SK-ZAG

In der Vergangenheit spielten Randbereiche wie die Kosmochemie häufig eine Vorreiterrolle dabei, neue analytische Verfahren zu entwickeln und anzuwenden. Das liegt daran, dass in der Kosmochemie meist nur kleine Probenmengen zur Verfügung stehen. Viele heute weit verbreitete Datierungsmethoden wurden zuerst an extraterrestrischen Proben entwickelt, zum Beispiel die Argon-Argon-Methode, die Samarium-Neodym-Methode oder die Rhenium-Osmium-Datierung. Im nächsten Jahrzehnt werden weitere innovative Methoden eine wichtige Rolle in den Geowissenschaften spielen.

Die Isotopengeochemie beschäftigt sich sowohl mit radiogenen als auch mit stabilen Isotopen. Radiogene Isotopensysteme wurden Mitte des letzten Jahrhunderts entdeckt und zunächst zur Datierung von irdischen Gesteinen oder Meteoriten verwendet. Seit den achtziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts verwendet man radiogene Isotope als so genannte Tracer, um die Vorgänge während der Entstehung des Sonnensystems oder magmatische, metamorphe oder marine Prozesse auf der Erde zu verstehen. Seit einigen Jahren interessieren sich Geowissenschaftler zunehmend dafür, auf welchen Zeitskalen magmatische, sedimentäre und ozeanographische Prozesse ablaufen. Solche Prozesse lassen sich zum Beispiel mit Uran-Zerfallsreihen datieren. Mit kurzlebigen Zerfallsreihen, bei denen die Isotope Halbwertszeiten von wenigen Millionen Jahren aufweisen, lassen sich Prozesse im frühen Sonnensystem zeitlich hochauflösen.

Die Geochemie der stabilen Isotope nutzt die Tatsache, dass physikalische und chemische Prozesse das Verhältnis zwischen den Isotopen eines chemischen Elements verändern können. Zu den relevanten Prozessen zählen zum Beispiel Verdampfungsvorgänge, Redoxreaktionen oder biogene Stoffkreisläufe. Traditionell beschränkte sich die Geochemie stabiler Isotope aus messtechnischen Gründen weitgehend auf die fünf leichten Elemente Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Schwefel. In den letzten Jahren erweiterte sich dieses analytische Spektrum beträchtlich. Heute schließt es „nicht traditionelle”, schwere Elementen mit ein, zum Beispiel Eisen, Kupfer, Zink, Molybdän und Thallium. Für viele Elemente gab es lange keine geeigneten Methoden, um das Verhältnis der stabilen Isotope genau genug zu bestimmen. Doch Ende der neunziger Jahre wurde die Multikollektor-Plasma-Massenspektrometrie (Multikollektor-ICPMS) entwickelt. Diese neue Methode erlaubte es erstmals, die Isotopenverhältnisse fast aller festen Elemente des Periodensystems hinreichend genau zu messen. Damit haben sich innerhalb kurzer Zeit zahlreiche neue, interdisziplinäre Anwendungen erschlossen.

Kosmogene Nuklide sind extrem seltene Isotope, die nur dann entstehen, wenn kosmische Strahlung mit anderen Atomkernen kollidiert, zum Beispiel in Meteoriten, in Teilchen der Erdatmosphäre oder in Mineralen der Erdoberfläche. Das kosmogene Nuklid Kohlenstoff-14 hat eine Halbwertszeit von 5300 Jahren, während die kosmogenen Nuklide wie Aluminium-26 oder Beryllium-10 haben Halbwertszeiten zwischen 0.7 und 1.4 Millionen Jahren haben und die Edelgase wie Neon-21 nicht zerfallen. Daher werden sie bereits seit einigen Jahrzehnten verwendet, um die Reisedauer von Meteoriten zu bestimmen. Ein weiteres wichtiges Anwendungsfeld besteht darin, die Freilegung von Gesteinsoberflächen zu datieren, nachdem sich etwa ein Gletscher zurückgezogen hat. Werden sie in Böden oder Flusssand gemessen, lassen sich Erosionsraten bestimmen. Beryllium-10-Messungen in Eisbohrkernen oder Sedimentsequenzen werden verwendet, um Veränderungen des Erdmagnetfeldes und der Sonnenaktivität in der Vergangenheit zu bestimmen und zu datieren. Radiokarbon-Messungen helfen dabei, die salz- und temperaturgetriebene Umwälzung der Ozeane besser zu verstehen. Mit Chlor-36 lassen sich fossile Grundwässer bis auf eine Million Jahre und vielleicht noch darüber hinaus datieren. Dabei wird die Beschleuniger-Massenspektrometrie eingesetzt, die so genannte AMS-Methodik.

Die Elektronenstrahl-Mikrosonde und die Ionensonde haben eine räumliche Auflösung bis in den Mikrometerbereich. Sie wurden in den sechziger und siebziger Jahren zuerst in der Kosmochemie eingesetzt. Dort dienten sie dazu, kleinräumige Strukturen in Meteoriten chemisch zu untersuchen. Heute findet insbesondere die Mikrosonde weite Anwendung in den Geowissenschaften, aber auch in der Industrie. Eine weitere wichtige Methode mit hoher räumlicher Auflösung ist die Laserablation. Dabei werden geringe Mengen eines Feststoffes mit einem Laserstrahl punktuell verdampft. Die verdampften Partikel werden anschließend in einem ICP-Massenspektrometer analysiert. Inzwischen ermöglichen es weiterentwickelte Methoden wie NanoSIMS oder Feldemissions-Mikrosonde, chemische Analysen mit einer Ortsauflösung im Nanometerbereich durchzuführen. Damit eröffnen sich vollkommen neue Arbeitsgebiete in der Kosmochemie, aber auch in der Klima- und Umweltforschung.

Die atomare Struktur von Festkörpern ist von Unregelmäßigkeiten und Fehlern geprägt. Diese Realstruktur zu kennen ist wichtig, um Festkörper umfassend zu verstehen und um die Prozesse zu rekonstruieren, die ein Mineral durchlaufen hat. Die Kristallstruktur und die chemische Zusammensetzung von Mineralen lässt sich mit Hilfe der Transmissionselektronenmikroskopie bis in den atomaren Bereich studieren. In den letzten Jahren hat man große instrumentelle Fortschritte in diesem Bereich erzielt. Dazu zählt zum einen die energiefilternde Transmissionsmikroskopie. Mit dieser Methode kann man nicht nur die Verteilung der Elemente kartieren, sondern auch die Verteilung von Wertigkeiten und Koordinationen der Elemente im Nanometer- bis Ångström-Maßstab abbilden. Eine weitere wichtige Entwicklung stellen die aberrations­korrigierten Transmissionselektronenmikroskope dar. Mit diesen Geräten kann man die atomare Struktur von Kristallen mit einer Genauigkeit von 0,5 Ångström auflösen. Das entspricht einem Zwanzigstel von einem Milliardstel Meter. Solche Geräte stehen in den Geowissenschaften bislang nicht zur Verfügung. Deshalb lassen sich wichtige Themenfelder wie die Studie von Nano­partikeln in der Umwelt nur begrenzt bearbeiten. Weitere innovative Geräte sind fokussierende Ionenstrahlmikroskope (FIB). Durch sie ist die Vorbereitung von Mineralen für Transmissionselektronenmikroskop-Messungen revolutioniert worden. Denn mit diesem Mikroskop lassen sich gezielt wenige Nanometer dicke Scheiben von Mineralen abschneiden. Auch hier gibt es noch erheblichen Nachholbedarf in den Geo­wissenschaften.

Auf der Basis der methodischen Fortschritte der letzten Jahre wird die Isotopen- und Spurenelementgeochemie in den nächsten Jahren eine wichtige und innovationstreibende Rolle in den Geowissenschaften spielen. Diese Technologie eröffnet eine Fülle von neuen Anwendungen, die die Geowissenschaften mit anderen Fachgebieten vernetzen, zum Beispiel mit der Atmosphärenforschung, der Biologie, der Bodenkunde, der Medizin und der Ozeanographie. Ein Beispiel dafür sind die „nicht traditionellen“ schweren, stabilen Isotope von wichtigen Nährstoffen wie Eisen, Kupfer und Zink. Diese Elemente sind wichtige Tracer für biologische Prozesse. Als Nebenprodukt können solche Isotopentracer zukünftig auch in der medizinischen Diagnostik als Ersatz radioaktiver Tracer zum Einsatz kommen. Weitere industrielle Anwendungsbereiche liegen in der Lebensmitteltechnologie. Dort können die Tracer Lebensmittel markieren oder Hinweise auf ihre Herkunft geben.

Dieses Forschungsfeld entwickelt sich zurzeit rasch. Derzeit steht nur das Leibniz-Labor der Christian-Albrechts-Universität Kiel für Messungen zur Verfügung. An der Universität Köln wird momentan ein Hochleistungs-Beschleunigungs-Massenspektrometer (AMS) aufgebaut. Ab 2011 wird dieses von der DFG finanzierte Gerät einsetzbar sein. Mit der AMS-Technik können Isotopenverhältnisse mit höchster Empfindlichkeit gemessen werden. Die Anlage in Köln ist für alle etablierten kosmogenen Isotope ausgelegt, also Kohlenstoff-14, Beryllium-10, Aluminium-26 und Chlor-36. Darüber hinaus hat sie das Potenzial, auch andere Nuklide zu analysieren, zum Beispiel Kalzium-41 oder Jod-129. Diese Isotope werden in Zukunft wahrscheinlich eine große Rolle spielen.

Weil sich die Analytik fortlaufend verfeinert und aufwändiger wird, wurden einige physikalische oder chemische Forschungseinrichtungen gegründet. Dazu zählen Einrichtungen wie das Hochdruck-Labor in Bayreuth oder eine Reihe von Zentrallaboratorien, die an einigen Universitäten als Hilfseinrichtungen für die Forschung betrieben werden. Diese sind den Geowissenschaften nur teilweise zuzurechnen. Für Forschungskooperationen sind sie aber von unschätzbarem Wert. Dazu gehört zum Beispiel das DESY in Hamburg oder die Neutronenquelle FRMII der TU München in Garching. Zukünftige Herausforderungen bestehen darin, die NanoSIMS-Methode in den Geowissenschaften zu etablieren und die Transmissionselektronenmikroskopie an geowissenschaftlichen Standorten auszubauen.