Lumineszenzlabor
Das Heidelberger Lumineszenzlabor wurde im Sommer 2007 von der ehemaligen Forschungsstelle Archäometrie der Heidelberger Akademie der Wissenschaften in die Trägerschaft der Universität Heidelberg überführt. Das Labor dient der optischen Datierung von Sedimenten und Gesteinsoberflächen sowie der wissenschaftlichen und technologischen Weiterentwicklung der Methode der optisch stimulierten Lumineszenzdatierung. Das Lumineszenzlabor ist durch die Universität Heidelberg mit den Stellen einer Laborleiterin (Dr. Annette Kadereit) und einer Technikerin (Felizitas Wolf) ausgestattet.
Die Lumineszenzdatierung zählt zu den dosimetrischen Datierungstechniken. Bei diesen macht man sich die natürliche Radioaktivität der Umgebung quasi als Uhrwerk zu Nutze. Angetrieben wird damit eine Uhr in geomorphologischen Sedimenten oder vergleichbaren Archiven, anhand derer landschaftsformende oder auch archäologische o.ä. Ereignisse der Vergangenheit beispielsweise in den Disziplinen Geomorphologie, Geoarchäologie oder Archäometrie rekonstruiert werden.
Abb. 1: Ionisierende Strahlung im Boden
Als Uhr genutzt werden vor allem mehr oder minder ubiquitär an der Erdoberfläche vorkommende Quarz- und Feldspatminerale. In den Sedimentarchiven vorhandene Radionuklide (v.a. 40K, 87Rb) und radioaktive Zerfallsreihen (v.a. von 238U, 235U und 232Th) emittieren beim spontanen Kernzerfall ionisierende Strahlung, die auf die Kristallgitter der Quarz- und Feldspatminerale einwirkt und dort zu messbaren Strahlenschäden führt (Abb. 1). Elektronen werden aus ihrem Verband gerissen und in metastabilen Zuständen gefangen und zwischengespeichert (Abb. 2, oben). Je höher die Anzahl der eingefangenen Elektronen ist, umso länger dauerte auch die zum Füllen der Elektronenfallen verstrichene Zeit.
Abb. 2: Auffüllen und Entleeren von OSL-Fallen im Energiebändermodell
Abgelesen werden kann die Uhr mittels Lumineszenztechniken. Durch Energiezufuhr werden die Elektronen aus ihren metastabilen Zuständen befreit und rekombinieren unter Aussendung eines kalten Leuchtens, dem sog. Lumineszenzsignals (Abb. 2, unten). Je nach Art der zugeführten Energie, ob thermisch oder optisch, spricht man von thermisch-induzierter Lumineszenz (TL) oder optisch stimulierter Lumineszenz (OSL). Weitere Differenzierungen nach der Art der stimulierenden Wellenlänge, ob im nahen Infrarot (IRSL), oder im sichtbaren Bereich, z.B. mit blauem Licht (BLSL), sind möglich. Die Stärke des Lumineszenzsignals ist an die Menge der über den Datierungszeitraum eingefangenen Elektronen und diese an die Dauer der verstrichenen Zeit gebunden, weshalb man mittels Lumineszenztechnik datieren kann. Grundsätzlich gilt, je stärker das Lumineszenzsignal umso älter eine Probe. Das Verhältnis der vom Kristall empfangenen Energie, die in Kilojoule pro Kilogramm (kJ/kg) oder Gray (Gy) ausgedrückt wird, zur Höhe des Lumineszenzsignals muss für jede Probe individuell bestimmt oder kalibriert werden. Hierzu dienen so genannte Wachstumskurven, bei denen die Höhe des Lumineszenzsignals gegen im Labor applizierte Dosen aufgetragen wird (Abb. 3). Zur Altersbestimmung muss natürlich auch noch die Stärke der ionisierenden Strahlung in der Zeiteinheit bekannt sein, die sog. Dosisleistung (Gy/ka).
Damit kann das Alter nach der vereinfachten Altersgleichung
Alter [a] = Dosis [Gy] ⁄ Dosisleistung [Gy ⁄ a]
berechnet und eine Probe datiert werden.
Abb. 3: Additive (links) und regenerative (rechts) Wachstumskurven
Projekt-Kooperationen (Auswahl)
Das Heidelberger Lumineszenzlabor kooperiert in zahlreichen Projekten, in denen die Datierungsmethode dazu eingesetzt wird, ein zeitliches Gerüst für die beobachteten - und durch Klimawechsel oder menschliches Einwirken bedingten - Landschaftsveränderungen zu erstellen. Als Archive zur Rekonstruktion der Landschaftsgeschichte dienen dabei zumeist äolische, fluviale oder kolluviale Sedimente. Die Sedimentarchive als Schlüssel zum Verständnis der Vergangenheit spielen bei geomorphologisch oder geoarchäologisch ausgerichteten Projekten die wesentliche Rolle (Beispiele 2-7). Bei stärker archäometrisch orientierten Fragestellungen werden auch vom Menschen errichtete oder bearbeitete Bauwerke analysiert (Beispiel 1). In allen Fällen geht man davon aus, dass die Lumineszenzuhr zum Datierungszeitpunkt durch Lichteinwirkung auf Null gesetzt wurde und infolge anschließenden Lichtabschlusses seither erneut läuft.
Projekt des Deutschen Archäologischen Instituts (DAI):
Aqaba, Jordanien - Tall Hujayrat al-Ghuzlan
Leitung:
Prof. Dr. phil. Ricardo Eichmann, PD Dr. Klaus Schmidt
Sachbeihilfefinanzierung:
DFG (2005 - 2007)
Antragsteller:
Prof. Dr. phil. Ricardo Eichmann (DAI, Berlin), PD Dr. Klaus Schmidt (DAI, Berlin), Prof. Matthias Grottker (FH Lübeck)
Teilprojekt:
Lumineszenzdatierung an den Bewässerungsanlagen des Tall Hujayrat al Ghuzlan (10.2006-09.2007)
Beteiligte:
Dipl.-Arch. C. Rhodius (Bearbeiterin)
Dr. Annette Kadereit, Prof. Dr. Bernhard Eitel (Betreuung)
Aqaba-Abb. 1: Luftbildaufnahme im Bereich des Tall Hujayrat al Ghuzlan bei Aqaba, Jordanien (Quelle: DAI). Archäologische Grabungen und C14-Datierungen belegen eine intensive Siedlungstätigkeit für den Zeitraum 3900-3500 v. Chr. Der Siedlungshügel (Tell) ist von einer Vielzahl von Wasseranlagen (Brunnen, Wasserverteiler) umgeben. Es stellt sich die Frage, ob die Wasseranlagen zeitgleich mit dem Tell oder aber zu unterschiedlichen Zeiten angelegt wurden. Dieser Fragestellung soll mithilfe der im Heidelberger Lumineszenzlabor in Entwicklung befindlichen Methode der ortsaufgelösten OSL-Oberflächendatierung nachgegangen werden.
Aqaba-Abb. 2: Testbohrungen an granitischen Steinen der Wasserbauanlagen im Umfeld des Tall Hujayrat al Ghuzlan bei Aqaba, Jordanien in der Feldkampagne Februar/März 2005 durch Dr. Clemens Woda und Prof. Matthias Grottker.
DFG-Projekt:
Neolithisch-kupferzeitliche Tellsiedlung bei Uivar/Rumänien
Finanzierung:
DFG (1998 - fortlaufend)
Leitung:
Prof. Dr. Wolfram Schier (Würzburg/Berlin), Prof. Dr. Florin Drasovean (Timisoara, Rumänien)
Poster:
Uivar-Poster 
Publikationen:
Kadereit (2004), Kadereit et al. (2006)
Die Arbeiten zur geomorphologisch-geochronologischen Landschaftsrekonstruktion finden in enger Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Barbara Sponholz (Würzburg) und PD Dr. Manfred Rösch (Gaienhofen-Hemmenhofen) statt.
Kontaktdaten von PD Dr. Manfred Rösch:
Regierungspräsidium Stuttgart, Landesamt für Denkmalpflege Abteilung 11 - Referat 114, Archäologische Denkmalpflege, Postanschrift: Fischersteig 9 78343 Gaienhofen-Hemmenhofen, Tel. 07735/1225
Uivar-Abb. 1: Der spät-neolithisch / früh-kuperzeitliche Tell von Uivar liegt heute inmitten einer flachen Schwemmlandebene der Flüsse Bega und Theiß. Die alluvialen Sedimente überdecken im Untergrund ein wesentlich markanteres Paläorelief aus Fließgerinnen, Flussterrassen und Terrassenresten. Die geomorphologischen Untersuchungen (Sponholz 2004) legen nahe, dass der Siedlungshügel auf einem vor Hochwasser relativ sicheren, da erhöhten Niederterrassenrest angelegt wurde.
Uivar-Abb. 2: Blick in eine ausgehobene Grube ~130 m nördlich des Tell, mit einer Abfolge von hellerem siltig-sandigem Alluvium im Liegenden, dunklerem, tonigerem und vermutlich durch kolluvialen Eintrag beeinflusstes Alluvium in der Mitte und hellerem, wiederum siltigerem Alluvium am Top des Profils. In ~100 Entfernung zum Siedlungshügel wurde in prähistorischer Zeit eine ringförmige Grabenanlage (vgl. geomagnetische Karte von Becker (2002)) in den basalen, vornehmlich siltig-sandigen Alluvionen angelegt. Mittels OSL-Technik datiert die Ablagerung der liegenden Alluvionen ~6.5 ka vor heute, in die Zeit für die mittels C14-Datierungen (Radiokohlenstofflabor der Heidelberger Akademie der Wissenschaften) auch die Anlage von Gräben belegt ist. Es scheint, dass der Mensch die Siedlung zu einer Zeit zu errichten begann, da die fluviale Aktivität mit Akkumulation von Gerinnesanden endete. Da für denselben Zeitraum vergleichbare Beobachtungen auch an einer weiteren Tell-Lokalität am Teleorman-Fluß im südlichen Rumänien gemacht wurden (Bailey et al. 2002, Antiquity 76, 349-355; SRAP), erscheint eine klimatische Steuerung der fluvialen Aktivität und ihres Endes wahrscheinlich. Dies wiederum könnte das im Vergleich zum südlicheren Balkan und Mediterranraum späte Auftreten von Tells in der Region erklären.
DFG-Schwerpunkt Programm 1171:
Frühe Zentralisierungs- und Urbanisierungsprozesse zur Genese und Entwicklung frühkeltischer Fürstensitze und ihres territorialen Umlandes
Projekt:
Landschaftsarchäologie Glauberg. Untersuchungen im territorialen Umland des Glaubergs: Zur Genese und Entwicklung eines Fürstensitzes in der östlichen Wetterau.
Finanzierung:
DFG (2004 - fortlaufend)
Leitung:
Prof. Dr. Christopher Pare (Mainz)
Poster:
Glauberg-Poster
Publikationen:
Kadereit et al. (2006)
Die Arbeiten zur sedimentologisch-pedologischen Geländeaufnahme finden in enger Zusammenarbeit mit Dr. Ulrich Dehner statt.
Vom 14.-16. September 2006 findet zum neuesten Stand der Forschung am frühkeltischen Fürstensitz des Glauberg ein Symposium statt: „Der Glauberg in keltischer Zeit. Zum neuesten Stand der Erforschung. Öffentliches Symposium 14.-16. September 2006.“
Glauberg-Abb. 1: Unterhalb der Wallanlage (oben: Schrägschichtung aus hellerem und dunklerem, vom Menschen aufgebrachtem Sediment) des früh-keltischen Fürstensitzes liegt ein nach makroskopischen Merkmalen zweigeteiltes Kolluvium (unten). Im Gegensatz zum unteren Kolluvium ist das obere Kolluvium reich an Holzkohleflittern. Zudem scheint am Top des unteren Kolluviums eine alte Landoberfläche ausgebildet und bis zur Ablagerung des oberen Kolluvium eine Phase geomorphodynamischer Ruhe bestanden zu haben. Hierauf deuten die von der Grenzfläche ins untere Kolluvium ausgehenden Wurzelspuren (nachträglich mit Sediment verfüllte Hohlräume). Die OSL-Datierungen weisen darauf hin, dass das obere Kolluvium im Zeitraum der Errichtung der keltischen Befestigungsanlage abgelagert wurde.
Glauberg-Abb. 2: Die im Vergleich zur früh-keltischen Anlage jungen C14- und OSL-Alter der Grabenfüllung vor der Wallanlage belegen, dass der Graben noch bis ins Mittelalter offen blieb.
BMBF-Schwerpunkt:
„Neue Technologien in den Geisteswissenschaften“, Projekt „Geomorphologisch-bodenkundliche Untersuchungen zur Rekonstruktion der Klima- und Landschaftsentwicklung im Umfeld der ehemaligen Siedlungsflächen der Nazca-Kultur, Peru“.
Finanzierung:
BMBF (2002 - 2007)
Leitung:
Prof. Dr. Bernhard Eitel (Heidelberg)
Poster:
Peru-Poster (Lösse)
Peru-Poster (Oberflächendatierung)
Publikationen:
Eitel et al. (2005), Mächtle et al. (2006)
Die OSL-Datierungen finden in enger Zusammenarbeit mit dem C14-Datierungen ausführenden Radiokohlenstofflabor der Heidelberger Akademie der Wissenschaften statt.
Peru-Abb. 1: Nächtliche OSL-Probennahme an einem Aufschluß entlang der Panamericana-Sur. Beprobt werden hier Gerölle aus den Pedimenten, die vom westlichen Andenfuß ins Becken von Nasca-Palpa in der Atacama-Wüste reichen, wo sie von den ebenfalls in den Anden entspringenden Fremdlingsflüssen tiefgreifend zerschnitten werden. Die Proben dienen der Entwicklung und Adaption der Methode der Oberflächen-OSL-Datierung an quartären Sedimenten.
Schweizer-National-Fond-Projekte SNF 21-067937.02/1:
Paleoclimate and landscape evolution in the tropical Andes of Bolivia and the adjacent lowland rainforest
Schweizer-National-Fond-Projekte SNF 200020-105228/1:
Paleoecology of Eastern Bolivia
Finanzierung:
Schweizer Nationalfond (2003 - 2006)
Leitung:
Prof. Dr. Heinz Veit (Bern)
Bolivien-Abb. 1: Die Rekonstruktion der Landschaftsgeschichte und des Paläoklimas erfolgt zum Teil auch mithilfe von äolischen Sedimentarchiven, so wie hier im Trockenwaldgebiet des Chaco südöstlich von Santa Cruz. Die Wiederbewaldung der einst aktiven Dünen belegt einen Klimawechsel zu heute feuchteren Bedingungen.
Bolivien-Abb. 2: Z.T. sind die Dünenkämme heute (wieder) aktiv. Neben klimatischen Einflüssen, gilt es auch den Einfluß des die Menschen zu berücksichtigen, der die Vegetationsdecke z.T. durch Viehhaltung oder andere Wirtschafsformen degeneriert und zu einer Reaktivierung der Dünenaktivität beitragen mag.
DFG-Projekt:
Untersuchung, Datierung und paläoklimatische Interpretation von schwemmlössartigen Talfüllungen am Hoanib-River (NW-Namibia)
Finanzierung:
DFG (2001 - 2004)
Leitung:
Prof. Dr. Bernhard Eitel (Heidelberg)
Poster:
Namibia-Poster
Publikationen:
Eitel et al. (2005) , Eitel et al. (2006)
Namibia-Abb. 1: Im oberen Einzugsgebiet des Hoanib-Flusses, NW-Namibia, werden die Beckenböden weitflächig von lößartigen, feinkörnigen Sedimenten verfüllt. Anders als äolisch verfrachteter Löß wurden diese Sedimente aber vom Fluß in der Talaue abgelagert. Das gut sortierte, feinkörnige Alluvium wird als Flutauslaufsediment (river end deposits) interpretiert, das im Gegensatz zur heutigen Geomorphodynamik unter stark abgeschwächter fluvialer Dynamik zur Ablagerung kam. Damit sind die REDs ein Schlüsselarchiv zur Rekonstruktion ariderer Klimaverhältnisse in der Vergangenheit.
Namibia-Abb. 2: Die Amspoort-Silte haben einen Galeriewald aus Akazien verschüttet, der in einer nachfolgenden Phase mit Erosion wieder freigelegt wurde. OSL-Datierungen stellen die Zeit der Aufschüttung in Übereinstimmung mit C14-Datierungen an den fossilen Bäumen in die "Kleine Eiszeit", die damit offensichtlich trockenere Klimabedingungen aufwies als gegenwärtig beobachtet.
Projekt zur Rekonstruktion der quartären Landschafts- und Klimageschichte des tropischen Tieflandes im südlichen Kamerun.
Leitung:
Prof. Dr. Heinz Veit (Bern)
Kamerun-Abb. 1: OSL-Probennahme in lichtdichten Edelstahlzylindern an einem Aufschluß mit mächtigen jungquartären sedimentären Deckschichten. Die Hangsedimente werden als Archive zur Rekonstruktion von einschneidenden Vegetationsänderungen in einem Gebiet genutzt, das heute von tropischem Regenwald bestanden ist. Dem liegt die Annahme zugrunde, dass ein klimatisch gesteuerter Ökosystemwechsel von Regenwald zu Savanne in Verbindung mit Starkregenereignissen zu einer geomorphodynamischen Aktivitätsphase führt, in der es auf den Hängen zur Sedimentumlagerung und infolge dessen zur Akkumulation entsprechender Sedimentarchive kommt.
Kamerun-Abb. 2: Die intensiv rötlich oder gelblich gefärbten Deckschichten zeigen typischerweise eine Gliederung in grobkörnigere Sedimente im Liegenden und feinkörnigere Sedimente im Hangenden. Oftmals sind auch regelrechte "stone lines" eingeschaltet.
