Over isotopische dating maatstaven voor geologische tijd

Het werk van geologen is om het ware verhaal van de geschiedenis van de aarde te vertellen - meer precies, een verhaal over de geschiedenis van de aarde dat steeds waarder is. Honderd jaar geleden hadden we weinig idee van de lengte van het verhaal - we hadden geen goede maatstaf voor tijd. Tegenwoordig kunnen we met behulp van isotopische dateringsmethoden de leeftijd van rotsen bijna net zo goed bepalen als we de rotsen zelf in kaart brengen. Daarvoor kunnen we radioactiviteit bedanken, ontdekt aan het begin van de vorige eeuw.

De behoefte aan een geologische klok

Honderd jaar geleden waren onze ideeën over de leeftijd van rotsen en de leeftijd van de aarde vaag. Maar stenen zijn natuurlijk heel oude dingen. Afgaande op het aantal gesteenten dat er is, plus de onmerkbare snelheden van de processen die ze vormen - erosie, begrafenis, fossilisatie, opheffing - moet het geologische record ongekende miljoenen jaren vertegenwoordigen. Het is dat inzicht, voor het eerst uitgedrukt in 1785, dat James Hutton de vader van de geologie maakte.

Dus we wisten van 'diepe tijd', maar het verkennen ervan was frustrerend. Al meer dan honderd jaar was de beste methode om de geschiedenis te ordenen het gebruik van fossielen of biostratigrafie. Dat werkte alleen voor sedimentair gesteente en slechts enkele daarvan. Rotsen uit het Precambrium-tijdperk hadden alleen de zeldzaamste slierten fossielen. Niemand wist zelfs hoeveel van de geschiedenis van de Aarde onbekend was! We hadden een nauwkeuriger gereedschap nodig, een soort klok, om het te meten.

The Rise of Isotopic Dating

In 1896 liet Henri Becquerel's toevallige ontdekking van radioactiviteit zien wat mogelijk zou kunnen zijn. We hebben geleerd dat sommige elementen radioactief verval ondergaan, spontaan veranderen in een ander type atoom terwijl ze een uitbarsting van energie en deeltjes afgeven. Dit proces gebeurt met een uniforme snelheid, zo stabiel als een klok, niet beïnvloed door normale temperaturen of gewone chemie.

Het principe van het gebruik van radioactief verval als dateringsmethode is eenvoudig. Overweeg deze analogie: een barbecue vol brandende houtskool. De houtskool brandt met een bekende snelheid, en als je meet hoeveel houtskool er nog is en hoeveel as zich heeft gevormd, kun je zien hoe lang geleden de grill was aangestoken.

Het geologische equivalent van het aansteken van de grill is de tijd waarop een minerale korrel stolde, of dat nu lang geleden in een oud graniet is of gewoon vandaag in een verse lavastroom. De vaste minerale korrel vangt de radioactieve atomen en hun vervalproducten op, waardoor nauwkeurige resultaten worden gegarandeerd.

Kort nadat radioactiviteit was ontdekt, publiceerden onderzoekers enkele proefdata van gesteenten. Zich realiserend dat het verval van uranium helium produceert, bepaalde Ernest Rutherford in 1905 een leeftijd voor een stuk uraniumerts door de hoeveelheid erin gevangen helium te meten. Bertram Boltwood gebruikte in 1907 lood, het eindproduct van uraniumverval, als een methode om de leeftijd van het mineraal uraniniet in sommige oude rotsen te bepalen.

De resultaten waren spectaculair maar voorbarig. De rotsen leken verbazingwekkend oud te zijn, variërend in leeftijd van 400 miljoen tot meer dan 2 miljard jaar. Maar destijds wist niemand van isotopen. Toen isotopen eenmaal werden verklaard, in de jaren 1910, werd het duidelijk dat radiometrische dateringsmethoden niet klaar waren voor prime time. 

Met de ontdekking van isotopen ging het dateringsprobleem terug naar af. De cascade van uranium-naar-lood verval is bijvoorbeeld echt twee uranium-235 verval naar lood-207 en uranium-238 verval naar lood-206, maar het tweede proces is bijna zeven keer langzamer. (Dat maakt uranium-lood datering bijzonder nuttig.) In de komende decennia werden nog zo'n 200 andere isotopen ontdekt; bij degenen die radioactief waren, werd hun vervalsnelheid bepaald in nauwgezette laboratoriumexperimenten.

Tegen de jaren 1940 maakte deze fundamentele kennis en vooruitgang in instrumenten het mogelijk om data te bepalen die iets betekenden voor geologen. Maar technieken gaan vandaag nog steeds vooruit, omdat bij elke stap een reeks nieuwe wetenschappelijke vragen kunnen worden gesteld en beantwoord.

Methoden voor isotopische datering

Er zijn twee hoofdmethoden voor isotopische datering. Men detecteert en telt radioactieve atomen door hun straling. De pioniers van radiokoolstofdatering gebruikten deze methode omdat koolstof-14, de radioactieve isotoop van koolstof, zeer actief is en met een halfwaardetijd van slechts 5730 jaar vervalt. De eerste radiokoolstoflaboratoria werden ondergronds gebouwd, met antieke materialen van vóór het tijdperk van de jaren 1940 van radioactieve besmetting, met als doel achtergrondstraling laag te houden. Desondanks kan het weken duren van de patiënt tellen om nauwkeurige resultaten te krijgen, vooral in oude monsters waarin nog maar weinig koolstofatomen over zijn. Deze methode wordt nog steeds gebruikt voor schaarse, zeer radioactieve isotopen zoals koolstof-14 en tritium (waterstof-3).

De meeste vervalprocessen van geologisch belang zijn te traag voor methoden voor het tellen van verval. De andere methode is gebaseerd op het feitelijk tellen van de atomen van elke isotoop, niet wachten tot sommige ervan vervallen. Deze methode is moeilijker maar veelbelovend. Het gaat om het voorbereiden van monsters en ze door een massaspectrometer te laten lopen, die ze atoom per atoom volgens gewicht even netjes sorteert als een van die muntsorteermachines.

Overweeg bijvoorbeeld de datingmethode met kalium-argon. Atomen van kalium komen in drie isotopen. Kalium-39 en kalium-41 zijn stabiel, maar kalium-40 ondergaat een vorm van verval waardoor het argon-40 wordt met een halfwaardetijd van 1,277 miljoen jaar. Dus hoe ouder een monster wordt, hoe kleiner het percentage kalium-40 en omgekeerd hoe hoger het percentage argon-40 ten opzichte van argon-36 en argon-38. Een paar miljoen atomen tellen (gemakkelijk met slechts microgram steen) levert data op die behoorlijk goed zijn.

Isotopische datering heeft de hele eeuw van vooruitgang die we hebben geboekt in de ware geschiedenis van de aarde, ten grondslag gelegd. En wat gebeurde er in die miljarden jaren? Dat is genoeg tijd om alle geologische gebeurtenissen waar we ooit van hoorden te passen, met miljarden over. Maar met deze dateringstools zijn we bezig geweest met het in kaart brengen van diepe tijd en het verhaal wordt elk jaar nauwkeuriger.