Bleiisotopenanalyse

Anwendung

Die Bleiisotopenverhältnisse können in verschiedenen Materialien (Metall, Glas, Keramik, Pigmente, etc.) einerseits zur Klassifikation und darüber hinaus zur Herkunftsbestimmung der Rohmaterialien eingesetzt werden. Als Beispiel sei die Fragestellung genannt, ob zwei Objekte aus demselben Material bestehen oder nicht. Bei einer Gruppe von Objekten kann geprüft werden, ob sie aus einheitlichem Material bestehen oder aus verschiedenen Materialien mit möglicherweise verschiedener Herkunft. Für die Herkunftsbestimmung ist es wichtig, eine präzise Fragestellung zu formulieren, denn ein vermuteter Herkunftsbezug zwischen Objekt und Lagerstätte kann eindeutig negativ beantwortet werden, wenn keine Übereinstimmung vorliegt. Die positive Zuordnung ist allerdings nicht zwingend, so lange nicht alle weiteren möglichen Herkunftsbereiche ausgeschlossen werden können. Deshalb ist der Vergleich mit einer Datenbank von Lagerstätten notwendig.

Die Sicherung von Qualität und Zuverlässigkeit unserer Analysen ist im ständigen Fokus unseres Labors. Daher führen wir bei jeder Messserie Kontrollanalysen an zertifizierten Standardmaterialien durch. Das wichtigste Referenzmaterial dafür ist SRM 981, ein Bleidraht, der von der American Society for Testing and Materials in Washington DC zertifiziert wurde und international zur Prüfung der Richtigkeit der Analysen verwendet wird.

Grundlagen

Die Isotopenzusammensetzung aller Elemente auf der Erde ist in erster Näherung überall gleich und unveränderbar. Bei leichten Elementen gibt es aber kleine Änderungen durch das unterschiedliche Verhalten der Isotope besonders bei diffusionskontrollierten Prozessen, wie z. B. Verdampfung und Kondensation. Bei schweren Elemente wie Blei sind die relativen Massenunterschiede für solche Effekte zu klein. Ausnahmen gibt es aber durch den radioaktiven Zerfall einiger Isotope. Für die Archäometallurgie hat sich besonders die Isotopenanalyse des Bleis für die Herkunftsbestimmung von Metallen bewährt. Ausschlaggebend dafür ist der radioaktive Zerfall von Uran und Thorium zu Blei. Dadurch werden drei der vier stabilen Bleiisotope ständig neu gebildet. Dieses Blei vermischt sich mit dem bereits vorhandenen, so dass sich die mittlere Isotopenzusammensetzung des Bleis seit der Bildung der Erde signifikant verändert hat und sich weiter laufend ändert.

Bei der Bildung einer Bleilagerstätte wird das Blei durch natürliche Prozesse von Uran und Thorium getrennt und es findet praktisch keine Änderung der Isotopenverhältnisse des Bleis mehr statt. Es hängt nun vom geologischen Alter und von der Zusammensetzung des Muttergesteins der Erzbildung ab, welche Bleiisotopenverhältnisse auf diese Weise fixiert werden. Jedenfalls sind sie meist in verschiedenen Lagerstätten unterschiedlich, was für Herkunftsuntersuchungen genutzt werden kann. Da die Bleiisotopenverhältnisse durch chemische Reaktionen nicht verändert werden können, sind diese auch unverändert in den daraus erzeugten Fertigprodukten zu finden, unabhängig von den Komplikationen, die die Zuordnung von Metallobjekten zu Lagerstätten aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung so schwierig machen, wie Aufbereitung, Verhüttung, Raffination und gegebenenfalls Korrosion. Deshalb können die Bleiisotopenverhältnisse als eine Art Fingerabdruck einer Lagerstätte angesehen werden, der – anders als die chemische Zusammensetzung – auf dem Weg von der Lagerstätte zum Fertigprodukt nicht verändert wird. Die Methode funktioniert auch für andere Metalle und Materialien. Voraussetzung ist allerdings, dass das Blei als Begleitelement zusammen mit dem in Frage stehenden Material aus derselben Lagerstätte stammt.

Grenzen

Die Voraussetzung für die Herkunftsbestimmung ist die Annahme, dass das Material von einer einzigen Lagerstätte stammt. Wenn Mischungen von Materialien aus verschiedenen Lagestätten stattgefunden haben, ist in der Regel deren Identifizierung nicht mehr möglich. Ebenso ist zu beachten, dass bei höheren Bleigehalten die Herkunft des (zugefügten) Bleis und nicht des Grundmaterials ermittelt wird. Die Entscheidung, ob Blei absichtlich zugefügt wurde oder nicht, hängt vom Material und von dem Erfahrungswert aus vielen tausend Analysen kulturhistorischer Objekte ab.

Probenbeschaffenheit

Die Probengröße hängt von der Bleikonzentration ab. Für die Messung werden ca. 100 ng Blei benötigt, so dass z.B. von einer Probe mit 0,1% Bleigehalt im Prinzip bereits 0,1 mg ausreichen. Im praktischen Betrieb verwenden wir aber meist 10 mg oder mehr. Bei Materialien mit sehr niedrigen Bleigehalten von 0,0001% (z.B. manche Minerale oder gediegen Kupfer) sind mehrere 100 mg nötig.