Lumineszenzdatierung

Obwohl die erste Beobachtung einer Leuchterscheinung von erwärmtem Diamant im Jahr 1663 durch Robert Boyle veröffentlicht wurde, dauerte es noch bis in die zweite Hälfte des zwanzigsten Jahrhunderts, bis sich die Lumineszenz als Forschungsdisziplin etablierte, zunächst in der Strahlendosimetrie zur Überwachung von radioaktiv exponierten Personen und später auch für die Datierung in der Archäologie, zu verwenden.

Heute werden im Wesentliche zwei Methoden (Thermolumineszenz [TL] und der optisch stimulierten Lumineszenz [OSL]) angewandt und gehören mit der ¹⁴C-Datierung zu den Standardmethoden der Altersbestimmung für archäologische und geowissenschaftliche Fragestellungen.

Anwendung

Die zwei wichtigsten Anwendungsfelder der Lumineszenzdatierung sind die Altersbestimmung von Keramikobjekten oder anderweitig gebrannten Artefakten (z. B. Ziegel) einerseits sowie die Datierung von Sedimenten andererseits. Die Methode nutzt dazu das Phänomen, dass bei Erhitzen oder Belichten das Signal, das sich durch ionisierende Strahlung in einem Objekt oder auch einem Sediment aufgebaut hat, effektiv zurückgestellt wird und sich anschließend neu akkumuliert (Abb. 1).

Aus der Signalintensität kann die Strahlendosis bestimmt werden, der das Material ausgesetzt war. Die jährliche Dosisleistung aus der Probe selbst und ihrem Umfeld kann auf verschiedene Weise gemessen werden, so dass aus dem Verhältnis der akkumulierten Strahlendosis und der jährlichen Dosisleistung ein Alter berechnet werden kann. Für die Messung werden mehrere Arten der Stimulation zur Lumineszenz verwendet (Abb. 2).

In der Archäologie am bekanntesten ist die thermisch stimulierte Lumineszenz (TL), bei der das Leuchten der Probe während einer Erhitzung auf 500 °C gemessen wird. Alternativ und vor allem bei Sedimentproben verwendet, ist die optisch stimulierte Lumineszenz (OSL), bei der die Stimulation nicht thermisch sondern durch gezieltes Belichten mit Licht in einem ausgewählten Wellenlängenbereich erfolgt. Weitere, immer häufiger angewandte Methoden sind die Radiolumineszenz, bei der die Stimulation während der Bestrahlung mit einer ionisierenden Quelle stattfindet oder auch die ortsaufgelöste Lumineszenz, die eine Datierung einzelner Mineralkörner in ihrem ursprünglichen Verband erlaubt. Eine konkrete Auswahl der Methode erfolgt nach Untersuchungsobjekt bzw. -ziel und den mit jeder Methode verbundenen Anforderungen und Restriktionen. So dauert eine OSL bspw. häufig länger als etwa die TL Datierung einer Keramik.

Grundlagen

In natürlich vorkommenden Mineralen, wie z. B. Quarz oder Feldspat, die häufig Bestandteile gebrannter Keramik sind, wird über die Zeit Energie in Form von Strahlenschäden im Kristallgitter gespeichert (Abb. 3).

Diese Schäden werden durch die radioaktive Strahlung natürlich vorkommender instabiler Nuklide (²³²Th, ²³⁵U, ²³⁸U, ⁴⁰K) und durch die kosmische Strahlung verursacht. Einzelne Elektronen in den Mineralien werden aus ihrem ursprünglichen Energieniveau auf höhere Energieniveaus gehoben und dadurch diese zusätzliche Energie gespeichert. Erst durch Erhitzen oder Belichten werden die Elektronen aus eben diesen Energieniveaus wieder befreit und gehen unter Freisetzung der nun überschüssigen Energie in Form von sichtbarem Licht in ihren Ausgangszustand zurück. Die Intensität des emittierten Lichts wird gemessen. Bevor jedoch die Messung vorgenommen werden kann, muss eine Probe zunächst aufbereitet werden. Konkret bedeutet dies die Entfernung jeglichen Materials, das dem Sonnenlicht ausgesetzt war, da solches Material durch externe Einflüsse signaltechnisch auf Null gestellt wurde und somit für die Datierung unbrauchbar ist. Dementsprechend findet die Aufbereitung in Dunkellabors statt, wo anschließend auch – idealerweise unter Rotlicht – die Zerkleinerung der Probe und eine Siebung des Materials erfolgt. Routinemäßig werden bei den Proben auch organische Materialien und Kalk entfernt, bevor es nach einigen weiteren Schritten an die eigentliche Messung geht.

Diese kann entweder an einer sehr feinkörnigen, polymineralischen Probe von 4-11 μm Korngröße vorgenommen werden, bei der das Signal von Kalifeldspat dominiert, der bedeutend heller zu leuchten vermag als das Mineral Quarz. Oder man misst die extrahierten Quarzkörnchen von 100-200 μm, die signaltechnisch oft stabiler sind als Feldspat.

In beiden Fällen wird die Probe aufgeteilt und in Gruppen gemessen. Eine Möglichkeit ist die additive Messung (TL), bei der von einem Satz Teilproben das natürliche Signal gemessen wird, während weitere Teilproben mit unterschiedlichen, gut definierten Strahlungsdosen im Labor zusätzlich zum natürlichen Signal bestrahlt werden. Hier erhält man eine einzige Wachstumskurve, bei der jeder Messpunkt einer Teilprobe entspricht und zu einem Dosisergebnis führt. Die sogenannte regenerative Methode (TL; OSL) erlaubt eine Dosisbestimmung an jeder einzelnen Teilprobe selbst, indem nach Messung des natürlichen Signals jede Teilprobe allen zusätzlichen Bestrahlungs- und Messzyklen unterzogen wird, so dass man für jede Teilprobe eine Wachstumskurve und somit ein Dosisergebnis erhält. Beide Verfahrensweisen haben Vor- und Nachteile, die aber ggf. durch eine Kombination überwunden werden können.

Grenzen

Aufgrund der Vielzahl der Einflussfaktoren (z. B. Entstehung des analysierten Minerals, Feuchte der Probe über die Zeit, Radioaktivität der Probe und der Umgebung) unterliegen die Ergebnisse dieser Datierungsmethode zwangsläufig gewissen Fehlerquellen, die auch durch die regelmäßig vorgenommenen Maßnahmen (bspw. Ermittlung und Ausgleich eines eventuellen radioaktiven Ungleichgewichts in der Probe oder auch die besagte Kombination der Messmethoden) nicht komplett vermieden werden können. So geht man allgemein von Unsicherheiten von bis zu 10 % des ermittelten Alters aus, wobei die Beschaffenheit der zu untersuchenden Probe wie auch der Fundkontext von nicht zu unterschätzender Bedeutung sind. Unter optimalen Voraussetzungen ermöglicht die Methode Datierungen von bis zu 200.000 Jahren im Routinebereich und somit einzigartige Einblicke in die menschliche Frühgeschichte sowie erdgeschichtlich relevante Ereignisse.

Probenbeschaffenheit

Eine der wichtigsten Voraussetzungen ist, dass belichtetes Material vom unbelichteten Material getrennt werden kann. Die Proben können in Form von Pulver, als Fragment oder als Sand vorliegen.