Stratigrafie

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Stratigrafie bzw. -graphie oder Schichtenkunde ist ein Teilgebiet der Geowissenschaften. Der Ausdruck Stratigrafie, gebildet aus dem lateinischen Stratum = Lager, Decke und Griechischen grápheïn = (be)schreiben bezeichnet die Untersuchung von Schichtungen und ihre zeitliche Zuordnung. Stratigrafische Analysen sind vor allem für die Geologie und Archäologie von Bedeutung und helfen bei der relativen oder absoluten Datierung von Ablagerungen und Formationen.

Inhaltsverzeichnis 1 Allgemeine Definition 2 Stratigrafie in der Geologie 3 Stratigrafie in der Archäologie 3.1 Forschungsgeschichte 3.2 Grabungstechnik 4 Methoden der relativen Altersbestimmung 5 Methoden der absoluten Altersbestimmung 5.1 Radiometrische Altersbestimmung 5.1.1 Radiokarbonmethode 5.2 Magnetische Datierung 5.3 Dendrochronologie 6 Literatur 7 Weblinks

Allgemeine Definition

Stratigrafie ist als Zweig der historischen Geologie die Grundlage zur Rekonstruktion der Entstehung der Erde. Ziel ist die Aufstellung einer Zeitskala zur Datierung der vergangenen geologischen Vorgänge auf der Erde (Murawski/Meyer, 1998).

Untersuchungen in der Stratigrafie laufen grundlegend in zwei Schritten ab: In einem analytischen Teil werden die Geländedaten erfasst und aufbereitet. Anschließend folgt die Interpretation dieser Daten in zahlreichen Unterdisziplinen, wie z.B. der Geochronologie, Paläogeografie oder der Archäometrie (Rey, 1991).

Die Geochronologie als Unterdisziplin beschäftigt sich zum Beispiel im Speziellen mit der Zeitmessung und Zeitbestimmung der erdgeschichtlichen Vergangenheit. Die Biostratigrafie hingegen untersucht vor allem die Entwicklung der fossilen Lebensformen in der Entwicklung der Erde. Für alle Unterdisziplinen aber gilt, dass sie ohne das Wissen der Nachbardisziplinen nicht auskommen, so dass selten klare und eindeutige Grenzen zwischen ihnen gezogen werden können (Franke, 1969).

Grundlage der Stratigrafie sind die Gesteine, die anhand organischer und anorganischer Merkmale und Inhalte nach ihrer zeitlichen Bildungsfolge geordnet werden (Murawski/Meyer, 1998).

Stratigrafie in der Geologie

Bei der Stratigrafie handelt es sich um Untersuchung, Betrachtung sowie zeitliche Bildungsfolge von Gesteinen mit all ihren anorganischen und organischen Merkmalen und Inhalten (z.B. Sedimenten und Fossilien). Im allgemeinen gilt, dass bei ungestörter Lagerung die tieferliegenden Gesteinsschichten älter sind als die höherliegenden. Das erkannte schon Nicolaus Steno im Jahre 1669. Dieser Sachverhalt wird auch als das "stratigrafische Grundgesetz" bezeichnet. Je nach dem wie die zeitliche Einordnung der Gesteine erfolgte, spricht man von Biostratigrafie (durch Fossilien, William Smith), Orthostratigrafie (durch Leitfossilien, Leopold von Buch), Lithostratigrafie (Vergleiche von Gesteinszusammensetzung) und Magnetostratigrafie. Zusätzliche Interpretationen finden durch weitere Unterdisziplinen Geochronologie, Paläogeografie und Archäometrie statt.

Somit ermöglicht die Stratigrafie das Erstellen einer Zeitskala zur Datierung von geologischen Ereignissen und Vorgängen.

Diese Einteilung und Datierung ist großteils nur relativ und wird durch Schichtlücken, Abtragungen und tektonische Bewegungen erschwert.
Erst die Entdeckung der Radioaktivität und die Entwicklung der radiometrischen Altersbestimmungen erlauben reelle zeitdimensionelle Vorstellung von geologischen Vorgängen und absolute Datierungen. Dabei sind die verschiedenen radiometrische Altersbestimmungen jeweils für bestimmte Zeitspannen tauglich. Die bekannte Kohlenstoffmethode C14-Methode ist z.B. nur für die jüngste geologische Vergangenheit (~ 70000 Jahre) verwendbar und wird hauptsächlich in der Archäologie zur Datierung eingesetzt.

In den 1960er Jahren entdeckte man, dass sich das Erdmagnetfeld mehr oder weniger regelmäßig im Abstand von einigen hunderttausend Jahren umpolt. Dies lässt eine weitreichende Datierung zu und führte zum Wissensgebiet des Paläomagnetismus und wichtigen Erkenntnissen für die Geophysik der Plattentektonik und Kontinentaldrift.

Siehe auch Geologische Zeitskala (Tabelle), Stratameter

Stratigrafie in der Archäologie

Als archäologische Stratigrafie bezeichnet man die bei Ausgrabungen die in einem vertikalen Schichtprofil feststellbare Abfolge von Straten, die durch natürliche Ablagerungen und anthropogene Baumaßnahmen (Aufschüttung, Graben, Schacht, Brunnen, Pfostenloch, Planierung, Verfüllung etc.) entstanden ist.

Die zeitliche Einordnung von in der Fläche ergrabenen Befunden kann durch das Verhältnis dieser Schichten zueinander relativ bestimmt werden als: älter / jünger / zeitgleich / keine direkte Beziehung. Voraussetzung ist eine wissenschaftlich durchgeführte Grabung mit entsprechender Dokumentation!

Hilfsmittel dabei sind unter anderem geologische Schichtanalysen samt C14-Datierung (siehe oben) oder andere naturwissenschaftliche Datierungsmethoden. Hinzu kommen in den einzelnen Straten gefundene Artefakte, wie z.B. Bruchstücke von Tongefäßen oder Holz, Pollenanalysen, Färbung der Erde und Brandschichten.

Forschungsgeschichte

Geologie

• 1839: Vortrag Boucher de Perthes in Paris: Datierung von Artefakten anhand einer geolog. Stratigrafie im Somme-Tal ins 'Diluvium'
• 1864: Erster Versuch einer vergleichenden Stratigrafie durch Lartet und Christy an paläolithischen Fundstellen im Périgord

Archäologie

• 1787: Beachtung von Schichten bei der Untersuchung eines indianischen Grabhügels in Virginia durch Thomas Jefferson
• 1871: Grabungsbeginn in Troia durch Heinrich Schliemann: Entstehung des Schliemanngrabens mit großem Profil (s. Grabungsmethodik)
• 1890: Untersuchungen von Flinders Petrie am Tell el-Hesi: Keramikchronologie anhand der Stratigrafie
• 1948: C. Schaeffer: komparative Stratigrafie (C.F.A. Schaeffer, Stratigraphie Comparée et Chronologie de l'Asie Occidentale, 1948)
• 1973: Theoretische Aufarbeitung durch Edward Harris (Harris-Matrix)

Grabungstechnik

Da die Stratigrafie für die Archäologie eine wesentliche Grundlage für die Rekonstruktion der Abfolge an einer Fundstelle ist, Grundlage der Chronologie somit, kommt einer Grabungstechnik besondere Bedeutung zu, die die stratigrafische Abfolge der Befunde und eine eindeutige Zuweisung der Funde ermöglicht. Prinzipiell werden in der Archäologie zwei verschiedene Grabungstechniken unterschieden (bei vielen Varianten in der Anlage der Schnitte und der Dokumentation):

• Grabung nach künstlichen Schichten (besser: nach willkürlichen Schichten): sog. Planagrabung. Die Grabung erfolgt in i.R. horizontalen Abträgen willkürlich festgelegter Stärke (z.B. 5 cm). Die Zuweisung der Funde erfolgt über Einzeleinmessung oder zu den Abträgen. Die Anlage von Profilen ist von zentraler Bedeutung.
• Grabung nach natürlichen Schichten (besser: nach evidenten Schichten): sog. Schichtengrabung. Hier wird mit dem jüngsten Befund beginnend Befund für Befund abgetragen. Dabei entstehen keine ebenen Grabungsflächen, doch ist die Zuweisung der Funde zum Befund eindeutig.

Auf dieser Grabungstechnik beruht auch die Harris-Matrix.

Methoden der relativen Altersbestimmung

Die relative Altersbestimmung war die erste Form der Datierung, die in der Geologie zur Rekonstruktion der Erdgeschichte herangezogen wurde. So wurde im 19. Jahrhundert mit den grundlegenden Prinzipien der horizontalen Ablagerung und dem Prinzip der Lagerungsfolge eine chronologische Reihenfolge erstellt. Die Probleme, die sich dabei ergaben, liegen in einer sinnvollen Einordnung bezüglich des Alters: Wie sich bereits beim Abschnitt über die Sedimente herausgestellt hat, können weder die Dicke der Schichten noch die Abfolge der Schichten Auskunft über die Dauer der Entstehung einer solchen Schicht geben. Hinzu kommen zeitliche Lücken, d.h. Schichten die vor der Ablagerung einer nächsten Schicht abgetragen wurden und so eine so genannte Schichtlücke bilden. Dies tritt zum Beispiel bei tektonischen Aktivitäten auf. Ein solchen Phänomen wird auch als Winkeldiskordanz bezeichnet: Mit der Gebirgsbildung setzt eine Abtragung ein, die zu einer Einebnung der Erdoberfläche führt. Anschließend lagern sich jüngere Sedimente auf der ehemaligen Abtragungsfläche ab.

Solche und weitere Störungen der Lagerungsverhältnisse erlauben eine zeitliche Einordnung der Deformations- und Intrusionsereignisse, da diese offensichtlich nach der Bildung der betroffenen Sedimentschichten eingetreten sind. So lassen sich diese Ereignisse in einen relativen Rahmen einordnen, der durch die stratigraphische Abfolge vorgegeben ist.

Im Zusammenhang mit der Entdeckung von Fossilien hat sich ein weiterer Zweig der Stratigrafie herausgebildet, die Biostratigrafie. So werden Fossilien zur relativen Datierung herangezogen, indem fossile Ablagerungen verglichen werden. Gleiche Fossiliengehalte ermöglichen eine Korrelation von Gesteinsformationen.

Auf diese Weise wurden stratigraphische Abfolgen mit den fossilen Ablagerungen kombiniert und alle Formationen miteinander korreliert. Dies ermöglichte eine erste für die ganze Erde anwendbare Zeitskala.

Auch die Unterteilung der Erdgeschichte in die verschiedenen Epochen wurde bereits aufgrund dieser relativen Datierungsmethoden vorgenommen. So ergibt sich nicht nur unser heutiges Bild von der Entstehung der Erdoberfläche, sondern auch von der Entstehung und Entwicklung der Pflanzen und Tiere. Um eine zeitliche Vorstellung der Epochen zu bekommen, reichen relative Datierungsmethoden jedoch nicht aus. Die Forscher des späten 18. und des 19. Jahrhunderts setzen erstmals die Vorstellung durch, dass die Erde nicht innerhalb weniger tausend Jahre entstanden ist. Doch auch sie konnten zunächst nur schätzen, in welchen Zeiträumen die Erde und das Leben auf ihr tatsächlich entstanden ist (Press/Siever, 1995).

Methoden der absoluten Altersbestimmung

Im 20. Jahrhundert ermöglichten neue Erkenntnisse in den Naturwissenschaften verläßliche Methoden für eine absolute Datierung der geologischen Zeiträume. Durch die Erforschung der chemischen und physikalischen Vorgänge in der Natur war man in der Lage, die Uhren der Natur zu erkennen und Methoden zu entwickeln, diese Uhren zu lesen.

Radiometrische Altersbestimmung

Die Entdeckung der Radioaktivität durch Henri Becquerel 1896 führte zur Erkenntnis, dass die Radioaktivität aus dem Zerfall von chemischen Elementen hervorgeht. 1905 wurde die Kenntnis über den radioaktiven Zerfall erstmals zu einer genauen Altersbestimmung eines Gesteins herangezogen. Radioaktive Elemente wie Uran oder Radium sind instabil. Atome von radioaktiven Isotopen (Atome eines Elementes mit gleichen chemischen Eigenschaften, die sich aber in der Atommasse unterscheiden) zerfallen innerhalb einer für jedes Isotop konstanten Zeit zu einem stabilen Endprodukt. Die Zeit, in der die Hälfte einer bestimmten Ausgangsmenge zerfällt, wird Halbwertzeit genannt. Das Ausgangsprodukt wird als Mutterisotop bezeichnet. Demzufolge ist das Zerfallsprodukt ein Tochterisotop. Für die so genannte radiometrische Altersbestimmung von Steinen kommen die Isotope in Frage, deren Halbwertszeit groß genug ist, um die Erdgeschichte abzudecken. Sobald also ein radioaktives Element entstanden ist, läuft der Zerfall nach gesetzlichen Regeln und ist somit wie eine radioaktive Uhr, die eine Bestimmung der Entstehungszeit erlaubt.

In Gesteinen sind dieser Anzeiger die Minerale, die Bestandteile der Gesteine sind und in denen während der Kristallisation radioaktive Elemente eingebaut werden. Bei der radiometrischen Altersbestimmung wird das Mengenverhältnis Mutter-/Tochterisotop in einem Mineral festgestellt. Das Ergebnis bedarf sorgfältiger geologischer Interpretationen, denn nur unter günstigen Bedingungen ist das radiometrische Alter der Mineralien gleich dem Alter der Gesteine.

Radiokarbonmethode

Radiokarbonmethode (C14-Methode): Ein wichtiges Isotop ist das Kohlenstoff 14 (14C für Carbon 14) mit einer Halbwertszeit von etwa 5730 Jahren. Im Unterschied zu anderen radioaktiven Elementen wie Uran oder Rubidium ist Kohlenstoff ein wichtiger Bestandteil von organischem Material, also Pflanzen und Tieren. Durch die kosmische Strahlung gelangt das im Gegensatz zum stabilen Kohlenstoff, der nur 12 Teilchen im Atomkern hat, radioaktive 14C Isotop auch in die Biosphäre und wird somit in Anteilen auch von Pflanzen aufgenommen. Bei der Untersuchung des Verhältnisses des Isotops 14C zum nicht radioaktiven 12C muss daher vom ursprünglichen Anteil an 14C in der Atmosphäre ausgegangen werden. Problematisch wird dies dadurch, dass in der Entwicklung der Erde schwankende 14C Anteile in den Atmosphäre vorhanden waren, so dass man heute diese Ergebnisse mit anderen absoluten Datierungsmethoden, wie der Dendrochronologie, zu eichen versucht.

Auch fossile Funde von Tieren und Menschen beinhalten 14C, das durch die Nahrungskette in die Organismen gelangt. So gelangt das radioaktive Isotop auch in die Knochen der Lebewesen und bleibt so erhalten. Daher können auch diese zur Bestimmung mit der 14C Methode herangezogen werden (Kastel, 1996).

Magnetische Datierung

Aus den sechziger Jahren des 20. Jahrhunderts stammt die Erkenntnis, dass das Magnetfeld der Erde mehrfach wechselnden Umpolungen unterlag. Durch die so genannte Kalium-Argon-Datierung, einer radiometrischen Datierungsform, erhielt man ein Bild über die Veränderungen des erdmagnetischen Feldes. Den Paläomagnetismus kann man sich auch für die Altersbestimmung von Gesteinen zunutze machen. In Gesteinen mit ferromagnetische Mineralien kommt es beim Abkühlen es zu einer Fixierung der Atome. Diese richten sich nach den magnetischen Feldlinien aus und verändern sich anschließend nicht mehr. Dies bezeichnet man als thermoremanenten Magnetismus, d.h. auch bei einer Veränderung des Magnetfeldes zeigen die Gesteine die alte Magnetfeldrichtung an. Auch kleinere Richtungsänderungen im Magnetfeld sind für eine Datierung von Nutzen (Franke, 1969).

Auch bei einigen Sedimenten kann eine Magnetisierung auftreten. Bei der Bildung von Sedimentschichten kann es zu einer dem Magnetfeld entsprechenden Ausrichtung der Verwitterungsprodukte kommen, die bei der Ablagerung bewahrt bleibt. Die chronologische Abfolge der Magnetfeldumkehrungen liefert also in Verbindung mit der thermoremanenten Magnetisierung einer Gesteinsfolge zuverlässige und weit zurückreichende Hinweise auf das stratigraphische Alter (Press/Siever, 1995).

Dendrochronologie

Die Dendrochronologie ist zurückzuführen auf die Jahresringe eines Baumes. So werden zunächst an einem gerade gefällten Baum die einzelnen Jahresringe von außen nach innen gezählt. Oft ist eine signifikante Breite der einzelnen Jahresringe festzustellen, die sich auf bestimmte gute bzw. schlechte Wachstumsbedingungen und somit die Umwelteinflüsse zurückführen lassen. Diese charakteristischen Ringbreiten ermöglichen dann die Anpassung und Parallelisierung dieser typischen Ringfolgen mit älteren Bäumen in einer Region. In Mitteleuropa ist man so durch Ausmessung und Auswertung zahlreicher Stämme bereits bei Baumringfolgen bis, die bis etwa 7600 v. Chr. zurückreichen. Die Dendrochronologie zählt zu den genauesten Datierungsmethoden, hat jedoch den Nachteil, einen aus geologischer Sicht nur sehr kleinen Zeitraum abzudecken.

Die Dendrochronologie wird auch benutzt, um den schwankenden 14C-Gehalt der Atmosphäre zu ermitteln und so die 14C-Methode zuverlässig zu eichen (Mommsen, 1986).

Siehe auch: geologische Zeitskala, Paläomagnetismus, botanische Zeitskala, Gräberfeld, Ringwall

Literatur

• Franke, H., 1969: Methoden der Geochronologie. Springer-Verlag.
• Landschaftsverband Rheinland, 1999: Pflanzenspuren. Archäobotanik im Rheinland: Agrarlandschaft und Nutzpflanzen im Wandel der Zeiten. Rheinland-Verlag.
• Mommsen, H., 1986: Archäometrie. Teubner Studienbücher.
• Murawski, H. und Meyer, W., 1998: Geologisches Wörterbuch. Ferdinand Enke Verlag.
• Press, F. und Siever, R., 1995: Allgemeine Geologie. Spektrum Akademischer Verlag.
• Rey, J., 1991: Geologische Altersbestimmung. Ferdinand Enke Verlag.
• Friedrich, M; Remmele, S; Kromer, B; Hofmann, J Spurk, M; Felix Kaiser, K; Orcel, Ch; Küppers, M, 2004: The 12,460-Year Hohenheim Oak and Pine Tree-Ring Chronology from Central Europe—a Unique Annual Record for Radiocarbon Calibration and Paleoenvironment Reconstructions Radiocarbon, Volume 46, Number 3, 2004, pp. 1111-1122(12).

Weblinks

• Sehr gutes Referat zum Thema
• http://mitglied.lycos.de/jurasubkom/alg/ber-schweigert-franz-2003.htm (Litho-Stratigrafie in der Schwäbischen Alb)
• http://www.geophysik.uni-muenchen.de/Institute/Teaching/WhatGeophysics/paleomagnetismus.htm (Paläomagnetik)
• http://strata.geol.sc.edu (Sehr gute englischsprachige Seite zum Thema Sequenzstratigrafie)
• http://www.archeoworld.de.tf/Ausgrabung3.htm - ausführliche Beschreibung der Stratigrafie in der Archäologie
• http://webmuseen.de/ - Kastel, G. (1996): Radiokohlenstoff-Methode.
• http://geo.uni-paderborn.de/seminare/geologie/geologie.htm - Runge, J. (1999): Einführung in die Geologie.