College van de maand: Het dateren van mineralen en gesteenten.

In de geologie wordt bij de uitleg van diverse processen veel gebruik gemaakt van de leeftijd van stenen en mineralen. Maar hoe weet men precies hoe oud alles is. Vandaag hoop ik dat mysterie een beetje te ontrafelen door de theorie achter het dateren van gesteente uit te leggen.

Figuur 1. Illustratie over hoe materiaal is opgebouwd uit atomen. Deze atomen bestaan vervolgens uit elektronen, neutronen en protonen.Bron: Wikimedia.

Om gesteente te kunnen dateren wordt gebruik gemaakt van de halfwaardetijd. Om dit beter te begrijpen moet je eerst weten hoe een element is opgebouwd. Hier een klein opfrismoment. Elementen zijn opgebouwd uit elektronen, neutronen en protonen (zie fig. 1). De hoeveelheid protonen bepaald welk element het is, de hoeveelheid neutronen bepaalt welke isotoop het is. Er zijn heel veel verschillende combinaties van isotopen. Sommige van deze isotopen zijn stabiel en blijven hun ‘gehele’ leven de zelfde isotoop. Andere kunnen instabiel zijn en kunnen uiteenvallen waardoor ze een ander element vormen.

Datering d.m.v. halfwaardetijd is een techniek waarbij men kijkt naar de tijd die nodig is om van een oorspronkelijke hoeveelheid stof nog precies de helft over te houden. Dit principe wordt veelal gebruikt bij radioactief verval van onstabiele isotopen. De onstabiele isotoop vervalt naar een ander isotoop. De isotoop die vervalt wordt de Parent isotoop genoemd en de isotoop die ontstaat wordt de Daughter genoemd.

Er zijn verschillende soorten verval waarbij de voornaamste benoemd worden als alfa-, bèta- en gammaverval. Gammaverval ontstaat doordat de elektronen energie afstaan teneinde een niveau lager / dichter bij de kern te komen. Bètaverval heeft 2 varianten die ongeveer op hetzelfde neerkomen. Een neutron kan uit elkaar vallen in een elektron en een proton, bij dit proces komt straling vrij. Een proton en een elektron kunnen ook samenvoegen tot een neutron, dit proces geeft ook radiatie af. Tot slot alfaverval. Hierbij stoot de kern een alfa deeltje uit, wat bestaat uit twee protonen en twee neutronen. Dit wordt ook vaak gezien als het uitstoten van een helium 2+ deeltje. Er zijn dus verschillende soorten verval, waardoor er dus op verschillende manieren een Parent / Daughter verhouding ontstaat.

Een voorbeeld is Rubidium-87 (87Rb) dat vervalt naar Strontium-87 (87Sr) doordat een neutron in de kern van het Rubidium omgezet word in een proton en een elektron, een vorm van bètaverval. Dit proces kan als formule worden weergegeven: 8737Rb -> 8738Sr + β- . De formule geeft aan dat het aantal neutronen en protonen samen hetzelfde blijven, het getal 87 staat voor het atoomnummer. Het aantal protonen neemt toe, van 37 naar 38 omdat een neutron uiteenvalt in een proton en elektron, dus ook de naam en het symbool veranderen.

Figuur 2. Smelt waarin zich kristallen beginnen te vormen. Een element als Rb wil liever in de smelt zitten dan in het kristal terwijl een element als Sr liever in het kristal gaat zitten. Bron: schets door de auteur.
Mineralen ontstaan o.a. doordat ze kristalliseren uit een magma, ook wel smelt genoemd. Er zijn bepaalde elementen die graag in de smelt blijven hangen, maar ook elementen die zich graag willen binden aan andere elementen en zo samen in een mineraal willen uitkristalliseren. Het element Rb zal liever in de vloeibare smelt achterblijven terwijl Sr juist door mineralen als plagioklazen, die eerder uitkristalliseren, wordt opgenomen. (zie fig. 2). De rede dat rubidium graag in de smelt wil blijven is een eigenschap van het element zelf. Voor wie interesse heeft in een meer gedetailleerde uitleg, deze staat aan het einde van dit artikel.

In dit soort mineralen zit er dus weinig Rb in verhouding en in mineralen die zijn ontstaan omdat de achtergebleven smelt toch heeft moeten kristallen zit juist veel Rb. Als de kristallen van een mineraal gegroeid zijn en afgesloten zijn, dan kan er ingroei plaatsvinden.

Op het moment dat een stof begint te kristalliseren is het systeem nog erg warm. Hierdoor heeft het kristal wel randen, maar kunnen elementen binnen en buiten het kristal nog van plaats wisselen (zie fig. 3). Het systeem is nog open. Hoe meer het kristal afkoelt, hoe minder makkelijk dit gaat. Uiteindelijk ontstaat er een gesloten systeem (zie fig. 4).

Figuur 3. Een kristal heeft zich kunnen vormen en elementen kunnen zich nog vrij bewegen. Bron: schets van de auteur.
Figuur 4. Het kristal is afgekoeld en gesloten. Er vind geen uitwisseling meer plaats. Bron: schets van de auteur.
Figuur 5. Ingroei van een element (de blauwe rondjes) doordat een ander element vervalt (de zwarte sterretjes). De ingroei is te zien door de verschillende tijdstippen (t=0 t/m t=2) waarop gekeken wordt naar het kristal. Bron: schets van de auteur.

Alle elementen die zich in het kristal bevinden blijven daarin zitten en kunnen er niet meer uit. Maar als zich een instabiel isotoop in het kristal bevindt, dan kan deze wel vervallen. Op deze manier kan er ingroei plaatsvinden van het dochter isotoop (zie fig. 5). Naarmate er meer en meer tijd verstrijkt wordt de verhouding Parent/ Daughter steeds kleiner omdat er steeds meer Daughter isotopen bij komen. Door deze verhouding te meten, kan vervolgens de leeftijd van het gesteente/mineraal bepaald wordt. Wat de initiële hoeveelheid van de Sr is kan afgeleid worden uit andere gegevens van de steen. De hoeveelheid ingroei kan je dus vervolgens berekenen. Aan de hand van de verhouding tussen 87Rb/87Sr en de verhouding tussen 87Sr/86Sr kan men de ouderdom van het gesteente bepalen. De halfwaardetijd van Rubidium-87 is ongeveer 49,2 miljard jaar. Door deze lange tijd is het uiterst geschikt om oude gesteentes te dateren, maar een steen hoeft niet 50 miljard jaar oud te zijn om Rb-Sr datering op te kunnen toepassen.

Er zitten uiteraard wel een paar haken en ogen aan de methode. Zo meet je niet de tijd sinds het kristal gevormd is, maar meet je pas vanaf het tijdstip dat het kristal gesloten is. Dus sinds er geen uitwisseling meer plaats vindt van elementen. Hierdoor gebeurt het soms dat verschillende kristallen verschillende meetwaarden voor de leeftijden geven.
Verder kunnen de isotopen verhoudingen weer door elkaar gaan als het kristal weer open komt te staan. Dit kan gebeuren doordat het kristal weer opwarmt door bijvoorbeeld metamorfe processen. Ook schijnt het zo te zijn dat eigenlijk elk isotoop onstabiel is en dus vervalt. Alleen zijn de stabiele isotopen (de zogenaamde primordiale isotopen) dus zó stabiel dat de halfwaardetijd gelijk of vele malen groter is dan de leeftijd van dit universum. Hierdoor hebben we ze gewoon nog niet kunnen zien vervallen.

Waarom wil rubidium zich niet binden aan andere elementen en zo een bouwsteen vormen voor een mineraal. Rubidium is een van de incompatibele elementen. Dit is een groep elementen die vaak in grotere concentraties in de smelt of magma te vinden is, omdat ze niet gemakkelijk in mineralen komen. Incompatibele elementen kunnen zich moeilijk vestigen op de kation plaatsen van een mineraal omdat ze ongeschikt zijn qua grootte en /of vanwege lading die ze hebben. Elementen als Kalium, Rubidium en Barium zijn ‘te groot’ en worden LILE (Large-Ion Lithopile Elements genoemd. Andere elementen als Zirkonium, Hafnium en Uranium hebben een te grootte lading en worden HFSE (High-Field-Strength Elements) genoemd.