Geologische Zeitskala

Aufbau und Bedeutung der geologischen Zeitskala

Die geologische Zeitskala ist eine hierarchische Unterteilung der Erdgeschichte. Ihre Ebenen und Zeitabschnitte sind benannt. Die fünf geochronologischen Hauptebenen heißen Äon, Ära, Periode, Epoche und Alter. Ältere Abschnitte, besonders das Präkambrium, sind wesentlich weniger fein gegliedert als jüngere. Mit dem Beginn des Phanerozoikums, des „Zeitalters des sichtbaren [tierischen] Lebens“, vor 541 Millionen Jahren setzt ein kontinuierlicher Fossilbericht ein. Dadurch kann die Zeit mithilfe der Biostratigraphie, also durch den Vergleich von Fossilien, genauer unterteilt werden.

Die Grenzen der Abschnitte werden durch Geochronologie, hauptsächlich radiometrisch, mit einem absoluten beziehungsweise numerischen Alter versehen. Üblicherweise wird die zeitliche Abfolge von unten nach oben dargestellt, entsprechend den Schichten eines idealisierten, tektonisch ungestörten Sedimentgesteinsprofils.

Die international allgemein akzeptierte globale Fassung wird von der International Commission on Stratigraphy (ICS) erarbeitet und als International Stratigraphic Chart veröffentlicht. Die kompakte Übersicht des Artikels ist nicht maßstäblich und enthält die beiden untersten Hierarchieebenen nicht. Sie nennt für das Phanerozoikum eine Dauer von 538,8 Ma, während der Text seinen Beginn mit 541 Millionen Jahren angibt.

Die wichtigsten Großabschnitte der Tabelle sind: Känozoikum beziehungsweise Erdneuzeit von 0 bis 66 Ma, Mesozoikum beziehungsweise Erdmittelalter von 66 bis 251,902 Ma und Paläozoikum beziehungsweise Erdaltertum von 251,902 bis 538,8 Ma. Das Proterozoikum reicht von 538,8 bis 2500 Ma, das Archaikum von 2500 bis 4031 Ma und das Hadaikum von 4031 bis 4567 Ma. Im Phanerozoikum folgen aufeinander Quartär, Neogen und Paläogen; Kreide, Jura und Trias; sowie Perm, Karbon, Devon, Silur, Ordovizium und Kambrium.

Geochronologie und Chronostratigraphie

Die Erdgeschichte, auch „deep time“ oder „tiefe Zeit“ genannt, wird nach zwei eng verbundenen Konzepten beschrieben. Die Geochronologie bezieht sich auf die Zeitabschnitte selbst, also auf geologische Zeit. Die Chronostratigraphie bezieht sich dagegen auf die geologische Überlieferung: auf die Gesamtheit oder einen bestimmten Ausschnitt der Gesteine, die aus einem Zeitabschnitt erhalten sind.

Die Bezeichnungen der geochronologischen Ebenen lauten Äon, Ära, Periode, Epoche und Alter. Die entsprechenden chronostratigraphischen Ebenen heißen Äonothem, Ärathem, System, Serie und Stufe. Die Namen der Intervalle sind in beiden Konzepten gleich.

Die Präzisierung erfolgt unterschiedlich: Bei geochronologischen Zeitabschnitten spricht man beispielsweise vom „frühen“ oder „späten Devon“, bei chronostratigraphischen Gesteinseinheiten vom „unteren“ oder „oberen Devon“. Die Aussage „Im späten Devon lebten die ersten Landwirbeltiere“ bezieht sich auf geologische Zeit. Die Aussage, dass im Devon Grönlands Überreste früher Landwirbeltiere gefunden wurden, bezieht sich auf Gesteine und damit auf Chronostratigraphie. Dafür kann auch eine lithostratigraphische Einheit wie die devonische Britta-Dal-Formation genannt werden.

Beide Konzepte lassen sich in der Praxis nur selten streng trennen, weil absolute Altersangaben aus geologisch überliefertem Material gewonnen werden, meist durch radiometrische Datierung. Deshalb heißt die aktuelle ICS-Standardtafel International Chronostratigraphic Chart, obwohl ihr Tabellenkopf auch die geochronologischen Ebenen aufführt.

Festlegung und Datierung der Einheitengrenzen

Im Phanerozoikum werden die Grenzen meist durch das erste Auftreten (first appearance date, FAD) oder das letzte Auftreten (last appearance date, LAD) bestimmter Tierarten im Fossilbericht definiert. Solche Ereignisse heißen Bioevents. Verwendet werden überwiegend Meeresorganismen, weil Meeressedimente, besonders Schelfsedimente, häufiger überliefert und im Durchschnitt fossilreicher sind als festländische Sedimente.

Definiert wird jeweils die Basis, also die Untergrenze, einer Einheit. Ihre Obergrenze ist zugleich die Basis der nächstfolgenden Einheit. Zusätzlich zu den primären Fossilmarkern gibt es sekundäre Marker, die Grenzen auch in Sedimenten auffindbar machen sollen, in denen der Primärmarker wegen des Ablagerungsmilieus fehlt. Sekundäre Marker können Fossilien, geochemische Anomalien oder magnetostratigraphische Anomalien sein.

Ein Referenzprofil mit der festgelegten Untergrenze einer Stufe heißt Global Stratotype Section and Point (GSSP). Die Markierung im Gestein wird anschaulich als „goldener Nagel“ bezeichnet. Die Untergrenze einer höher eingestuften Einheit, etwa einer Serie oder Periode, entspricht der Untergrenze der untersten darin enthaltenen Stufe. Die Untergrenze der Kreidezeit wird daher nach denselben Kriterien festgelegt wie die Untergrenze des Berriasiums.

Radiometrische Datierungen, die im 20. Jahrhundert besonders für magmatische Gesteine entwickelt wurden, erlauben numerische Altersangaben. Das Alter datierter Gesteine liefert Mindest- oder Höchstalter für darüber- oder darunterliegende fossilführende Sedimente. Durch weltweite Beprobung lässt sich so auch das Alter der Fossilien bestimmen, die Einheitengrenzen markieren. Perioden und Systeme sowie Ären und Äratheme werden aufgrund gemeinsamer Merkmale ihrer Fossilüberlieferung zusammengefasst. Grenzen höherer Einheiten fallen deshalb häufig mit bedeutenden Massenaussterben zusammen und bilden zugleich die Evolutionsgeschichte ab.

Das Präkambrium kann außer beim Ediacarium meist nicht fossilbiostratigraphisch gegliedert werden. Dort verwendet man eine künstliche Einteilung anhand gemittelter radiometrischer Altersdaten tektonischer Ruhephasen. Auf volle 50 oder 100 Millionen Jahre gerundete Werte heißen Global Standard Stratigraphic Age (GSSA). Die geologische Überlieferung wird mit zunehmendem Alter schlechter, weil die Erdkruste ständig exogen und endogen aufgearbeitet und recycelt wird. Vom Hadaikum sind fast keine Gesteine, sondern nur wenige in jüngerem Gestein eingeschlossene detritische Zirkone erhalten. Es ist die einzige Einheit ohne definierte Basis.

Regionale Abweichungen

Neben der globalen Standard-Zeitskala gibt es regionale Skalen für Nordamerika, Westeuropa, Osteuropa, China und Australien. Sie unterscheiden sich bei einigen Intervallnamen, meist auf mittleren und unteren Hierarchieebenen, sowie bei den numerischen Altersangaben einzelner Grenzen. Diese Unterschiede berücksichtigen Besonderheiten der geologischen Überlieferung einer Region. Regionale Skalen sind daher „rein“ chronostratigraphische Tabellen; auch ihre subregionalen Teilbereiche können voneinander abweichen.

Ein Beispiel sind die unterschiedlichen Bezeichnungen der Kaltzeiten des Pleistozäns in Nordamerika, der Norddeutschen Tiefebene und im Alpenraum. Außerdem beginnt das mitteleuropäische Perm, auch Dyas genannt, früher als das Perm der globalen Zeitskala und anderer regionaler Skalen.

Entwicklung und heutige Änderungen

Im 17. Jahrhundert erkannte man durch Nicolaus Steno, dass Sedimentgesteine chronologisch geschichtet sind. Eine Methode zur Bestimmung ihres absoluten Alters gab es zunächst nicht. Fossilien von Meeresbewohnern im Hochgebirge zeigten, dass die Erde tiefgreifenden Veränderungen unterworfen ist. Im späten 18. und frühen 19. Jahrhundert legten systematische Arbeiten von William Buckland und Georges Cuvier die Grundlage für die Erkenntnis, dass Schichten mit gleichem Fossilinhalt ungefähr derselben Zeit entstammen. William Smith erarbeitete darauf aufbauend eine stratigraphische Tabelle für seine geologische Karte Großbritanniens.

Im 19. Jahrhundert wurden Gesteinsschichten in Europa und Nordamerika untersucht, kategorisiert und miteinander korreliert. Aus ursprünglich regionalen Bezeichnungen entwickelten sich überregionale Intervalle, etwa das von Jean Baptiste Julien d’Omalius d’Halloy geprägte Terrain Cretacé, später Cretaceous beziehungsweise Kreide. Adam Sedgwick und John Phillips fassten Intervalle anhand gemeinsamer Fossilmerkmale zu Paläozoikum, Mesozoikum und Känozoikum zusammen. Diese ersetzten weitgehend die älteren Überbegriffe Primär, Sekundär und Tertiär. Charles Lyell schätzte 1867 in der 10. Auflage seiner Principles of Geology die seit Beginn des Kambriums vergangene Zeit auf 240 Millionen Jahre.

Die Entdeckung der Radioaktivität und die radiometrische Gesteinsdatierung im 20. Jahrhundert ermöglichten es, Einheitengrenzen mit numerischen Alterswerten zu versehen. Heute werden wesentliche Revisionen durch Subkommissionen der ICS erarbeitet, durch Mehrheitsentscheid beschlossen und den zuständigen Komitees der International Union of Geological Sciences (IUGS) vorgelegt.

Zu den jüngeren Änderungen gehören die Ersetzung von „Tertiär“ durch die Zweigliederung in Paläogen und Neogen sowie die Verschiebung der Neogen/Quartär- beziehungsweise Neogen/Pleistozän-Grenze von 1,8 auf 2,59 mya. Dabei wurde das Gelasium in das Pleistozän eingegliedert. Vorgeschlagen, aber noch nicht verabschiedet, ist eine Neugliederung des Präkambriums mit GSSPs statt GSSAs. Außerdem wird von einigen Forschern das Anthropozän als jüngste Einheit vorgeschlagen. Über seinen Beginn besteht keine Einigkeit; viele Geologen sehen in einer Einheit von nur wenigen 100 Jahren keinen praktischen Nutzen.

Alternative Skalen und zeitliche Maßstäbe

Die paläobotanische Zeitskala richtet sich nicht nach der Evolution wirbelloser Meerestiere, sondern nach der Entwicklung der Pflanzenwelt, besonders der Landpflanzen. Sie besitzt nur eine Hierarchieebene, die den Ären beziehungsweise Ärathemen entspricht. Ihre Namen enden auf -phytikum statt auf -zoikum. Anstelle des Paläozoikums werden Eophytikum für Kambrium und Ordovizium sowie Paläophytikum für Silur bis Perm unterschieden. Die Grenzen stimmen nur grob mit der geologischen Zeitskala überein: Das Neophytikum beziehungsweise Känophytikum beginnt vor 95 Millionen Jahren mit der Dominanz der Bedecktsamer, während das Neozoikum beziehungsweise Känozoikum vor 65 Millionen Jahren mit dem Verschwinden unter anderem der Ammoniten und Belemniten beginnt.

Das Phanerozoikum ist wegen seiner besseren Fossilüberlieferung am detailliertesten gegliedert. Allgemein gilt: Je jünger ein Abschnitt ist, desto feiner ist er unterteilt. Deshalb wechseln Darstellungen den Maßstab meist zweimal: an der Präkambrium-Kambrium-Grenze und an der Kreide-Paläogen-Grenze, früher Kreide-Tertiär-Grenze. Perioden beziehungsweise Systeme werden häufig in eigenen Tabellen vergrößert dargestellt, damit auch Einheiten niedriger Ränge sichtbar bleiben.

Ein Tagesvergleich veranschaulicht die Größenordnung der Erdgeschichte. Auf 24 Stunden umgerechnet endet das Präkambrium erst um 21:10 Uhr. Die Erde entstand bei 00:00 Uhr, das Eoarchaikum mit Einzellern liegt bei 04:00 Uhr, Photosynthese im Neoarchaikum bei 11:00 Uhr, Eukaryoten im Mesoproterozoikum bei 17:00 Uhr und Bilateria im Ediacarium bei 20:50 Uhr. Wirbeltiere erscheinen um 21:30 Uhr, Landwirbeltiere um 22:05 Uhr, Säuger um 22:55 Uhr und Primaten um 23:42 Uhr. Homo habilis erscheint um 23:59:22 Uhr, Homo sapiens um 23:59:56,4 Uhr und Ackerbau und Viehzucht um 23:59:59,8 Uhr. Der moderne Mensch erschiene damit erst rund 4 Sekunden vor Tagesende.