Radioactieve bestraling als geologische klok

Door de jaren heen zijn er tal van manieren uitgevonden om verschillende 'features' oftewel 'geologische verschijnselen' te dateren. Denk bijvoorbeeld aan het gebruiken van boomringen, fossielen, radioactief koolstof of vulkanische afzettingen. Een minder bekende maar misschien wel fascinerendere manier van dateren maakt gebruik van het meten van luminescent licht afkomstig uit onder andere sedimenten. Deze methode heet 'luminescence dating' of de 'luminescente dateringsmethode'. In dit blog zal ik u iets meer over deze methode vertellen, de theorie toelichten aan de hand van een voorbeeld en u laten zien dat ook datering ongelofelijk interessant kan zijn!

Fysica van luminescentie

Laten we eerst eens kijken naar de theorie achter de luminescente dateringsmethode, beginnend bij de interne structuur van een atoom in een sedimentkorrel. Rond de kern van een atoom cirkelen elektronen. Deze elektronen bewegen zich binnen een bepaalde 'baan' (als een soort auto's op een grote rotonde) en zonder invloed van buitenaf zullen ze in deze baan blijven. Wanneer de elektronen echter een lading energie van buitenaf ontvangen, zoals bijvoorbeeld van radioactief verval van sedimenten uit de omgeving of zonlicht, is het wel mogelijk dat ze naar een hogere staat van energie springen. Het elektron zal de energie absorberen, springt naar een hogere baan van energie die zich verder van de kern bevindt (een andere rijbaan in het voorbeeld van de auto's) en cirkelt hier verder. De lading energie kan bijvoorbeeld afkomstig zijn van kleisedimenten. Deze bevatten o.a. veel kalium, wat radioactief is en tijdens verval energie zal uitzenden. Na een tijdje zal het elektron terug willen naar zijn oorspronkelijke staat van energie en weer terug willen vallen naar zijn eigen elektronenbaan (rijbaan). Dit kan door de energie die eerder geabsorbeerd is, weer uit te zenden de atmosfeer in. Het elektron zal hierna terug vallen naar zijn oorspronkelijke staat van energie en weer verder cirkelen in de baan waar hij zich eerder bevond.

Het terug uitzenden van de energie gaat alleen niet altijd helemaal foutloos. In sommige gevallen lukt het een elektron maar om slechts een deel van de energie terug uit te zenden naar zijn omgeving. Dan blijft het elektron hierna 'gevangen' in een staat tussen twee energiebanen in. Hij bevat namelijk net niet genoeg energie om in de hogere staat van energie te blijven, maar bezit weer te veel energie om helemaal terug te vallen naar zijn eerdere staat. De enige manier voor het elektron om helemaal terug te vallen en alle energie uit te zenden, is als het elektron nog aan een klein beetje extra energie van buitenaf wordt bloot gesteld. Deze benodigde energie kan zonlicht zijn, maar ook warmte of straling vanuit een laboratorium. Wanneer dit kleine beetje extra energie beschikbaar is, zal het elektron de resterende energie uitstralen. Deze energie zal van een specifieke golflengte zijn die wij kunnen meten en wordt luminescentie of 'luminescent licht' genoemd.

Atomen in mineralen worden constant blootgesteld aan straling afkomstig uit omliggend sediment of uit het kristal zelf en zullen dus gevangen elektronen bevatten. Wanneer een korrel wordt begraven is er geen zonlicht meer wat de elektronen kan doen terugvallen naar hun oorspronkelijke staat en op deze manier wordt het 'luminescentie-signaal' vast gelegd in het sediment en zal het aantal gevangen elektronen met de tijd toenemen. Maar hoe kan dit luminescentie-signaal gebruikt worden als daterings-tool? Dit is alleen mogelijk wanneer de volgende dingen bekend zijn:

1. De dosis stralingsenergie per tijdseenheid waaraan de korrels zijn blootgesteld, de zogenaamde dose-rate. Wanneer de dose-rate bekend is, betekent het dat het precies bepaald is hoeveel energie per tijdseenheid aan straling onze atmosfeer binnenkomt. Dit kan licht verschillen per locatie en door de jaren heen, maar is over het algemeen zeer precies bekend.
2. De dosis aan energie die het sediment van nature al bevatte, de zogenaamde paleo-dose. Vervolgens is het van belang dat de samples tijdens het verzamelen en vervoeren niet aan zonlicht blootgesteld worden, zodat het luminescentie-signaal niet verloren gaat. In het laboratorium wordt het sediment uiteindelijk wel blootgesteld aan (kunstmatig) licht en zullen de elektronen hun energie weer uitstralen. Deze energie wordt gemeten en is een maatstaaf voor de tijd dat het sediment afgesloten is geweest van zonlicht, oftewel wanneer het sediment is afgezet.

Dateren van sedimentkernen uit Småland

Goed, dat was een flink stukje ingewikkelde theorie achter luminescentie. Hoe kunnen geologen dit principe gebruiken als daterings-tool? Dit zal ik uitleggen aan de hand van een kort en simpel voorbeeld. Småland, een grote provincie in Zuid-Zweden, staat (naast zijn bekendheid onder de IKEA-liefhebbers) bekend om zijn enorm aantal bossen en meren. Een van deze meren is Bolmen, een 37 meter diep meer met een oppervlakte van 184 km² (Afbeelding 2). In dit meer wordt een sedimentkern genomen (afbeelding 3) van 10 meter diep, en men wil bepalen wat de ouderdom van het sediment op 10 meter diepte is. Anders gezegd, ze willen weten wanneer de sedimentkorrels op deze diepte zijn begraven en voor het laats zijn blootgesteld aan (zon)licht. De luminescente methode is hiervoor de meest geschikte methode.

Allereerst wordt natuurlijk de sedimentkern ingezet. Een soort bus waarin het losse sediment terecht komt bij de boring. Ook wordt er een stralingsmeter de grond in geboord die de dose-rate zal bepalen. De gemeten dose-rate bedraagt omgerekend 2 Grey per 1.000 jaar (Grey (symbool Gy) is de eenheid van hoeveelheid geabsorbeerde ioniserende straling; 1 Gy = 1 J/kg). Na het nemen van de kernen zullen deze, geheel afgesloten van zonlicht, naar het laboratorium worden gebracht voor onderzoek en in verschillende monsters worden verdeeld. Aan de hand van een deel van de monsters wordt de paleo-dose bepaald, die 1,5 Grey bedraagt. De overige sedimentmonsters worden bestraald met kunstmatig licht. Hierdoor zullen alle elektronen die door de tijd heen vast zijn komen te zitten in een hogere energietoestand in één keer terugvallen en de energie die zij bezaten, uitstralen. Uit de metingen blijkt deze energie 5 Grey te zijn.

Het laatste deel van de ouderdomsbepaling is misschien wel het allersimpelst. Wanneer bekend is dat de samples 5 Grey aan energie bezaten en vóór sedimentatie al 1,5 Grey aan energie bezat, betekent dat dat de sedimenten na afzetten dus 5-1,5=3,5 Grey aan energie hebben opgenomen. Wanneer de sedimenten 2 Grey per 1.000 jaar ontvangen, zijn deze dus 3,5/2 x 1000 = 1750 jaar oud (oftewel 1750 jaar geleden begraven geraakt en gesedimenteerd). Eigenlijk is het principe van de luminescente dateringsmethode dus helemaal niet zo ingewikkeld (een laatste overzicht is te zien in afbeelding 4). Mede door de grote nauwkeurigheid van de ouderdomsbepaling, wordt deze methode wereldwijd veel toegepast. Naast het dateren van meer-sedimenten kan gedacht worden aan bijvoorbeeld het dateren van gletsjer-sedimenten, zandkorrels in rivieren, woestijn/duin-afzettingen, potscherven en nog veel meer. Kortom, een methode met uitgebreide mogelijkheden!

Nederlandse vertaling bij de afbeelding hiernaast, nummering hetzelfde als in de afbeelding.

1. Sedimentkorrels worden blootgesteld aan licht en geheel ontdaan van hun luminescente signaal.
2. Ionizerende straling als gevolg van elektronen in een hogere energiestaat accumuleert over tijd in de korrel.
3. Een kern wordt genomen door geologen
4. Het sample wordt voorbereid en bestudeerd in een donkere ruimte
5. Een deel van de samples wordt gebruikt voor het bepalen van de dose-rate
6. De samples worden bloot gesteld aan licht en het luminescente signaal wordt gemeten. Aan de hand van een plot wordt de totale dose van het sediment bepaalt. Nu kan een berekening van de ouderdom plaats vinden.