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19.08.2022

23.03.2022

Mit kosmogenen Nukliden in die Vergangenheit schauen

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Ein kleines Häufchen feinster weißer Quarzsand glitzert auf der Handfläche von Prof. Dr. Ralf Hetzel. Die Sandkörner erlauben ihm einen Blick in die Vergangenheit. Um genau zu sein, das kosmogene Nuklid Beryllium-10 (kurz: 10Be). Solche Nuklide entstehen durch das Einwirken kosmischer Strahlung im Festgestein.

"Sie helfen uns beispielsweise, die Erosionsraten und das Alter von Landschaftsformen auf der ganzen Welt zu bestimmen", erklärt Prof. Dr. Ralf Hetzel, Leiter der Arbeitsgruppe Endogene Geologie und Strukturgeologie des Instituts für Geologie und Paläontologie der WWU. Doch bis solche Aussagen getroffen werden können, ist es ein langer Weg.

Eine Landschaft, für die sich Ralf Hetzel besonders interessiert, ist das Tibet-Plateau in Zentralasien. Mit einer mittleren Höhe von 5.000 Metern und einem Durchmesser von etwa 1.500 Kilometern ist es das größte Hochplateau der Erde.

Die Landschaft bietet dem Betrachter eine atemberaubende Kulisse, die für diese Höhe sehr ungewöhnlich ist: Im Osten der Hochebene haben große Flüsse wie der Mekong und der Jangtse tiefe Schluchten gebildet. Über diesen steilen Tälern und Schluchten sind Relikte einer flachen Landschaft mit vielen großen Seen erhalten, deren Entstehung und Alter seit Langem umstritten sind.

Seit 2011 untersuchen Ralf Hetzel und sein Team mit Partnern aus China und den USA die Bildung und die Veränderung dieser flachen Landschaft. "Wir fanden heraus, dass die Landschaftsentwicklung sehr langsam abläuft. Mit fünf bis zehn Metern Erosion in einer Million Jahre erodiert die Tibet-Hochebene hundert Mal langsamer als zum Beispiel die Alpen", erklärt Ralf Hetzel.

Auch für die Entstehung und das Alter der Landschaft haben die Wissenschaftler inzwischen eine Erklärung: Die Bildung dieser sehr flachen Landschaft fand bereits vor der Indien-Asien-Kollision vor mehr als 50 Millionen Jahren statt. Erst danach wurde das Tibet-Plateau gehoben, das an seinem Südrand durch das Himalaya-Gebirge begrenzt wird. Mit anderen Worten: Das Gebiet, so wie sie heute existiert, gab es bereits vor 50 bis 60 Millionen Jahren, nur dass sie damals sehr viel tiefer lag als heute - nur etwa 1.000 Meter über dem Meeresspiegel.

Um das zu belegen, untersuchten die Wissenschaftler zunächst 50 bis 100 Millionen Jahre alte Sedimentgesteine, die in verschiedenen Sedimentbecken am Ostrand von Tibet aufgeschlossen sind. In einem mehrstufigen Verfahren zerkleinerten sie die Gesteinsproben zu einer Korngröße von 0,5 bis 0,25 Millimeter. Danach wuschen sie die Proben und bearbeiteten sie mit Säuren. "So können wir aus festen Gesteinsproben 99,999 Prozent reinen Quarz gewinnen, der für die weiteren Analysen notwendig ist", erklärt Ralf Hetzel das Vorgehen.

Dieser Quarz wurde anschließend in Säure aufgelöst und mit sogenannten Ionen-Austauschharzen gereinigt. Dadurch extrahierten die Forscher das kosmogene Nuklid 10Be. "Der große Vorteil ist, dass 10Be eine lange Halbwertszeit besitzt und nur sehr langsam zerfällt. Es dient daher als verlässlicher 'Zeitzeuge' zur Datierung alter Oberflächenformen oder zur Erfassung langsamer Prozesse", erläutert Ralf Hetzel. Um die Konzentration von 10Be in den Quarzproben zu bestimmen, kam ein sogenannter Beschleuniger-Massenspektrometer zum Einsatz.

Dass Experten heutzutage quantitative Angaben zum Alter und zur Erosionsgeschwindigkeit einer Landschaft oder zu Vulkanaktivitäten machen können, verdanken sie vor allem dem großen methodischen Fortschritt, der mit der Analyse der kosmogenen Nuklide kam. Die Vorarbeiten zu diesem Verfahren wurden bereits in den 1950er, -60er und -70er Jahren entwickelt; doch erst seit 20 Jahren boomt diese Methode weltweit. Ralf Hetzel zeigt sich begeistert über "die Revolution der geomorphologischen Forschung".

Weitere Untersuchungen im Gelände sollen die bisherigen Erkenntnisse vertiefen. "Wir sitzen auf gepackten Taschen. Doch die Corona-Pandemie macht eine Forschungsreise zurzeit fast unmöglich", bedauert Ralf Hetzel. Daher greift nun Plan B: Die Kollegen aus China schicken Gesteinsproben nach Münster, damit die Projekte und Analysen weiterlaufen können. Dennoch plant der Geologe in den kommenden Jahren, ein nicht ganz so weit entferntes Gebirge zu untersuchen: die Alpen. "Auch in dieser Region sind noch viele Fragen offen, die es zu beantworten gilt."

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Quelle: Universität Münster