Radiokohlenstoff-Datierung
Die Radiokohlenstoffdatierung (14C-Datierung) dient der Altersbestimmung organischer Materialien und karbonathaltiger Proben und wird in zahlreichen Disziplinen eingesetzt, darunter Archäologie, Quartärforschung, Bodenkunde, Geologie, Paläoklimaforschung und Umweltwissenschaften. Die Methode eignet sich für Proben mit einem Alter von bis zu etwa 50.000 Jahren. Am CologneAMS ↗ werden 14C-Proben mittels Beschleuniger-Massenspektrometrie (AMS) gemessen. Im Rahmen der vorhandenen Kapazitäten bietet die Arbeitsgruppe für Organische Geochemie & Radiokohlenstoffdatierung ↗ auch Messungen für auswärtiger Nutzerinnen und Nutzer an. Die Bearbeitungszeit beträgt derzeit etwa 3 bis 5 Monate ab Probeneingang. Verkürzte Bearbeitungszeiten für kleinere Probenmengen sind nach vorheriger Absprache möglich.
Leistungen | Probenarten | Aufbereitung & Auswertung | Externe Nutzerinnen & Nutzer | Grundprinzip der 14C-Methode | Literatur
Leistungen
Standardleistungen
- Probenaufbereitung
- Messung am CologneAMS
- Umrechnung und Kalibrierung der Messwerte
Optionale Sonderleistungen
- Fotografische Dokumentation der Proben/Probenaufbereitung
- Ausführlicher Datierungsbericht
Probenarten
Am Cologne AMS werden routinemäßig unterschiedlichste Materialien für die 14C-Analyse präpariert. Dazu zählen insbesondere:
Bitte senden Sie ihre Proben nach Möglichkeit analysefertig ein. Zu datierendes Material sollte vorab sorgfältig selektiert und von nicht zu datierenden Bestandteilen sowie sichtbaren Kontaminationen, wie Fasern oder anhaftenden Partikeln, befreit werden. Um Bakterien- oder Algenwachstum vorzubeugen, sollten die Proben anschließend bei niedriger Temperatur (ca. 50 °C) getrocknet werden.
Bitte bearbeiten und verpacken Sie die Proben in einer möglichst staubarmen Umgebung, z.B. unter einem Abzug und verwenden Sie saubere, eindeutig beschriftete Probenbehälter wie Ziplock-Tüten, Gläschen oder Kunststoffgefäße. Verwenden Sie keine Alufolie und keine Behälter aus Pappe, da diese zu Kontaminationen führen können. Die Beschriftung der Probenbehälter muss mit den Angaben im Einsendeformular übereinstimmen.
Sind zusätzliche Selektions- oder Aufbereitungsschritte erforderlich, können Mehrkosten entstehen.
Probenpräpapration und Auswertung
Vor der Messung werden die Proben je nach Materialtyp spezifisch aufbereitet, um Kontaminationen zu entfernen und den für die Radiokohlenstoffdatierung geeigneten Kohlenstoff zu isolieren.
Organisches Material
Organische Proben werden zunächst unter dem Mikroskop gesichtet, um Kontaminationen zu entfernen. Die meisten Materialien, darunter marine und lakustrine Sedimente, Holzkohle und Pflanzenreste, werden anschließend mit einer Standard-Säure-Lauge-Säure-Extraktionen (AAA/ABA) behandelt. Ziel dieser Vorbehandlung ist es, anorganischen Kohlenstoff sowie Huminstoffe zu entfernen, die aus anderen Tiefenabschnitten eingetragen worden sein und das Datierungsergebnis verfälschen könnten.
Nach der Standard-AAA-Methode wird die Probe zunächst mit verdünnter Salzsäure (HCl) behandelt, um Karbonate zu lösen. Bei karbonatreichen Proben kann dieser Schritt mehrfach wiederholt werden, bis keine Reaktion mehr auftritt. Anschließend werden die Rückstände gründlich mit Milli-Q-Wasser (Reinstwasser) gewaschen, um Säurereste zu entfernen.
Danach erfolgt die Behandlung mit verdünnter Natronlauge (NaOH), wodurch Huminsäuren aus der Probe gelöst werden. Falls diese separat analysiert werden sollen, wird die Lösung abgetrennt und die gelösten Huminsäuren werden mit konzentrierter HCl ausgefällt. Bei sehr kleinen Proben wird mit verkürzter Extraktionszeit und ohne Laugenschritt gearbeitet.
Der säure- und laugenunlösliche Rückstand (Huminstoff) wird anschließend erneut mit HCl behandelt, um CO2 zu entfernen, welches sich während der Laugenextraktion aus der Atmosphäre angelagert haben könnte. Abschließend werden die Huminstoffe erneut mit Milli-Q Wasser gewaschen und anschließend getrocknet.
Knochen
Knochenproben werden zunächst mechanisch gereinigt und bei organischer Kontamination zusätzlich mit organischen Lösungsmitteln behandelt. Derzeit verwenden wir eine Kollagenextraktionsmethode ohne Ultrafiltration, da die Entfernung der Glycerinschicht auf den Filtern schwierig ist und das Probenmaterial kontaminieren könnte.
Anschließend erfolgt die Dekalzifizierung mit verdünnter Salzsäure. Danach wird das Material im leicht sauren Milieu bei etwa pH 3 und 60 °C zu Gelatine umgesetzt. Die Kollagenfraktion wird daraufhin heiß durch Glasfaserfilter filtriert, gefriergetrocknet und für die Radiokohlenstoffdatierung verwendet.
Karbonate
Karbonatproben werden zunächst mechanisch von sichtbaren Oberflächenkontaminationen befreit und anschließend im Ultraschallbad mit Milli-Q-Wasser gereinigt. Nach einer Anätzung mit verdünnter Säure wird die Probe mit Milli-Q-Wasser gespült um die oberste Schicht zu entfernen. Nach der Trocknung wird die Probe zerkleinert und in ein geschlossenes Reaktionsgefäß überführt. Dort wird unter Argon mit 85%iger Phosphorsäure bei 75 °C über 6 Stunden CO₂ freigesetzt. Das CO₂ wird anschließend im Hydrolysesystem mit Argon zur Graphitisierungseinheit geleitet.
Umrechnung und Kalibrierung der Messwerte
Die Datierungsergebnisse werden tabellarisch als 14C-Konzentrationen und konventionelle Radiokohlenstoffalter in „Jahren vor heute“ (years before present, BP) mit jeweils 1-Sigma-Messunsicherheit angegeben. Bei konventionellen Radiokohlenstoffaltern dient das Jahr 1950 als Bezugspunkt. Zur besseren Vergleichbarkeit werden die 14C-Gehalte zudem auf definierte 13C-Werte normiert, um Unterschiede durch Isotopenfraktionierung auszugleichen.
Das Radiokohlenstoffalter entspricht jedoch nicht unmittelbar einem Kalenderalter, da der atmosphärische 14C-Gehalt im Laufe der Zeit natürlichen Schwankungen unterlag. Zusätzlich können bei marinen und lakustrinen Proben Reservoir-Effekte auftreten, die durch den verzögerten Kohlenstoffaustausch zwischen Atmosphäre und Ozean bzw. See sowie durch Zirkulationsprozesse verursacht werden.
Daher werden die Rohalter mithilfe von Kalibrationskurven in Kalenderalter umgerechnet und als cal BP bzw. cal BC/AD graphisch dargestellt. In bestimmten Zeitabschnitten, in denen starke Schwankungen der atmosphärischen 14C-Produktion bzw. -Konzentration auftraten, ist keine oder nur eine eingeschränkte Altersbestimmung möglich.
Bei relativ jungen Proben im Alter von wenigen tausend Jahren und mit etwa 1 mg Kohlenstoff nach der chemischen Aufbereitung liegt die Messunsicherheit in der Regel bei etwa ± 30–40 Jahren. Mit zunehmendem Probenalter und abnehmender Probengröße nimmt die Messunsicherheit zu.
Externe Nutzerinnen und Nutzer
Die Arbeitsgruppe Organische Geochemie & Radiokohlenstoffdatierung ↗ betreut im Rahmen der CologneAMS auch externe Nutzerinnen und Nutzer. Für eine individuelle Beratung und Preisauskunft kontaktieren Sie bitte Barbara Bock (PhD). Sollten dennoch Fragen aufkommen, wenden Sie sich bitte an Prof. Dr. Janet Rethemeyer.
Beratung und Probenannahme
Barbara Bock, PhD
+49 221 470 91044
bbock(at)uni-koeln.de
Leitung der Arbeitsgruppe Organische Geochemie & Radiokohlenstoffdatierung
Prof. Dr. Janet Rethemeyer
+49 221 470 7317
janet.rethemeyer(at)uni-koeln.de
Proben einsenden
Bitte beachten Sie vor dem Versand die folgenden Schritte:
1. Tragen Sie alle Proben vollständig in das Einsendeformular ein.
2. Stellen Sie sicher, dass die Probenbeschriftung gut leserlich und sicher am jeweiligen Probenbehälter angebracht ist, um Verzögerungen und Verwechslungen zu vermeiden.
3. Kontrollieren Sie, dass die Beschriftung der Probenbehälter mit den Angaben im Einsendeformular übereinstimmt.
4. Senden Sie das ausgefüllte Formular per E-Mail an unser Sekretariat unter bbock(at)uni-koeln(dot)de und legen Sie den Proben zusätzlich einen Ausdruck des Einsendeformulars bei.
5. Adressieren Sie die Sendung wie folgt:
Prof. Dr. J. Rethemeyer
Institut für Geologie und Mineralogie
Zülpicher Str. 49b
50674 Köln
Grundprinzip der Radiokohlenstoffmethode
Es existieren drei natürliche Isotope des Kohlenstoffs. Die beiden häufigsten sind die stabilen Isotope 12C mit 98,89% und 13C mit 1,11%, während das radioaktive Isotop 14C in nur sehr geringen Mengen auftritt, mit etwa 1,176 x 10-12 Atome pro 12C Atom.
14C entsteht hauptsächlich in der Stratosphäre in etwa 15 - 50 km Höhe durch die Wechselwirkung von Neutronen der kosmischen Strahlung mit Stickstoffatomen (14N). Bei dieser Reaktion wird ein Neutron eingefangen und ein Proton abgespalten. Das entstandene 14C wird rasch zu 14CO2 oxidiert und gelangt anschließend über Photosynthese in Pflanzen und ferner über heterotrophe Organismen in die Nahrungskette.
Durch Austauschprozesse zwischen Atmosphäre, Biosphäre und Hydrosphäre stellt sich in Organismen ein dynamisches Gleichgewicht zwischen 14C-Aufnahme und Zerfall ein. Die Austauschraten zwischen den einzelnen Kohlenstoffreservoiren variieren jedoch stark und hängen von den jeweiligen Umsatzraten ab.
Mit dem Tod des Organismus endet dieser Austausch mit der Umwelt. Ab diesem Zeitpunkt wird kein neues 14C mehr aufgenommen und die Konzentration nimmt infolge des radioaktiven Zerfalls kontinuierlich ab. Aufgrund der bekannten Halbwertszeit von 5.730 ± 40 Jahren (Godwin, 1962), kann aus der aktuellen 14C-Konzentration berechnet werden, wie viel Zeit seit dem Tod des Organismus vergangen ist.
Nach etwa 10 Halbwertszeiten, also nach rund 57.000 Jahren, ist das in der Probe enthaltene 14C so weit zerfallen, dass keine exakte Datierung mehr möglich ist. Auch die Datierung sehr junger Proben, etwa rezenter Böden oder Bodenhorizonte, ist häufig nicht sinnvoll, da diese noch im aktiven Austausch mit der Atmosphäre stehen und daher noch keine Abnahme der 14C-Konzentration zeigen.
Die Messergebnisse werden zunächst als Rohalter in „Jahren vor heute“ (years before present, BP) angegeben, wobei das Jahr 1950 als Bezugspunkt dient. Da der atmosphärische 14C-Gehalt im Laufe der Zeit natürlichen Schwankungen unterlag, entsprechen diese Rohalter nicht unmittelbar Kalenderaltern, sondern müssen für die Interpretation mithilfe geeigneter Kalibrationskurven umgerechnet werden. Bei marinen und lakustrinen Proben können zusätzlich Reservoir-Effekte auftreten, die bei der Interpretation berücksichtigt werden müssen.
Weiterführende Literatur
Probenpräparation für 14C-Analysen
- Fülöp, R.-H., Heinze, S., John, S. & Rethemeyer, J. (2013). Ultrafiltration of bone samples is neither the problem nor the solution. Radiocarbon, 55, 491–500. DOI: 10.1017/S0033822200057623.
- Rethemeyer, J., Dewald, A., Fülöp, R., Hajdas, I., Höfle, S., Patt, U., Stapper, B. & Wacker, L. (2013). Status report on sample preparation facilities for ¹⁴C analysis at the new CologneAMS centre. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B, 294, 168–172. DOI: 10.1016/j.nimb.2012.02.012.
- Wacker, L., Fülöp, R., Hajdas, I., Molnár, M. & Rethemeyer, J. (2013). A novel approach to process carbonate samples for radiocarbon measurement. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B, 294, 214–217. DOI: 10.1016/j.nimb.2012.08.030.
Molekülspezifische 14C-Anwendungen
- Kusch, S., Rethemeyer, J., Schefuß, E. & Mollenhauer, G. (2010). Controls on the age of vascular plant biomarkers in Black Sea sediments. Geochimica et Cosmochimica Acta, 74, 7031–7047. DOI: 10.1016/j.gca.2010.09.005.
- Mollenhauer, G. & Rethemeyer, J. (2009). Compound-specific radiocarbon analysis – analytical challenges and applications. Earth and Environmental Science, 5, 1–9. DOI: 10.1088/1755-1307/5/1/012006.
- Rethemeyer, J., Kramer, C., Gleixner, G., John, B., Yamashita, T., Flessa, H., Andersen, N., Nadeau, M.-J. & Grootes, P. M. (2005). Radiocarbon analysis of functional-defined and molecular organic matter fractions from agricultural soil profiles. Geoderma, 128, 94–105. DOI: 10.1016/j.geoderma.2004.12.017.
- Rethemeyer, J., Kramer, C., Gleixner, G., Wiesenberg, G. L. B., Schwark, L., Andersen, N., Nadeau, M.-J. & Grootes, P. M. (2004). Complexity of soil organic matter: AMS ¹⁴C analysis of soil lipid fractions and individual compounds. Radiocarbon, 46, 465–473. DOI: 10.1017/S0033822200039771.