Radioactief dateren voorbij de laatste ijstijd

Uit dateringen van de oceaanbodem blijkt dat het tijdperk van de ijstijden tal van temperatuurschommelingen bevatte die nauwelijks zijn terug te vinden op het land. Een verbeterde dateringstechniek brengt daarin verandering.

Voor het schrijven van een gedétailleerde aardgeschiedenis zou men in eerste instantie willen beschikken over radioactieve elementen met korte halveringstijden. Maar bij nader inzien zijn korte halveringstijden niet altijd bruikbaar - na vierëneenhalf miljard jaar aardgeschiedenis is van zulke elementen natuurlijk niets meer over. Een element met een halveringstijd van een miljoen jaar heeft al 4.500 halveringstijden achter de rug, waardoor op aarde alleen theoretisch nog een paar atomen resten. Gelukkig komt de natuur ons hier te hulp: er ontstaan nog steeds nieuwe radioactieve atomen.

Radioactieve koolstof (C) is het bekendste voorbeeld. Ondanks de korte halveringstijd van 5.600 jaar is het nog steeds aanwezig doordat de kosmische straling aan de bovenzijde van de atmosfeer voortdurend een fractie van de stikstof in C omzet. De geringe hoeveelheid ervan maakt echter dat na tien halveringstijden geen meetbare hoeveelheid over is: met ouderdommen van 60.000 jaar is deze techniek aan het einde van haar mogelijkheden.

Er gaapt hierdoor een gat van zo'n een à twee miljoen jaar tussen de conventionele radiometrische technieken en de toepassing van radioactieve koolstof. In dit gat valt nu net het grootste deel van het pleistocene ijstijdvak met herhaalde grote schommelingen van het klimaat en de groei van uitgestrekte continentale ijskappen. Juist in dit interval zouden geologen graag over nauwkeurige dateringen willen beschikken. Maar gelukkig valt hier goed nieuws te melden - in een proefschrift aan de Rijksuniversiteit Groningen wordt een radiometrische methode beschreven waarmee dit gat grotendeels gevuld kan worden.

Moederelement

In de lange vervalsreeks die van uranium naar het stabiele eindprodukt lood leidt, worden voortdurend radioactieve isotopen gevormd, en op hun beurt vallen zij ook weer uit elkaar. Tussen de elementen in zo'n reeks bestaat evenwicht. Alleen de verhouding tussen het moederelement en het eindprodukt verandert, en levert een maat voor de verstreken tijd op. Niet altijd blijven de elementen bij elkaar; door natuurlijke factoren kunnen dochterisotopen gescheiden raken van het moederelement.

In de reeks die van uranium-238 via zes tussenstappen naar lood-206 leidt, gebeurt dit doordat het moederelement uranium-238 (halveringstijd 4,5 miljard jaar) en het er uit gevormde uranium-234 (halveringstijd 250.000 jaar) goed in water oplossen, terwijl de volgende dochterisotopen nagenoeg onoplosbaar zijn. Het gevolg is dat zeewater wel uranium bevat, maar niet de dochterisotopen.

Ook in de kalkskeletten van koralen en foraminiferen ontbreken aanvankelijk de dochterisotopen. Zij komen geleidelijk te voorschijn door verval van uranium-234 in thorium-230 (ionium). De mate waarin het evenwicht tussen uranium en thorium is hersteld, levert de ouderdom van sediment en fossielen. Het evenwicht wordt na ca. 350.000 jaar bereikt, en dat stelt een grens aan de bruikbaarheid van deze techniek.

Oceanen

Uranium/thorium-dateringen hebben sinds de jaren zestig belangrijk bijgedragen tot onze kennis van de geschiedenis van de oceanen. Wat voor zeewater geldt, geldt even goed voor zoetwater. De aanwezigheid van uranium in veen is reeds lang bekend. In beginsel zou het dus mogelijk moeten zijn om daar langs dezelfde weg dateringen te verkrijgen. Maar bij het onderzoek van zoetwaterafzettingen dreigen grote risico's: circulerend grondwater kan hier een spelbreker zijn. Een kritische keuze van de plaatsen waar monsters worden verzameld is een eerste vereiste.

In het Centrum voor isotopen-onderzoek van de Rijksuniversiteit van Groningen wordt al sinds enige jaren getracht goede dateringen van landmonsters uit te voeren. Het proefschrift van H. Heijnis is daar een nieuwe vrucht van. Elf zorgvuldig gekozen veenafzettingen gespreid in Europa zijn met de uranium/thorium-techniek gedateerd. De meeste onderzochte venen stammen uit de laatste ijstijd, die meer dan 100.000 jaar geleden begon en 10.000 jaar geleden eindigde. Twee van de onderzochte venen zijn mogelijk ouder en moeten wellicht nog in de er aan voorafgaande tussenijstijd (Eem-interglaciaal) worden geplaatst.

Het aldus bestreken interval is om twee redenen interessant voor toepassing van de uranium/thorium-techniek. Het grootste deel ervan ligt al buiten het bereik van koolstof-14-dateringen, zodat numerieke dateringen (in jaren) zeer welkom zijn.

In de tweede plaats doen zich binnen het lange, laatste glaciaal tal van kleinere klimaatschommelingen voor. Op grond van stuifmeelonderzoek is dit reeds lang bekend. Van de onderzochte veenprofielen waren pollendiagrammen beschikbaar, zodat enige controle op de gevonden radiometrische dateringen mogelijk is. In twee gevallen waren koolstof-14-dateringen beschikbaar, waardoor vergelijking van de uitkomsten met uranium/thorium-techniek mogelijk was.

Morenes

Waarin schuilt nu het bijzondere belang van dit onderzoek? Een eeuw lang was onze kennis van de laatste twee miljoen jaar, met zijn herhaald komen en gaan van grote ijskappen op de continenten van het noordelijke halfrond, grotendeels gebaseerd op de afzettingen die op het land zijn achtergebleven: morenes, loess, rivierafzettingen, enz. Maar geologische afzettingen vormen zelden een ononderbroken reeks. Op het land is er altijd erosie. Volledige opeenvolgingen vindt men nergens. Zelfs dalende gebieden, zoals Nederland, met ongewoon dikke afzettingen, ontsnappen hieraan niet altijd.

Na de oorlog is door boorschepen de oceaanbodem voor onderzoek toegankelijk geworden. In vergelijking met het land is de oceaanbodem een oase van rust, zodat deze een betrouwbaar beeld geeft van het verloop der gebeurtenissen. Vooral het onderzoek met behulp van de isotopen zuurstof-16 ("gewone zuurstof') en zuurstof-18 (iets zwaarder en een fractie van alle zuurstof) heeft daartoe bijgedragen.

Kalkschalen

De geringe schommelingen die de kalkschalen van oceanische organismen laten zien in hun gehalte aan O werden aanvankelijk geheel op rekening geschreven van schommelingen van de watertemperatuur. Maar spoedig bleek dat een andere factor van meer belang is: het gehalte aan Ovan het zeewater. Bij verdamping gaat er iets meer van het lichte isotoop Ode lucht in, en dit komt ook weer als neerslag naar beneden. Het gevolg is dat bij toenemende hoeveelheid landijs op Aarde (ijskappen en gletsjers), het zeewater iets armer wordt aan O. In de kalkschalen van organismen komt dit tot uiting, en zo weerspiegelt de O/O-samenstelling de totale hoeveelheid landijs en geeft een prachtig beeld van de schommelingen van de ijstijden.

Een van de grote verrassingen van het oceaanonderzoek was dat het aangetal schommelingen tussen fasen met meer en minder landijs veel groter blijkt dan men op grond van morenes en andere afzettingen op het land ooit heeft kunnen vermoeden. Het is nu een van de grote opgaven voor de komende jaren om de continentale schaal te koppelen aan de oceanische schaal. Numerieke dateringen, ouderdomsbepalingen in jaren en niet op andere kenmerken, zijn daartoe een eerste vereiste.

Heijnis toont zich uiterste behoedzaam in zijn conclusies, en het getuigt dan ook van een optimistische kijk wanneer hij aan het slot de verwachting uitspreekt dat het met de modernste apparatuur wellicht mogelijk zal blijken de uranium/thorium-techniek tot een half miljoen jaar terug te gebruiken. In het licht van de dringende behoefte aan datering van afzettingen op het land, opent dat een ongekend perspectief.

Proefschrift Uranium/Thorium dating of Late Pleistocene peat deposits in N.W. Europe.

Door H. Heijnis. Promotie Groningen, 9 november 1992. Promotores prof.dr. W.G. Mook en prof.dr. W.H. Zagzijn.