Mit der Expositionsdatierung lässt sich das Alter geologisch entstandenen Oberflächen bestimmen, etwa von Gletscherschliffen, Moränen, Flussterrassen, Bergstürzen oder Lavaflüssen. Voraussetzung ist, dass die Oberfläche seit ihrer Entstehung weitgehend stabil blieb und weder durch Erosion modifiziert noch durch zwischenzeitliche Bedeckung, etwa durch Schnee oder Bodenbildung, wesentlich vom Einfluss kosmischer Strahlung abgeschirmt wurde. Alternativ müssen Erosionsrate oder zwischenzeitliche Bedeckung durch unabhängige Beobachtungen bekannt sein. Ein gutes Verständnis der geomorphologischen Situation sowie eine sorgfältige Beprobung sind essentiell, da Fehler später analytisch nicht korrigiert werden können.

Geeignete Materialen sind unter anderem Quarz (¹⁰Be, ¹⁴C, ²¹Ne, ²⁶Al), Feldspat (³⁶Cl), Karbonate (³⁶Cl), Olivin & Pyroxen (³He, ²¹Ne), Basalt (³⁶Cl) und Zirkon (^78,81Kr). Der maximale Datierungszeitraum beträgt etwa drei Halbwertszeiten, also ca. 4.5 Ma für ¹⁰Be, 2.1 Ma für ²⁶Al und 900 ka für ³⁶Cl. Für stabile Edelgase (³He, ²¹Ne, ⁷⁸Kr) gibt es keinen solchen Maximalzeitraum; in geologisch außerordentlich stabilen Landschaften, etwa der Atacama-Wüste oder der Antarktis, können daher Expositionsalter von mehreren 10 Ma bestimmt werden.

Unterschiedliche Zerfallsraten kosmogener Radionuklide ermöglichen es zu bestimmen, wie lange ursprünglich exponierte Sedimente durch Bedeckung vor kosmischer Strahlung abgeschirmt waren, sofern das ursprüngliche Nuklidverhältnis bekannt ist. Typische Anwendungen sind z.B. eingespülte Höhlensedimente, Sedimente im unteren Teil einer mehr als 3 m mächtigen Ablagerung sowie klastische lakustrine Sedimente.

Für terrestrische Proben wird meist das Nuklidpaar ²⁶Al/¹⁰Be in Quarz verwendet, da dessen Produktionsratenverhältnis bekannt und in der Regel annähernd konstant ist. Der geeignete Altersbereich für ²⁶Al/¹⁰Be liegt bei 300 ka bis 4,5 Ma. Seit kurzem steht zudem das Nuklidpaar ⁸¹Kr/⁷⁸Kr in Zirkon für den Altersbereich von ca. 50 ka bis 1 Ma zur Verfügung.

Die Konzentration kosmogener Nuklide in Erdoberflächen hängt von ihrer Erosionsrate ab. Repräsentative Sedimente aus einem Einzugsgebiet können daher genutzt werden, um die mittlere Erosionsrate abzuschätzen. Voraussetzung ist, dass die Erosion langanhaltend und gleichförmig verläuft. Für diese Anwendung wird meist ¹⁰Be in Quarz verwendet.

„Langanhaltend“ beschreibt dabei den Zeitraum, der nötig ist, um mehr als 50 cm Gestein abzutragen.
„Gleichförmig“ bedeutet, dass die Erosionsrate über diesen Zeitraum weitgehend konstant bleibt.

Beryllium besitzt ein stabiles Isotop (⁹Be) und zwei kosmogene Radionuklide (⁷Be, T_1/2 = 53 Tage; ¹⁰Be, T_1/2 = 1.39 Ma). Aufgrund seiner langen Halbwertszeit, ist ¹⁰Be besonders gut für geologische Anwendungen im Quartär und Pliozän geeignet. Es wird in oberflächennahen Gesteinen und Mineralen vorwiegend durch Spallationsreaktionen an Sauerstoff gebildet.

Da ¹⁰Be auch in der Atmosphäre entsteht, ist die Trennung der atmosphärischen von der in-situ gebildeten Komponente bei der Probenaufbereitung zentral. Für in-situ-Anwendungen wird daher überwiegend Quarz als Targetmineral verwendet, da sich die atmosphärische Komponente aus anderen Mineralen nur schwer quantitativ entfernen lässt. Die atmosphärische Komponente, sogenanntes meteorisches ¹⁰Be kann wiederum zur Datierung feinkörniger Sedimente genutzt werden (ca. 1 bis- 14 Ma).

Beschreibungen der ¹⁰Be Probenaufbereitung und Messungen in Köln sowie Vergleiche zu anderen Laboren finden Sie in:

Neon besitzt drei stabile Isotope ²¹Ne, ²²Ne und ²⁰Ne, welche alle durch Spallationsreaktionen an Silizium, Magnesium und Aluminium gebildet werden. Zur Quantifizierung von Erdoberflächenprozessen wird die Konzentration des seltensten Ne-Isotops, ²¹Ne, bestimmt, das nur etwa 0.3% des atmosphärischen Neons ausmacht. Die simultane Messung von ²⁰Neund ²²Ne ermöglicht die genaue Bestimmung des kosmogen produzierten Anteils ²¹Ne_cos.

Als Targetmineral wird überwiegend Quarz verwendet, da er häufig, verwitterungsbeständig und chemisch einfach aufzubereiten ist; Silizium ist dabei das einzige Targetnuklid. Kosmogenes Neon eignet sich besonders für die Expositionsdatierung alter Oberflächen (>1 Ma). In Kombination mit ¹⁰Be kann ²¹Ne zudem für Bedeckungsalterdatierungen jenseits von 4,5 Ma genutzt werden.

Beschreibungen der ²¹Ne Probenaufbereitung und Messungen in Köln sowie Vergleiche mit anderen Laboren finden Sie in:

Aluminium besitzt ein stabiles Isotop (²⁷Al) und ein kosmogenes Radionuklid (²⁶Al, T_1/2 = 700 ka). In geologischen Anwendungen wird ²⁶Al häufig gemeinsam mit ¹⁰Be verwendet, da diese Kombination die Erkennung komplexer Expositionsgeschichten ermöglicht und die Grundlage der klassischen Bedeckungsalterdatierung bildet.

²⁶Al entsteht in oberflächennahen Silikaten hauptsächlich durch Spallationsreaktionen an Silizium. Eine nennenswerte Produktion in der Atmosphäre existiert nicht. Für die Messung wird fast ausschließlich Quarz verwendet, da hohe Gehalte an stabilem Aluminium (>100 ppm), wie sie in anderen Silikaten häufig vorkommen, die AMS-Analyse erschweren. Die Bestimmung der ²⁶Al-Konzentration erfordert zudem eine genaue Messung des stabilen ²⁷Al. 

Beschreibungen der ²⁶Al Messungen in Köln sowie Vergleiche mit anderen Laboren finden Sie in:

Chlor besitzt zwei stabile Isotope (³⁵Cl und ³⁷Cl) und ein kosmogenes Radionuklid (³⁶Cl, T_1/2 = 300 ka). ³⁶Cl wird in oberflächennahen Gesteinen und Mineralen vor allem durch Spallationsreaktionen an Kalzium und Kalium sowie an Eisen und Titan gebildet. In chlorhaltigen Proben spielt zusätzlich die Produktion durch thermische Neutronen eine wichtige Rolle.

Da der Fluss thermischer Neutronen empfindlich auf Umweltbedingungen wie Feuchtigkeit reagiert und dadurch schwer vorhersagbar ist, sollten Proben idealerweise weniger als 10-20 ppm stabiles Chlor enthalten. Ein besonderer Vorteil von ³⁶Cl ist, dass es als einziges kosmogenes Nuklid routinemäßig in Karbonaten gemessen werden kann. Bei der Probenaufbereitung ist neben der Entfernung chlorhaltiger Phasen durch Mineralseparation und chemische Laugung insbesondere die quantitative Entfernung von Schwefel wichtig, da ³⁶S eine Interferenz bei der AMS-Messung darstellt.

Beschreibungen der ³⁶Cl Probenaufbereitung und Messungen in Köln sowie Vergleiche mit anderen Laboren finden Sie in:

Krypton ist das einzige Edelgas, das sowohl stabile Isotope (⁷⁸Kr, ⁸⁰Kr, ⁸²Kr, ⁸³Kr, ⁸⁴Kr, ⁸⁶Kr) als auch Radioisotope (⁸¹Kr, T_½=229 ka, ⁸⁵Kr T_½=10,7 a) besitzt. ⁷⁸Kr ist neben seinen kosmogenen und atmosphärischen Komponenten frei von geochemischen Interferenzen und unterscheidet sich damit wesentlich von ³He oder ²¹Ne. Alle Krypton-Isotope werden durch Spallationsreaktionen an Rubidium, Strontium, Yttrium, Zirconium und Niob gebildet.

Die simultane Messung aller Krypton-Isotope ermöglicht die genaue Bestimmung des kosmogen Anteils ⁷⁸Kr_cos; ⁸¹Kr ist ausschließlich kosmogenen Ursprungs. Mögliche Targetminerale sind z.B. Zirkon, Xenotim und Columbit. Kosmogenes ⁷⁸Kr ermöglicht die Bestimmung von Paleoerosionsraten in Sedimenten jeden Alters. Das Nuklidpaar ⁸¹Kr/⁷⁸Kr eignet sich für Bedeckungsalterdatierungen zwischen ca. 50 ka und 1Ma. Die methodischen Grundlagen für terrestrische in-situ Anwendungen von kosmogenem Krypton wurden in Köln entwickelt.

Informationen zur Methodik, zur Krypton Probenaufbereitung und zu Messungen in Köln finden Sie in:

Zusammen mit anderen anthropogenen Radionukliden, wie z.B. ⁹⁰Sr und ¹³⁷Cs, wurde Plutonium bei den atmosphärischen Atombombentests der 1950er und frühen 60er Jahre freigesetzt und weltweit als Fallout abgelagert. Die Anwendung von Fallout Plutonium in der Bodenkunde ist im Wesentlichen mit der von ¹³⁷Cs vergleichbar, bietet jedoch Vorteile.

Plutonium wird bei Reaktorhavarien, z.B. Tschernobyl, nicht weiträumig verbreitet. Dadurch ist das Bomben-Fallout-Signal von Pu in Europa weitgehend unverfälscht erhalten, während dies für ¹³⁷Cs nicht gilt. Die beschleunigermassenspektrometrische Bestimmung der Pu-Isotopenhäufigkeiten ermöglicht zudem sowohl die Bestimmung der Pu-Quelle als auch die Analyse kleinster Probenmengen.

Beschreibungen der Plutonium-Probenaufbereitung und Messungen in Köln sowie Vergleiche mit anderen Laboren finden Sie in: