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Stratigrafie

Stratigrafie bzw. -graphie (lat. stratum „Lager“, „Decke“ und gr. γράφειν grápheïn „schreiben“) oder Schichtenkunde bezeichnet die Untersuchung von Schichtungen und ihre zeitliche Zuordnung.

Stratigrafische Analysen als Teilgebiet der Geowissenschaften sind vor allem für die Geologie und Archäologie von Bedeutung und helfen bei der relativen Datierung von Ablagerungen und Formationen.

Daneben bildet sie die Grundlage der Restaurierung und ist Methode der Datierung von farblich gefassten Kunstgegenständen. So unterschiedlich diese Fachgebiete sind, so ähnlich sind ihre Methoden.

Inhaltsverzeichnis

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. Grundlage der Stratigrafie sind die Gesteine, die anhand der Summe ihrer organischen und anorganischen Merkmale, der Gesteinsfazies, nach ihrer zeitlichen Bildungsfolge geordnet werden.

Stratigrafische Untersuchungen laufen in zwei Schritten ab: In einem analytischen Teil werden die Geländedaten erfasst und aufbereitet. Anschließend folgt die Interpretation dieser Daten in den verschiedenen Unterdisziplinen, wie z. B. der Geochronologie, Paläogeographie oder der Archäometrie.

Die Geochronologie als Unterdisziplin beschäftigt sich zum Beispiel mit der Zeitmessung und Zeitbestimmung der erdgeschichtlichen Vergangenheit. Die Biostratigrafie hingegen untersucht vor allem die Abfolge der fossilen Lebensformen in den Gesteinen. Für alle Unterdisziplinen gilt, dass sie auf die Erkenntnisse und Methoden ihrer Nachbardisziplinen angewiesen sind.

Stratigrafie in der Geologie

Äon Ära/Zeitalter Periode Beginn
in mya
Phanerozoikum
Känozoikum
Erdneuzeit
Dauer: 65,5 Ma
Neogen 23,03
Paläogen 65,5  
Mesozoikum
Erdmittelalter
Dauer: 185,5 Ma
Kreide 145,5  
Jura 199,6  
Trias 251,0  
Paläozoikum
Erdaltertum
Dauer: 291 Ma
Perm 299,0  
Karbon 359,2  
Devon 416,0  
Silur 443,7  
Ordovizium 488,3  
Kambrium 542,0  
Proterozoikum
Neoproterozoikum
Neues
Proterozoikum
Dauer: 458 Ma
Ediacarium 630    
Cryogenium 850    
Tonium 1000    
Mesoproterozoikum
Mittleres
Proterozoikum
Dauer: 600 Ma
Stenium 1200    
Ectasium 1400    
Calymmium 1600    
Paläoproterozoikum
Frühes
Proterozoikum
Dauer: 900 Ma
Statherium 1800    
Orosirium 2050    
Rhyacium 2300    
Siderium 2500    
Archaikum Neoarchaikum
Dauer: 300 Ma
2800    
Mesoarchaikum
Dauer: 400 Ma
3200    
Paläoarchaikum
Dauer: 400 Ma
3600    
Eoarchaikum
Dauer: n. def.
3800    
Hadaikum
Dauer: n. def.
  4700    

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. Nach den Kriterien der Schichten-Untergliederung werden u. a. die folgenden Unterdisziplinen unterschieden:

Die Geochronologie dagegen ist eine reine, absolute Zeitgliederung und im Prinzip eine von der Stratigraphie unabhängige Disziplin.

Lithostratigraphie

Die relative Altersbestimmung mit Hilfe der Lithostratigrafie 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: Weder die Mächtigkeit der Schichten noch die Abfolge der Schichten können Auskunft über die absolut-zeitliche 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 Schichtlücke bilden. Eine Schichtlücke kann beispielsweise im Zusammenhang mit tektonischen Aktivitäten auftreten. So bildet sich eine sogenannte Winkeldiskordanz, wenn mit Einsetzen einer Gebirgsbildung durch Erosion der bis hierhin überlieferte Schichtenstapel räumlich verstellt und abgetragen wird, bevor auf der Abtragungsfläche jüngere Ablagerungen sedimentiert werden.

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.

Magnetostratigraphie

Während der sechziger Jahre des 20. Jahrhunderts wurden die Ozeane der Erde erstmals intensiv untersucht. Die Aufnahme des Magnetfeldes des Ozeansbodens lieferte den Beweis einer vielfachen Umkehrung des Erdmagnetfeldes während der letzten 150 Millionen Jahre der Erdgeschichte (s. auch Plattentektonik). Messbar ist die Fixierung der Ausrichtung des Magnetfeldes durch ferromagnetische Mineralien (zumeist Magnetit), die während der Abkühlung eines magmatischen Gesteins ihren Curie-Punkt unterschreiten (thermoremanenter Magnetismus) und dauerhaft magnetisch werden. Diese Art der Magnetisierung ist nicht bei Sedimenten vorhanden, sondern betrifft z. B. Basalte, die besonders häufig im ozeanischen Bereich vorkommen.

Sedimente können ebenfalls das Magnetfeld, das zum Zeitpunkt ihrer Entstehung vorhanden war, erhalten. Dabei werden magnetisierte Körner bei ihrer Sedimentation bevorzugt nach dem herrschenden Magnetfeld ausgerichtet. Weiterhin können magnetische Minerale wie Magnetit oder Hämatit im Verlauf der Diagenese neu gebildet werden und das Paläomagnetfeld konservieren.

Neben den Umkehrungen des Paläomagnetfelds kann auch die Richtung des Paläomagnetfeldes gemessen werden, z. B. um einen Polwanderpfad zu erstellen, der die Drift der Platten im Rahmen der Plattentektonik darstellt.

Bei größerem Aufwand ist auch die Intensität des Paläomagnetfeldes messbar.

Thermoremanenz und Sedimentationsremanenz ergeben also eine Magnetisierung einer Gesteinsfolge. Die chronologische Abfolge der dadurch messbaren Magnetfeldumkehrungen liefert zuverlässige 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, 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.

Biostratigraphie

Im Zusammenhang mit der Entdeckung von Fossilien hat sich innerhalb der Stratigrafie die Biostratigrafie herausgebildet. So werden Fossilien zur relativen Datierung herangezogen, weil Fossilien durch Evolution zu einem bestimmten Zeitpunkt erstmals auftreten und das Auftreten verschiedener Fossilien charakteristische Abfolgen bildet. Gleiche Fossil-Vergesellschaftungen ermöglichen eine Korrelation von Gesteinseinheiten.

Eventstratigraphie

Unterbrechungen oder besondere Einschaltungen innerhalb der geologischen bzw. paläontologischen Überlieferung stellen Events (engl. „Ereignis“; Eventstratigraphie) dar: Zum Beispiel kann ein in eine ansonsten homogene Gesteinsabfolge eingeschalteter Schwarzschiefer nicht nur eine lithologische Ausnahmesituation markieren, sondern auch ein Indiz für ein Aussterbe-Ereignis (Massenaussterben) sein. Archäologische Entsprechung ist eine Brandschicht im bebautem Raum.

Tephrostratigraphie

Ein Unterbereich der Eventstratigraphie ist die Tephrostratigraphie, die sich auf eruptive Events, insbesondere feste Sedimente (Lapilli, Bimsstein, Aschenschichten) spezialisiert.

Verfahren außerhalb der eigentlichen Stratigraphie

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).

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.

So erlaubte außerhalb der eigentlichen Stratigraphie erst die Entdeckung der radioaktiven Zerfallsprozesse durch Henri Becquerel und der daraus abgeleiteten radiometrischen Altersbestimmungen die absolut-zeitliche Bestimmung von geologischen Vorgängen. 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 (~55000 Jahre) verwendbar und wird hauptsächlich in der Archäologie zur Datierung eingesetzt.

Siehe auch Geologische Zeitskala

Stratigrafie in der Archäologie

Als archäologische Stratigrafie bezeichnet man 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.

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.

Stratigraphie in der Kunstgeschichte

Bei der Untersuchung von farblichen Fassungen von Kunstwerken ist die Malschichtenfolge ein zentraler Aspekt der Datierung. Das umfasst Genres vom Ölgemälde und andere pastosen Techniken der Malerei, über die Farbgestaltung von Werken der Bildhauerei, Fresken und andere Wandmalerei bis zur architekturgeschichtlichen Analyse von Gebäuden.

Neben der reinen Datierung ist Hauptzweck der Stratigraphie, eine bestimmten Fassung zu ermitteln, auf die das Werk zurückgeführt werden kann. Dabei wird jede Freilegung als destruktive Maßnahme in der Restaurierung äußerst kritisch beurteilt: Die darüberliegenden Schichten sind nach der Freilegung für immer verloren, und obwohl sie vielleicht kunsthistorisch wertlos oder von minderem Rang sind, so gehören sie doch zur Geschichte des Objekts: Die „Rücksetzung“ auf eine „Originalfassung“ ist strenggenommen nicht nur ein Akt der Interpretation, sondern geradezu einer Fälschung der Objekthistorie. Daher wird eine ausführliche Straten- und Fassungsdokumentation als Mindestforderung moderner Denkmalpflege gesehen.

Grundlegende Erstmaßnahme der restauratorischen Stratigraphie ist die Schichtentreppe, bei der auf dem Objekt an unauffälliger Stelle auf kleinen Feldern (Fingernagel- bis Briefmarkengröße) in die Tiefe geschnitten wird, und zwar über die Originalfassung hinaus, um Erkenntnisse über allfällige Unterzeichnungen und die Technik des Malgrundes zu gewinnen. Die obersten Straten, umgangssprachlich der „Altersschmutz“, werden als Patina zusammengefasst, Sekundärmalereien minderen Ranges als Übermalung. Weitere Schichten von großem Wert, Zweitfassung genannt, stellen den Restaurator aber vor ein Dilemma. In diesem Falle entscheidet sich die moderne Restaurierung immer für die weniger invasive Technik.

Zur absoluten Datierung verwendet man dieselben Methoden wie die Archäologie, sofern sie für die meist deutlich kürzen Zeiträume brauchbar sind, Röntgenanalysen des Schichtenaufbaus, Röntgenfluoreszenz-Analyse, sowie chemische und massenspektrometrische Analyse der Malmittel, um etwa über die verwendeten Pigmente Aussagen über das Alter treffen zu können.

Bei der Freilegung selbst erfasst die Restaurierung heute nicht nur die eigentlich wertvolle Malerei, sondern bezieht auch die originale Nullfläche der Schicht mit ein, die den ursprünglichen konzeptionellen Hintergrund einer Malerei gebildet hat. Dabei laufen dann allfällige Fehlstellen in die Umgebung, und dokumentieren so auch das Schadensbild, aus dem sich der heutige Erhaltungszustand erklären lässt.

Forschungsgeschichte

Geologie

Archäologie

Restaurierung

Siehe auch

Literatur

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