direkt mit der Radiokohlenstoffmethode datiert werden.¹¹¹²¹³¹⁴¹⁵¹⁶

Darstellung eines modernen Massenspektrometers.

C14 – ein spannendes Isotop

Die Radiokohlenstoff- oder auch C14-Methode ist wohl das bekannteste Beispiel für geochronologische Datierungen. Dabei wird C14 genutzt. Das ist ein Isotop, das in der Atmosphäre infolge kosmischer Strahlung entsteht. Genau in dergleichen Luft, die du gerade atmest! In ebendieser Luft ist das häufigste Element Stickstoff. Der Atomkern eines Stickstoffatoms des Isotops N14 besteht aus sieben positiv geladenen Protonen und sieben neutralen Neutronen. Trifft nun ein durch die kosmische Strahlung erzeugtes Neutron auf einen solchen Stickstoffkern, kann dabei ein Proton herausgeschlagen werden. Jetzt hat der Atomkern nur noch sechs Protonen, dafür aber acht Neutronen. Weil die Protonenzahl das Element bestimmt, ist es nun aber kein Stickstoff mehr, sondern Kohlenstoff! Aber ein ungewöhnliches Kohlenstoff-Isotop: Die beiden stabilen, „normalen“ Kohlenstoffisotope C12 und C13 besitzen eigentlich 12 beziehungsweise 13 Nukleonen. C14 hat – wie der Name schon sagt – aber ganze 14 Nukleonen!¹⁷

Das macht dieses Isotop instabil: Es kann in diesem Zustand nicht dauerhaft bleiben und zerfällt im Laufe der Zeit wieder. Dieser Zerfall erfolgt durch einen Prozess, der als Beta-Zerfall bezeichnet wird. Dabei wandelt sich ein Neutron im C14-Atomkern in ein Proton um, und es werden ein negativ geladenes Elektron (ein Beta-Teilchen) und ein Antineutrino freigesetzt. Durch diese Umwandlung entsteht aus dem Kohlenstoff-Isotop C14 wieder das stabile Stickstoff-Isotop N14.¹⁸

Die C14-Methode

Okay, ich gebe zu: Das klang jetzt alles doch sehr wissenschaftlich und nicht gerade spannend. Was man mit diesem Wissen aber machen kann, das ist das Spannende! Denn jedes Lebewesen, egal ob Pflanze, Tier oder Mensch, nimmt im Laufe seines Lebens neben den stabilen Kohlenstoffisotopen auch den radioaktiven Kohlenstoff C14 auf. Und wie kommt dieses Zeug in deinen Körper? Und ist es gefährlich? Es ist ja schließlich radioaktiv! Nun, da kann ich dich beruhigen: Die natürlichen Mengen an C14 in unserem Körper sind viel zu gering, als dass sie uns gefährlich werden könnten. Und du bekommst C14 jedes Mal, wenn du etwas isst: Pflanzen nehmen bei der Photosynthese Kohlendioxid aus der Luft auf – und damit auch winzige Mengen C14. Wenn Tiere diese Pflanzen fressen und andere Tiere oder wir Menschen wiederum Pflanzen oder Tiere essen, gelangt das C14 durch die gesamte Nahrungskette.

Solange ein Organismus lebt und regelmäßig Kohlenstoff mit seiner Umwelt austauscht, wird ständig neuer Kohlenstoff aufgenommen. Dadurch entspricht das Verhältnis von C14 zu den stabilen Kohlenstoffisotopen in seinem Körper ungefähr dem seiner Umwelt beziehungsweise seiner Nahrung. Ganz konstant war dieses Verhältnis in der Atmosphäre zwar nie, aber das wissen wir. Deshalb können wir die ermittelten Werte später mithilfe von Kalibrationskurven abgleichen und so ein möglichst genaues Kalenderalter bestimmen. In einem lebenden Organismus kommt ungefähr nur ein C14-Atom auf etwa eine Billion C12-Atome (1:1.000.000.000.000). Das klingt unglaublich wenig, aber es ist für das, was wir jetzt vorhaben, absolut ausreichend!¹⁹²⁰²¹²²

Wenn ein Organismus stirbt, endet auch der Austausch von Kohlenstoff mit der Umwelt. Das zu Lebzeiten aufgenommene C14 zerfällt jedoch weiter. Und du ahnst jetzt sicher schon, wie man das nutzen kann: C14 zerfällt nach einem statistisch genau bekannten Gesetz. Nach etwa 5.730 Jahren ist nur noch die Hälfte des ursprünglichen C14 vorhanden. Diese Zeit nennt man entsprechend Halbwertszeit. Für eine Datierung wird eine geeignete Probe zunächst sorgfältig gereinigt und chemisch vorbehandelt. Moderne Labore bestimmen dann häufig mit der Beschleuniger-Massenspektrometrie (AMS) das Verhältnis von C14 zu den stabilen Kohlenstoffisotopen. Aus diesem Verhältnis lässt sich zunächst ein Radiokohlenstoffalter berechnen, das anschließend mithilfe von Kalibrationskurven in ein Kalenderalter übersetzt wird.²³²⁴²⁵

Ein stark vereinfachtes Rechenbeispiel: Wenn wir von einem Mammut-Stoßzahn eine Probe nehmen und annehmen, dass darin nur noch 1/8 der ursprünglichen Menge an C14 vorhanden ist, wie viele Halbwertszeiten sind dann vergangen?

Einfache Rechnung:

Eine Halbwertszeit (5.730 Jahre): noch die Hälfte!
Zwei Halbwertszeiten (11.460 Jahre): noch die Hälfte von der Hälfte, also ein Viertel!
Drei Halbwertszeiten (17.190 Jahre): noch die Hälfte vom Viertel, also ein Achtel!

In unserem vereinfachten Modell wären also drei Halbwertszeiten vergangen: 17.190 Radiokohlenstoffjahre. In einer echten Datierung müsste man den Messwert natürlich noch kalibrieren und mit seiner Messunsicherheit angeben, aber du verstehst nun sicher schon ganz gut, wie die Methode funktioniert.²⁶

Willard F. Libby

Diese Methode wurde übrigens von Willard F. Libby entwickelt, der dafür im Jahr 1960 den Nobelpreis für Chemie erhielt.²⁷²⁸ Nach seinem Chemiestudium in Berkeley arbeitete Libby intensiv zur Radioaktivitäts- und Isotopenforschung. Während des Zweiten Weltkriegs war er auch am Manhattan-Projekt beteiligt. Später lehrte er unter anderem an der University of Chicago und der University of California in Los Angeles. Seine Radiokohlenstoffmethode revolutionierte die Datierung in Archäologie, Geologie und anderen historischen Wissenschaften.²⁹³⁰

Weitere Methoden zur radiometrischen Datierung

Libbys Methode hatte allerdings nur einen Haken: Während sie für archäologische und spätquartäre Funde bahnbrechend war, ist sie für Fossilien mit einem Alter von vielen Millionen Jahren völlig unbrauchbar. Das Problem: Nach vielen Halbwertszeiten ist so wenig C14 übrig, dass es sich nicht mehr zuverlässig vom Untergrund und von kleinsten Verunreinigungen unterscheiden lässt. In der Praxis liegt die Reichweite der Radiokohlenstoffdatierung unter günstigen Bedingungen ungefähr bei 50.000 bis 55.000 Jahren. Wenn du also irgendwo lesen solltest, dass Forscher einen Dinosaurierknochen aus dem Mesozoikum mithilfe der C14-Methode datiert hätten, solltest du sehr skeptisch werden!

Uran-Blei-Methode

Arthur Holmes

Aber das bedeutet nicht, dass man Dinofossilien nicht datieren könnte! Man kann es eben nur nicht mit der C14-Methode. Andere Forscher waren nämlich bereits längere Zeit vor Libby sehr fleißig. Einer der führenden Geochronologen des 20. Jahrhunderts war Arthur Holmes, der 1911 eine wichtige frühe Arbeit zur Uran-Blei-Datierung veröffentlichte.³¹

Die Uran-Blei-Datierung beruht ebenfalls auf radioaktivem Zerfall, wird aber typischerweise an geeigneten Mineralen in Gesteinen durchgeführt. Besonders wichtig ist dabei das Mineral Zirkon: Bei seiner Kristallisation kann es Uran in sein Kristallgitter aufnehmen, während gewöhnliches Blei nur in sehr geringem Maß eingebaut wird. Dadurch eignet sich Zirkon besonders gut als geologische „Uhr“. Die Methode nutzt zwei voneinander unabhängige Zerfallsreihen des Urans:³²³³³⁴³⁵³⁶

Erstens: den Zerfall des Radioisotops 235U mit einer Halbwertszeit von etwa 704 Millionen Jahren über verschiedene Zwischenstufen zu stabilem 207Pb.
Zweitens: den Zerfall des Radioisotops 238U mit einer Halbwertszeit von etwa 4,47 Milliarden Jahren über verschiedene Zwischenstufen zu stabilem 206Pb.

Zur Erklärung: Direkt nach der Bildung eines Gesteins (Bild links) sind darin geringe Mengen an radioaktiven Uran-Isotopen (hier: 235U) eingeschlossen. Diese zerfallen mit der Zeit. Am Ende der Zerfallskette entsteht stabiles Blei (hier: 207Pb). Die Halbwertszeit beträgt in dieser Zerfallsreihe 703,8 Millionen Jahre. Genau das ist das Alter des Steins im mittleren Bild. Hier ist die Hälfte der Isotope bereits zerfallen. Bei noch älteren Steinen überwiegt schließlich die Masse der Blei-Isotope (Bild rechts).

Kalium-Argon-Methode

Friedolf M. Smits

Du siehst schon: Diese Zerfallsreihen haben deutlich längere Halbwertszeiten und erlauben es uns, auch sehr alte Gesteine zu datieren. Eine weitere wichtige Methode ist die Kalium-Argon-Datierung. Das radioaktive Kalium-Isotop 40K besitzt eine Halbwertszeit von ungefähr 1,25 Milliarden Jahren und zerfällt auf zwei Wegen: zum größten Teil zu 40Ca und zu einem kleineren Teil zu 40Ar. Für die Datierung ist das im Mineral durch den Zerfall neu entstandene, also radiogene 40Ar entscheidend. Um den Argongehalt zu bestimmen, wird eine Mineral- oder Gesteinsprobe im Labor erhitzt oder aufgeschmolzen; das freigesetzte Argon kann anschließend massenspektrometrisch gemessen werden.

Wolfgang Gentner

Die Kalium-Argon-Methode wurde 1950 von Friedolf M. Smits und Wolfgang Gentner in einer frühen geochronologischen Anwendung auf tertiäre Kalisalze beschrieben. 1961 wurde die Methode berühmt für die Datierung der Fundhorizonte in der Olduvai-Schlucht im Norden Tansanias, die Louis und Mary Leakey erforscht hatten. Dabei datierte man nicht die Homininenknochen selbst, sondern die zugehörigen vulkanischen Schichten und konnte so das Alter der Fossilien eingrenzen.³⁷³⁸³⁹

Vor- und Nachteile der jeweiligen Disziplinen

Die Datierung von Fossilien ist eine komplexe Wissenschaft, die uns durch verschiedene, miteinander verknüpfte Methoden einen Einblick in die Erdgeschichte ermöglicht. Chronostratigraphie und Geochronologie bieten dabei jeweils ihre eigenen Vorteile und ergänzen sich.⁴⁰

Die Chronostratigraphie ermöglicht es, Fossilien anhand ihrer Lage und ihres stratigraphischen Zusammenhangs relativ einzuordnen. Paläontologen können dadurch oft schon am Fundort erkennen, ob ein Fossil älter oder jünger als andere Funde ist und welcher bekannten Schichtenfolge es angehört, ohne dafür zunächst eine aufwendige Laboranalyse durchführen zu müssen. Diese Bestimmung des relativen Alters ist besonders nützlich, wenn die Schichtenfolge gut erhalten und stratigraphisch gut untersucht ist.
Die Geochronologie wiederum kann mithilfe geeigneter Verfahren numerische Altersangaben in Jahren liefern. Radiometrische Datierungen bestimmen häufig das Alter von Mineralen oder Gesteinen; das Alter eines Fossils wird daraus oft indirekt über die fossilführende Schicht oder angrenzende datierbare Horizonte abgeleitet. So lassen sich wichtige Ereignisse wie die Kreide-Paläogen-Grenze sehr genau zeitlich einordnen. Allerdings sind solche Analysen zur Ermittlung des absoluten Alters aufwendig und die notwendigen Geräte ausgesprochen teuer!

Abweichungen

Dank der Fortschritte in der Geochronologie sind wir inzwischen in der Lage, Gesteine und damit auch Fossilien aus der Dinosaurierzeit erstaunlich genau zeitlich einzuordnen. Es gibt aber immer eine gewisse Restunsicherheit. Wie groß diese ist, hängt unter anderem davon ab, welche Methode, welche Geräte und welches Mineral verwendet werden, und auch, wie gut die Probe erhalten ist und wie genau und sorgfältig die Messung durchgeführt werden kann. Moderne radiometrische Methoden wie die Uran-Blei-Datierung oder die besonders präzise ^40Ar/^39Ar-Methode können unter günstigen Bedingungen bei Gesteinen aus der Dinosaurierzeit Werte mit einer Unsicherheit von nur einigen Zehntausend Jahren erreichen.⁴¹

Das klingt erst einmal natürlich immer noch nach sehr viel! Von uns aus gerechnet befanden wir uns vor 30.000 oder 40.000 Jahren schließlich noch mitten in der letzten Eiszeit, und vor etwa 40.000 Jahren lebten in Europa sogar noch Neandertaler und Mammuts! Wenn wir die Menschheitsgeschichte als Maßstab nehmen, sind einige Zehntausend Jahre also eine gewaltige Zeitspanne. Aus der Perspektive eines Geologen sieht das allerdings ganz anders aus: Das Mesozoikum endete schließlich schon vor 66.000.000 Jahren! Eine Unsicherheit von beispielsweise 40.000 Jahren entspräche bei einem solchen Alter gerade einmal etwa 0,06 Prozent. In den gewaltigen Dimensionen der Erdgeschichte ist das tatsächlich nur ein Wimpernschlag!

Die Radiokohlenstoffmethode kann bei wesentlich jüngeren Proben zeitlich sogar noch sehr viel feiner auflösen. Zwar muss das Messergebnis immer erst mithilfe von Kalibrationskurven in ein Kalenderalter umgerechnet werden, weil sich der Anteil von C14 in der Atmosphäre im Laufe der letzten Jahrhunderte leicht verändert hat.⁴²[/mfn] Zum Beispiel durch den sogenannten Suess-Effekt: So hat sich durch die Nutzung fossiler Brennstoffe der Anteil an C12 und C13 in der Atmosphäre deutlich erhöht und die C14-Konzentration dadurch verdünnt.⁴³ Bei gut erhaltenen Proben und günstigen Abschnitten dieser Kalibrationskurve können Altersangaben aber schon auf wenige Jahrhunderte oder auch nur Jahrzehnte eingegrenzt werden. Auch hier hängt die Genauigkeit der Datierung von der Probe, der Methode und den jeweiligen Messbedingungen ab.

Die Gliederung der Erdzeitalter

Um sich innerhalb der gewaltigen Zeiträume von vielen Millionen Jahren zu orientieren, haben Forscher die Erdgeschichte in zahlreiche Einheiten unterteilt. Diese Gliederung entwickelte sich vor allem aus der Stratigraphie, insbesondere aus der Bio- und Chronostratigraphie. Eigenschaften von Gesteinsschichten und natürlich das Vorkommen bestimmter Fossilien halfen dabei, Schichten zu unterscheiden und miteinander zu korrelieren. Chronostratigraphische Einheiten bezeichnen reale Gesteinskörper, während die entsprechenden geochronologischen Einheiten die zugehörigen Zeitabschnitte bezeichnen. Deshalb gibt es für die verschiedenen Rangstufen jeweils zwei eng zusammengehörige Begriffe:⁴⁴

Die größte Kategorie nennt man in der Chronostratigraphie Äonothem, in der Geochronologie Äon.
Die nächstgrößere Kategorie nennt man in der Chronostratigraphie Ärathem, in der Geochronologie Ära.
Danach folgt in der Chronostratigraphie das System, in der Geochronologie die Einheit Periode.
Ein System bzw. eine Periode umfasst in der Chronostratigraphie mehrere weitere Serien, in der Geochronologie nennt man sie Epochen.
Und die kleinste Kategorie heißt in der Chronostratigraphie Stufe, in der Geochronologie Alter.

Chronostratigraphie am Beispiel unserer „Lieblingszeit“

Von vielen solchen Erdzeitaltern, unabhängig davon, welchen Rang sie nun haben, hast du als Urzeitfan sicher schon einmal gehört. Die Kreidezeit etwa, also das Zeitalter, in dem Die weißen Steine spielt, ist in der Chronostratigraphie zum Beispiel ein System. Dieses System gehört zum größeren Ärathem des Mesozoikums, dem sogenannten Erdmittelalter, das außerdem die beiden Systeme Trias und Jura umfasst. Das Mesozoikum gehört, in der Mitte zwischen dem älteren Ärathem Paläozoikum und dem jüngeren Känozoikum liegend, wiederum zum Äonothem des Phanerozoikums, also dem „Zeitalter des sichtbaren Lebens“.

Doch auch die Kreidezeit ist wiederum in kleinere Abschnitte unterteilt. Das ist nur logisch, weil sie eines der längsten Systeme überhaupt ist. Trotzdem enthält sie, anders als etwa Jura und Trias, nur zwei untergeordnete Serien, nämlich die Unter- und die Oberkreide. Letztere ist natürlich wieder der Handlungsraum meiner Geschichte. Doch auch die Oberkreide dauerte sehr lange, nämlich rund 34,5 Millionen Jahre. Das ist mehr als halb so viel Zeit, wie seit dem Aussterben der Nicht-Vogel-Dinosaurier bis heute vergangen ist. Entsprechend umfasst die Oberkreide mehrere Stufen beziehungsweise geochronologische Alter. Das letzte heißt Maastrichtium und reicht ungefähr von 72 bis 66 Millionen Jahren vor heute. Meine Geschichte spielt am Ende des Maastrichtiums, in der Zeit von Tyrannosaurus, Triceratops und vielen anderen Superstars der Kreidezeit. Und diese berühmten Dinosaurier lebten alle nur in den letzten paar Millionen Jahren des gesamten Mesozoikums!⁴⁵

Hier noch ein kleiner Fun Fact: Cera und Scharfzahn aus „In einem Land vor unserer Zeit“ sind tatsächlich näher an uns im 21. Jahrhundert dran als an Littlefoot und Spike! Scharfzahn, unverkennbar ein Tyrannosaurus, und Cera, die ein Triceratops-Baby ist, hätten sich tatsächlich über den Weg laufen können. Beide Gattungen lebten am Ende der Kreidezeit in Nordamerika und sind unter anderem aus der berühmten Hell Creek Formation bekannt. Tyrannosaurus fraß große Dinosaurier seiner Umwelt; ob ein bestimmter Triceratops gejagt oder erst als Kadaver gefressen wurde, lässt sich natürlich nicht für jeden Fund sagen. Beide Gattungen gehörten jedenfalls zu den letzten Nicht-Vogel-Dinosauriern unmittelbar vor dem großen Massenaussterben an der Kreide-Paläogen-Grenze, das mit dem Chicxulub-Asteroideneinschlag zusammenhängt.⁴⁶⁴⁷⁴⁸

Littlefoot, ein kleiner Apatosaurus, und Spike, ein Stegosaurus-Jungtier, lebten aber schon viel, viel früher. Tatsächlich waren auch sie Zeit- und Lebensraumgenossen: Beide Gattungen sind aus der Morrison Formation in Nordamerika bekannt und lebten während des Oberjura vor ungefähr 150 Millionen Jahren. Das bedeutet: Die zeitliche Differenz zwischen Cera und Scharfzahn und unserer Zeit ist deutlich geringer als die zu Littlefoot und Spike. Dorthin blicken Cera und Scharfzahn mehr als 80 Millionen Jahre weit zurück. Tatsächlich hätten also auch sie bereits Fossilien von Dinosauriern aus der Morrison-Zeit finden können; auch für sie wären Littlefoot und Spike längst Relikte einer fernen Vergangenheit gewesen. Vielen Leuten ist gar nicht bewusst, was für gewaltige Zeiträume zwischen den einzelnen Abschnitten der Erdgeschichte liegen und wie lange Dinosaurier die Erde bewohnt haben.⁴⁹

Chronostratigraphie am Beispiel unserer heutigen Zeit

Wie komplex die Chronostratigraphie eigentlich ist, wird deutlich, wenn man sich die Zeitstrahlen einmal genauer anschaut. Beim Zeitstrahl oben ist dir sicher aufgefallen, dass die Abschnitte, die näher an unserer eigenen Zeit liegen, nur noch sehr kurz sind und ich sie meistens „umdrehen“ und die Schrift stark verkleinern musste, damit sie überhaupt noch in ihre jeweiligen Felder passen. In der oberen Grafik sind sie sogar so kurz, dass es gar nicht mehr möglich war, die Felder zu beschriften. Nur einige Hunderttausend oder gar Tausend Jahre sind in geologischen Maßstäben betrachtet nämlich ungeheuer wenig, mikroskopisch geradezu! Die folgende Grafik veranschaulicht, wie ich das meine: Hier sind – von oben nach unten – die kleineren Zeiteinheiten einmal im Kontext zum großen Ganzen zu sehen.

Die unglaubliche Geschichte der Zeitalter – Eine Erklärung

Der obere Strahl in der Grafik bildet die letzten vierzehntausend Jahre ab. Den größten Teil davon nimmt das Holozän ein, die geologische Epoche beziehungsweise chronostratigraphische Serie, in der wir uns auch heute noch befinden. Die Skala richtet sich hier nach unserer heutigen, christlichen Zeitrechnung: Jeder Strich stellt ein volles Jahrhundert dar und damit einen Zeitraum, der länger ist, als die meisten Menschen überhaupt alt werden können! Rechts befindest du dich somit im 21. Jahrhundert, also heute. Zwei Zehner-Blöcke weiter nach links sind wir schon in der Zeit um Christi Geburt. Ganz links erreichen wir schließlich das Pleistozän, die vorausgehende Epoche. In der ganzen hier gezeigten Zeitspanne endete die letzte große Vereisungsphase, die ersten Siedlungen und später auch Städte entstanden, die Steinzeit ging in die Metallzeiten über und auch unsere gesamten historischen Aufzeichnungen stammen aus dieser Zeit, vom alten Ägypten über die Antike, das Mittelalter und die Neuzeit bis in unser heutiges Atomzeitalter! Wir können auf diesem Zeitstrahl somit einen gewaltigen Teil der menschlichen Zivilisationsgeschichte verorten.

Doch wie unglaublich kurz diese Zeit insgesamt nur war, veranschaulicht schon der zweite Strahl, der das Quartär abbildet. Das Quartär ist unsere derzeitige Periode und begann vor etwa 2,6 Millionen Jahren, als die ersten großflächigen Vereisungen auf der Nordhalbkugel während der känozoischen Eiszeit begannen. Unsere frühesten Vorfahren der Gattung Homo waren zu dieser Zeit gerade erst aufgetreten, hatten bereits gelernt, aufrecht auf zwei Beinen zu laufen und schickten sich nun an, mithilfe von Werkzeugen und Feuern an die Spitze der Nahrungskette zu klettern. Fast die gesamte Geschichte der Gattung Homo ereignete sich im Quartär und somit im Verlauf des zweiten Zeitstrahls. Wir können aber nur darüber staunen, wie gering der Anteil der Zivilisationsgeschichte daran nur ist!⁵⁰⁵¹⁵²⁵³

Der nächste Strahl zeigt wieder sehr eindrucksvoll, wie kurz das Quartär im Verhältnis zum Phanerozoikum ist, dem Äon des sichtbaren Lebens. Vom Kambrium bis heute entfaltete sich darin der größte Teil der uns vertrauten Tier- und Pflanzenwelt. Leben gab es zwar schon lange zuvor, und bereits vor dem Phanerozoikum existierten Organismen, die man mit bloßem Auge hätte sehen können. Doch mit der kambrischen Radiation wird der Fossilbericht vieler Tiergruppen sehr viel reicher. Im Phanerozoikum erleben wir unter anderem die große Diversifizierung der Tiere, die Besiedlung des Landes durch Pflanzen und Wirbeltiere, das Zeitalter der Dinosaurier und später den Aufstieg der Säugetiere. Wir Menschen treten, wie die Markierung zeigt, erst ganz am Ende des Phanerozoikums auf, und das Holozän – unsere jetzige Epoche – erkennen wir auf diesem Strahl schon gar nicht mehr.⁵⁴⁵⁵

Der unterste Zeitstrahl zeigt schließlich das gesamte Alter der Erde. Und hier wird letztendlich deutlich, was für einen kurzen Teil davon das Phanerozoikum nur einnimmt. Würdest du das gesamte Alter der Erde im gleichen Maßstab wie beim ersten Strahl sehen wollen, wobei ein Zentimeter ein ganzes Jahrtausend ausmacht, so wäre dieser Zeitstrahl ganze 46 Kilometer lang! Mit bloßem Auge erkennbare Lebewesen würden dir aber erst auf den letzten 6 Kilometern begegnen. Nur ungefähr 26 Meter weit kannst du beobachten, wie wir Menschen uns entwickeln und allmählich die Welt besiedeln. Und die allerersten größeren Siedlungen sowie Ackerbau und Viehzucht begegnen dir erst auf den letzten 12 Zentimetern. So gewaltig sind die Zeiträume, in denen wir uns in der Urzeitforschung orientieren!⁵⁶⁵⁷

Quellenangaben:

1
Steno, N. (1669). De solido intra solidum naturaliter contento dissertationis prodromus. Ex typographia sub signo Stellae, Florenz. ↩︎
2
Hutton, J. (1788). Theory of the Earth; or an investigation of the laws observable in the composition, dissolution, and restoration of land upon the globe. Transactions of the Royal Society of Edinburgh, 1(2), 209–304. ↩︎
3
Lyell, C. (1830). Principles of Geology, Being an Attempt to Explain the Former Changes of the Earth’s Surface by Reference to Causes now in Operation. Band 1, John Murray, London. ↩︎
4
Smith, W. (1816). Strata Identified by Organized Fossils. W. Arding, London. doi:10.5962/bhl.title.106808 ↩︎
5
Benton, M. J. & Harper, D. A. T. (2020). Introduction to Paleobiology and the Fossil Record. 2. Auflage, Wiley-Blackwell, Hoboken. ↩︎
6
Benton, M. J. & Harper, D. A. T. (2020). Introduction to Paleobiology and the Fossil Record. 2. Auflage, Wiley-Blackwell, Hoboken. ↩︎
7
Cohen, K. M. et al. (2025). The ICS International Chronostratigraphic Chart this decade. Episodes, 48(1), 105–115. doi:10.18814/epiiugs/2025/025001 ↩︎
8
Reiners, P. W. et al. (2018). Geochronology and Thermochronology. Wiley-Blackwell, Chichester. doi:10.1002/9781118455876 ↩︎
9
Cohen, K. M. et al. (2025). The ICS International Chronostratigraphic Chart this decade. Episodes, 48(1), 105–115. doi:10.18814/epiiugs/2025/025001 ↩︎
10
Berggren, W. A. et al. (2006). Chronostratigraphy: Beyond the GSSP. GSA Today, 16(11), 22–24. ↩︎
11
Faure, G. & Mensing, D. (2005). Isotopes: Principles and Applications. 3. Auflage, J. Wiley & Sons. ↩︎
12
Mattinson, J. M. (2013). Revolution and evolution: 100 years of U-Pb geochronology. Elements, 9, 53–57. ↩︎
13
Geyh, M. A. (2005). Handbuch der physikalischen und chemischen Altersbestimmung. Wissenschaftliche Buchgesellschaft, Darmstadt. ↩︎
14
Reiners, P. W. et al. (2018). Geochronology and Thermochronology. Wiley-Blackwell, Chichester. doi:10.1002/9781118455876 ↩︎
15
Dickin, A. P. (2018). Radiogenic Isotope Geology. 3. Auflage, Cambridge University Press, Cambridge. doi:10.1017/9781316163009 ↩︎
16
Benton, M. J. & Harper, D. A. T. (2020). Introduction to Paleobiology and the Fossil Record. 2. Auflage, Wiley-Blackwell, Hoboken. ↩︎
17
Dickin, A. P. (2018). Radiogenic Isotope Geology. 3. Auflage, Cambridge University Press, Cambridge. doi:10.1017/9781316163009 ↩︎
18
Dickin, A. P. (2018). Radiogenic Isotope Geology. 3. Auflage, Cambridge University Press, Cambridge. doi:10.1017/9781316163009 ↩︎
19
Suess, H. E. (1955). Radiocarbon concentration in modern wood. Science, 122(3166), 415. doi:10.1126/science.122.3166.415-a ↩︎
20
de Vries, H. (1958). Variation in concentration of radiocarbon with time and location on earth. Proceedings of the Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen, Series B, 61(2), 94–102. ↩︎
21
Höckmann, O. (1987). Zur Problematik der Anwendung naturwissenschaftlicher Datierungsmethoden in der Archäologie. In Buchholz, H.-G. (Hg.), Ägäische Bronzezeit. Wissenschaftliche Buchgesellschaft, Darmstadt, 29–52. ↩︎
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