Oude koolstof in de Engbertsdijkvenen

De koolstof-14 methode stelt geologen in staat sedimenten te dateren. De nauwkeurigheid verbetert als wiebelingen in de jaarringenreeks bij bomen en die in sedimentlagen op elkaar worden gepast.

Voor de geoloog is diepte gelijk aan tijd. Als de sedimenten zich laag na laag afzetten, kunnen plantenresten uit een vertikaal profiel, gedateerd met de koolstof-14 methode, daarvan getuigen: hoe dieper hoe ouder. Maar aan die datering kleeft een probleem, zo vond de Amsterdamse promovendus Mark Kilian: sommige monsters bevatten 'oude' koolstof waardoor hun leeftijden te hoog uitvallen.

Koolstof-14 werkt als geologische klok. Dit zeldzame isotoop - normaal is koolstof-12 - ontstaat hoog in de atmosfeer onder invloed van kosmische straling. Radioactief verval doet deze permanente aanmaak teniet: in 5.730 jaar vervalt de helft tot stikstof, onder uitzending van -straling. Aanmaak en afbraak houden elkaar zo in evenwicht, met als resultaat een ongeveer constant percentage koolstof-14 in de atmosfeer. Als een plant, die zijn koolstof via koolzuurassimilatie (CO2) uit de atmosfeer haalt, sterft, zakt vanaf dat moment dus zijn gehalte aan koolstof-14. Op die manier is organisch materiaal tot circa 50.000 jaar oud te dateren. Bij nog hogere leeftijden is de concentratie resterende koolstof-14 te gering: minder dan eenduizendste van de startwaarde.

Jaarringen

Het percentage koolstof in de atmosfeer is niet helemaal constant. Door wisseling in zonneactiviteit zijn in de loop de jaren schommelingen opgetreden. Die komen aan het licht als de 'dendrochronologische' kalender erbij wordt genomen, in Europa gebaseerd op een ononderbroken serie jaarringen van eiken die terug gaat tot 11.000 jaar geleden. Kilian: “Bepaling van het koolstof-14 gehalte in deze jaarringen levert niet een regelmatig dalende curve op, maar een ijkcurve met pieken en dalen, wiggles. Daardoor leidt een experimenteel bepaald koolstof-14 gehalte in bijvoorbeeld een lijkwade of een zaadje niet altijd tot één leeftijd, maar vaak tot een serie mogelijke leeftijden, bijvoorbeeld in de periode rond 500 voor Christus.”

Kilian, tot voor kort als OIO (onderzoeker in opleiding) verbonden aan het Hugo de Vrieslaboratorium van de Onderzoeksschool voor Geo-Ecologie, is nagegaan hoe nauwkeurig de koolstof-14 dateringsmethode werkt in veenafzettingen. Daartoe zijn monsters genomen in de Engbertsdijkvenen bij Vriezenveen. Kilian: “We hebben een gat van een paar meter diep gegraven en in de wand zijn boven elkaar drie bakken van een halve meter hoog geslagen. Het materiaal is bevroren bij de vakgroep paleobotanie in Utrecht en met een snijmachine uit een boekbinderij bij vier graden onder nul in plakjes van een halve centimeter gesneden. Die zijn ontdooid, in chemicaliën gekookt, gezeefd en nagezocht op plantenresten. Niet alles uit een veenmonster hoeft op hetzelfde moment gevormd te zijn, er kan vloeistof of gas van latere datum inzitten, daar moet je op bedacht zijn. De kwaliteit van de dateringen hangt nauw samen met de botanische analyses, het herkennen van de planten, zoals die op het Hugo de Vrieslaboratorium zijn verricht.” De koolstof-14 dateringen zijn verricht door medewerkers van het Centrum voor Isotopenonderzoek van de Rijksuniversiteit Groningen. Kilian is een van de eerste onderzoekers die gebruik hebben kunnen maken van de AMS, de Accelerator Mass Spectrometer. Werd vroeger het gehalte aan koolstof-14 met telbuizen bepaald aan de hand van het stralingsniveau van een hoeveelheid monstergas, de AMS versnelt koolstofatomen uitgaande van de grafietvorm en stuurt ze door een magnetisch veld. Kilian: “Dit is een nieuw type versneller. Alle isotopen, koolstof-12, -13 zowel als -14, worden direct en op hetzelfde moment gemeten, en niet alleen de kleine fractie die vervalt. De AMS is niet alleen nauwkeuriger, in plaats van een gram aan materiaal volstaat nu een milligram.”

Uitgaande van de veronderstelling dat het veen in Overijssel zich in een constant tempo heeft afgezet, kon Kilian aan de hand van de Groningse meetresultaten een grafiek van het koolstof-14 niveau tegen de tijd tekenen, in eerste instantie met een tijdas - eigenlijk diepte-as - die nog niet van getallen was voorzien. Kilian: “Door de wiebelingen binnen het koolstof-14 patroon in de sedimentreeks te matchen met die in de boomringenreeks, is een absolute datering toch mogelijk. Het gaat hier om een nieuwe methode, waarbij het gebruik van meerdere dateringen een controle vormt op de individuele dateringen zelf. Natuurlijk is een evenredig verband tussen diepte en tijd een simpele aanname, maar het is het enige model dat je statistisch kunt testen en de uitkomsten brengen je verder.”

Reservoir-effect

Resultaat van dit wiggle-matchen van de jaarringenreeks en de sedimentlagenreeks is dat de Overijsselse veenmonsters in de grafiek van kalenderouderdom tegen koolstof-14 ouderdom kunnen worden ingetekend. Kilian: “Wat dan opvalt is dat monsters van uitsluitend bovengrondse plantenresten als veenmos de ijkcurve netjes volgen. Maar vervuild met heidewortels zijn ze al snel eeuwen te oud. Onze verklaring is dat ze hun koolstof voor een deel niet vers uit de lucht hebben gehaald, maar uit de ondergrond in de vorm van methaangas dat daar al een tijd zat en dat via schimmels is opgenomen.”Een paar monsters met heidewortels vertonen geen reservoir-effect. Volgens Kilian hangt dit samen met klimaatwisselingen. “In het veen dat we hebben onderzocht zijn twee van die omslagpunten aan te wijzen. In de periode 860-830 voor Christus wordt het opeens een stuk natter. Als de grondwaterspiegel omhoog komt, raken de wortels verstikt en nemen ze van de schimmels geen oud gas meer op, zodat het reservoir-effect verdwijnt. Het moment waarop dat gebeurt is geen toeval: tegelijk zie je een dip in het koolstof-14 gehalte, wat zich laat verklaren met het optreden van natte periodes. Wordt het weer droger, keert het effect terug. Het is voor een deel speculatie, maar als je onze onderzoeksresultaten combineert met gegevens over de zonneactiviteit, kom je er misschien achter waar klimaatverandering vandaan komt.”

    • Dirk van Delft