(Fr.: géochronologie; Du.: Geochronologie; Eng.: geochronology), de wetenschap die zich bezighoudt met het dateren van gebeurtenissen in de ontwikkelingsgeschiedenis van de aarde en andere vaste lichamen in het zonnestelsel (vooralsnog alleen meteorieten en de maan); tegenwoordig in het bijzonder de ‘absolute’ datering in jaren van gesteenten, mineralen en andere objecten door gebruik te maken van de kernmutaties van een aantal in de materie van het zonnestelsel voorkomende radioactieve nucliden, in het bijzonder koolstof-14, kalium-40, rubidium-87, thorium-232, uraan-235 en uraan-238.
De mutatiesystemen hiervan vormen even zovele onafhankelijke radioactieve chronometers die in de materie zijn ingebouwd en waaraan kan worden afgelezen hoeveel tijd is verstreken sinds bijv. de vorming van een gesteente of mineraal (isotopen-geochronologie, ook wel genoemd radioactieve, radiometrische of isotopische ouderdomsbepaling).
Principe.
Voor radioactieve mutatiesystemen geldt de betrekking:
N = N0e−λt
waarin N0 het oorspronkelijk aanwezige aantal radionucliden representeert, en N het aantal na verloop van een tijdsduur t. De grootheid λ is de vervalconstante, de fractie van het op een bepaald ogenblik aanwezige aantal atomen, dat in een daarop volgende tijdsduur gelijk aan de eenheid van tijd, zal muteren. De vervalconstante, die dus een maat is voor het tempo, waarin het radioactieve element overgaat in het ‘dochterprodukt’, is een voor elke radioactieve nuclide(soort) karakteristieke grootheid (tevens zie Desintegratie). Een andere uitdrukkingsvorm is de halveringstijd, gedefinieerd als de tijd die moet verstrijken om van een zeer groot aantal atomen van de radioactieve stof de helft in het mutatieprodukt te doen overgaan. Is bekend hoe groot het aantal van de desbetreffende radionucliden was tijdens de vorming van het voorwerp (N0), dan kan de sedertdien verstreken tijd worden bepaald door vast te stellen hoeveel van het radionuclide thans nog is overgebleven (N):
t = 1/λ ln (N0/N)
In plaats van de oorspronkelijk aanwezige hoeveelheid van het radionuclide, kan men ook uitgaan van de hoeveelheid van het stabiele dochterprodukt (D) die ten gevolge van de radioactieve mutaties daarvoor in de plaats is gekomen:
t = 1/λ ln (D/N + 1)
Beide methoden worden toegepast. Vergelijking van de resterende met de oorspronkelijke hoeveelheid van het radionuclide geschiedt bij dateringen die gebruik maken van het koolstofisotoop 14C.
Bij chronometrie die berust op de radionucliden 40K, 87Rb, 232Th, 235U en 238U, wordt de resterende hoeveelheid van het radionuclide vergeleken met de hoeveelheid van het geaccumuleerde radiogene dochterprodukt.
Aflezing van een radioactieve chronometer levert alleen de juiste ouderdom indien het te dateren voorwerp een gesloten systeem is gebleven wat betreft de elementen van het mutatiesysteem waarop men zich baseert. Aan deze voorwaarde is lang niet altijd voldaan; derhalve zijn series dateringen vereist aan verschillende monsters, zo mogelijk berustend op verschillende mutatiesystemen, om tot een betrouwbare ouderdomsbepaling te komen.
Methoden.
Bij de in de natuur voorkomende radioactieve nucliden moet onderscheid gemaakt worden tussen enerzijds nucliden waarvan de halveringstijd kort is (<<108 jaar) vergeleken met de ouderdom van het zonnestelsel, nl. 46 × 108 (4,6 miljard) jaar, en anderzijds nucliden met relatief lange halveringstijden (> 108 jaar). Nucliden van de laatstgenoemde groep zijn, hoewel in geleidelijk afnemende hoeveelheden, steeds in de materie van het zonnestelsel aanwezig geweest. Daarentegen zouden nucliden van de eerste groep reeds lang zijn uitgestorven, indien zij niet voortdurend zouden worden geproduceerd, voornamelijk door kernreacties onder invloed van kosmische straling en door de kernmutaties van de elementen der U- en Th-vervalreeksen.
De mutaties van kortlevende nucliden verschaffen de methoden voor datering van daartoe geschikte jongere objecten (ouderdom << 106 jaar). De belangrijkste hiervan is de koolstof-14-methode. Methoden ter bepaling van de ouderdom van niet te jonge mineralen en gesteenten (ouderdom > 105 jaar) berusten daarentegen op mutaties van nucliden met lange halveringstijden. In vergelijking tot de ouderdom van het zonnestelsel mogen deze echter ook weer niet te lang zijn, omdat dan geen meetbare accumulaties van het mutatieprodukt kunnen zijn opgetreden. Derhalve zijn alleen radioactieve nucliden bruikbaar met halveringstijden van ca. 108...1011 jaar, die bovendien aan een aantal geochemische voorwaarden moeten voldoen. De belangrijkste hiervan is dat het radioactieve element en het stabiele mutatieprodukt geen overeenkomstige chemische eigenschappen bezitten, zodat geochemische processen bij de vorming van gesteenten en mineralen kunnen leiden tot een behoorlijke scheiding van moeder- en dochterelement. Voor ouderdomsbepaling van gesteenten die is gebaseerd op de vervalprocessen van langlevende radionucliden, komen derhalve in de praktijk slechts vijf methoden in aanmerking: de kalium-argon-, de rubidium-strontium-, de thorium-lood- en de beide uraan-loodmethoden.
Koolstof-14-methode (radiokoolstofmethode).
Het radioactieve koolstofisotoop 14C ontstaat in de buitenste lagen van de atmosfeer onder invloed van kosmische straling door de reactie 14N (n,p) 14C. Dit 14C vervalt met een halveringstijd van 5730 (± 50) jaar weer tot 14N (β−-emissie). Tot voor kort bestond alle koolstof in de atmosfeer en in levende organismen, die met de atmosfeer in uitwisseling staan, voor een constant, geringe percentage (ca. 10−10 %) uit 14C. Ging het organisme dood, dan hield de koolstofuitwisseling op en nam door radioactief verval de de 14C-concentratie geleidelijk af. Door in een archeologische vondst of in planteresten de nog resterende 14C-activiteit te meten, kan de datum van overlijden van het object bepaald worden. Praktisch is deze dateringsmethode uitvoerbaar voor objecten niet ouder dan ca. 70.000 jaar.
Het 14C-gehalte in de atmosfeer is de laatste eeuw door menselijke activiteiten (verbranding van fossiele brandstoffen, kernexplosies, kernreactoren) drastisch verstoord, zodat deze dateringsmethode in de toekomst niet meer bruikbaar zal zijn voor objecten die thans ontstaan.
Kalium-argonmethode.
Het in de natuur voorkomende kalium bestaat voor 0,0118% uit het radioactieve isotoop 40K dat muteert tot twee andere nucliden, nl. een isotoop van argon 40Ar en een isotoop van calcium 40Ca. Van het totale aantal kernmutaties gaat 11,2% naar argon (elektronenvangst uit de K-schil) en 88,8% naar calcium (β−-emissie). De halveringstijd van 40K is 1,31 × 109 (1,31 miljard) jaar.
Door in daartoe geschikte objecten de hoeveelheden kalium en radiogeen 40Ar te bepalen, kan de ouderdom van het object worden berekend. Deze methode is in het bijzonder toepasbaar op magmatische gesteenten van basaltische samenstelling (basaltische lava’s, gabbro’s, dolerieten), en op mineralen als muskoviet, biotiet, hoornblende, glauconiet en de K-veldspaat sanidien.
Rubidium-strontiummethode.
Het in de natuur voorkomende rubidium bestaat voor 27,85% uit het radioactieve isotoop 87Rb dat met een halveringstijd van 50 × 109 jaar vervalt tot een isotoop van strontium 87Sr (β−-emissie).
Door meting van de gehalten aan rubidium en radiogeen 87Sr wordt de ouderdom van het object bepaald. De methode is in het bijzonder toepasbaar op granitische en ryolitische gesteenten, op oude magmatische gesteenten van basaltische samenstelling (basaltische lava’s, gabbro’s, dolerieten), en op mineralen als muscoviet, biotiet en kaliumveldspaten.
Thorium-loodmethode.
Het radioactieve thorium (voor 100% bestaande uit het isotoop 232Th) gaat via een reeks van radioactieve tussenprodukten over in een isotoop van lood, 208Pb, en in zes 4He-kernen (4β−-emissie). De halveringstijd is 14,01 × 109 jaar. Uit de gehalten aan thorium en radiogeen 208Pb berekent men de ouderdom van het object. Deze methode wordt in het bijzonder toegepast op zirkoon.
Uraan-loodmethoden.
Uraan bestaat voor 99,274% uit 238U en voor 0,7203% uit 235U. Beide isotopen zijn radioactief en vervallen via reeksen van radioactieve tussenprodukten, tot 4He en verschillende isotopen van lood; 238U levert met een halveringstijd van 4,468 × 109 jaar: 206Pb + 8 4He (6β−-emissie); 235U, met een halveringstijd van 0,704 × 109 jaar; 207Pb + 7 4He (4β−-emissie). Men heeft aldus twee methoden voor de ouderdomsbepaling: de ene gebaseerd op de hoeveelheden 238U en radiogeen 206Pb, en de andere op de hoeveelheden 235U en radiogeen 207Pb. Deze methoden zijn toepasbaar op mineralen als zirkoon, titaniet en het uraanerts uraniniet.
Onveranderlijkheid vervalconstanten.
Het fundamentele uitgangspunt bij de isotopen-geochronologie is dat de vervalconstante van elk der benutte radionucliden in alle geologisch mogelijke omstandigheden en door de gehele geologische tijd (4,6 × 109 jaar) inderdaad een constante is geweest. De geldigheid van deze veronderstelling volgt uit de kernfysica. Met uitzondering van de mutatie 40K ⟶ 40Ar gaat het bij alle voor de ouderdomsbepaling relevante radioactieve mutaties processen die zich geheel binnen de atoomkern afspelen. Onder de omstandigheden die in de materie van ons zonnestelsel heersen en hebben geheerst zijn deze processen onafhankelijk van externe fysische en chemische condities. Voor een proces waarbij elektronenvangst plaatsvindt, bijv. de mutatie 40K ⟶ 40Ar, is een uiterst geringe beïnvloeding door externe omstandigheden in principe wel mogelijk, doch de gevolgen hiervan op de waarde van λ zijn, in ieder geval voor zover het de geochronologie betreft, verwaarloosbaar.
Dat de veronderstelling van de onveranderlijke vervalconstante ook correct is wanneer het gaat om de miljarden jaren van de geologische tijd, wordt zeer fraai bewezen door een effect dat waarneembaar is in gesteenten nabij radioactieve mineraalfasen. In sommige mineralen doet ionisatie ten gevolge van het voortdurende bombardement met ⍺-deeltjes (4He-kernen) rondom een ⍺-straler kleurveranderingen ontstaan. Aangezien de ionisatie vooral optreedt aan het einde van het traject dat het geëmitteerde ⍺-deeltje aflegt (zie Dracht) vormt zich om de stralingsbron een bolschil waarin het mineraal is verkleurd. De dracht van een ⍺-deeltje is echter direct gerelateerd aan de vervalconstante van het emitterende radionuclide. Om een U- en/of Th-houdend mineraalkorreltje ontstaan derhalve concentrische verkleurde bolschillen, waarbij elke bolschil één der ⍺-emitterende leden van de U- en/of Th-vervalseries representeert. Het bekendst en meest verbreid zijn de donkere pleochroïtische halo’s die op deze wijze in het mineraal biotiet zijn gevormd rondom insluitseltjes van het mineraal zirkoon, en waarin de straal van de buitenste bolschil 43 μm bedraagt (212Po).
Zouden in de loop van de geologische tijd de vervalconstanten van de radionucliden die ⍺-straling emitteren zijn veranderd, dan zouden er ten gevolge van de corresponderende veranderingen in de drachten van de geëmitteerde ⍺-deeltjes verschillen moeten zijn tussen de pleochroïtische halo’s in zeer oude en in jonge gesteenten. Dit is echter niet het geval: de opbouw van de halo’s, de breedten van de verkleurde zones en de stralen van de concentrische bolschillen zijn altijd gelijk, onverschillig of de biotiet 3 miljard dan wel 10 miljoen jaar oud is. Het enige onderscheid is dat de intensiteit van de verkleuring toeneemt met de ouderdom van het gesteente. De onveranderlijkheid van de vervalconstanten door de geologische tijd is hiermee, in ieder geval voor de leden van de U- en Th-families die ⍺-straling uitzenden, gedemonstreerd.
Techniek.
Hoewel alle radioactieve chronometers op dezelfde principes berusten, vallen de gevolgde meettechnieken in twee hoofdgroepen uiteen. Voor datering gebaseerd op het verval van koolstof-14 wordt in het object de resterende hoeveelheid 14C bepaald door meting van de (geringe) 14C-activiteit in telbuizen die zeer goed afgeschermd zijn tegen kosmische en andere straling. Bij de dateringsmethoden die berusten op langlevende radionucliden bepaalt men in het gesteente of mineraal, behalve de hoeveelheden van de beide elementen van het radioactieve mutatiesysteem, de mate waarin het dochterelement verrijkt is met het radiogene isotoop. Voor dergelijke metingen maakt men gebruik van een massaspectrometer.
De uitvoering van radiometrische ouderdomsbepalingen is vrij gecompliceerd en vereist een uitgebreide apparatuur.
Een bekend centrum voor dateringen met behulp van koolstof-14 is het Laboratorium voor Isotopen-Fysica der Rijksuniversiteit te Groningen, waar wijlen Prof. Dr. Hl. de Vries reeds in de jaren vijftig belangrijk pionierswerk op dit gebied verrichtte. Het geochronologische onderzoek dat berust op de in gesteenten en mineralen aanwezige langlevende radionucliden is in Nederland geconcentreerd in het ZWO-Laboratorium voor Isotopen-Geologie te Amsterdam, in België in het Centrum voor Geochronologie te Brussel.
Resultaten.
Dateringen met koolstof-14 zijn een onmisbaar hulpmiddel geworden in de archeologie. De laatste 70.000 jaar van de geschiedenis der mensheid kan met behulp van deze methode van jaartallen worden voorzien. Ook in de geologie van het jongste deel van het Kwartair spelen deze dateringen een belangrijke rol.
Met de dateringsmethoden berustend op langlevende radionucliden wordt de gehele 4600 miljoen jaar lange geschiedenis van het zonnestelsel bestreken. Deze ouderdomsbepalingen hebben sinds het begin der jaren zestig de kennis van de ontwikkelingsgeschiedenis van de aarde en (sinds de Apollo-expedities) de maan enorm doen toenemen, niet alleen wat het historische aspect betreft, maar ook ten aanzien van de aard van de grote processen die zich binnen onze planeet afspelen, door deze te voorzien van de dimensie tijd.
Onder de ouderdom van gesteenten en mineralen verstaat men de tijdsduur die is verstreken sinds het tijdstip waarop deze de vorm hebben aangenomen, waarin ze zich thans aan ons voordoen. Telkenmale in de geschiedenis van de aarde zijn delen van de materie waaruit de aarde bestaat omgesmolten, waarna uit deze smelt (magma) nieuwe gesteenten zijn gevormd, of gesteenten zijn onder invloed van hoge druk en temperatuur gerekristalliseerd (metamorfose). De gigantische hoeveelheden energie die met deze processen zijn gemoeid worden geleverd door de warmte die vrijkomt bij de mutaties van de radioactieve nucliden in de aarde (in het bijzonder uraan, thorium en de kaliumisotoop 40K). Bepaling van de ouderdom van gesteenten en mineralen geeft dus een beeld van de verdeling in ruimte en tijd over de aarde van gebeurtenissen als magmavorming, vulkanisme, tektonische en andere orogene processen, metamorfose, enz.
Een gesteente kan gedurende zijn bestaan aan velerlei invloeden blootgesteld zijn geweest: verhitting, toeneming van de druk, circulatie van oplossingen die bestanddelen kunnen toe- of afvoeren, enz. De verschillende elementen en mineralen die voor de bepaling van de ouderdom van belang zijn kunnen op verschillende manieren op deze invloeden gereageerd hebben. In een zelfde gesteente kunnen derhalve uiteenlopende ouderdommen worden gemeten, die elk een andere gebeurtenis in de geschiedenis van het gesteente representeren.
Radioactieve ouderdomsbepalingen zijn mogelijk op magmatische en metamorfe gesteenten. Op sedimentgesteenten zijn deze methoden slechts bij uitzondering toepasbaar, bijv. op jonge koolstofhoudende sedimenten (minder dan 70.000 jaar geleden afgezet) of op sedimenten die het authigene (nieuw gevormde) mineraal glauconiet dan wel ingeschakelde vulkanische aslagen bevatten. Sedimentgesteenten kunnen soms ook indirect gedateerd worden ten opzichte van magmatische of metamorfe gesteenten van bekende ouderdom; indien bijv. sedimentgesteenten zijn afgezet op een graniet van ouderdom A en na hun afzetting zijn geïntrudeerd door een dolerietgang met ouderdom B, dan zijn A en B resp. de maximum- en de minimumouderdom van het sediment.
De voornaamste toepassing van de radioactieve ouderdomsbepalingen ligt in het onderzoek van het Precambrium, waarin géén of zeer weinig bruikbare fossielen voorkomen. De geologische kennis van de zgn. Precambrische Schilden, continentale gebieden die geheel uit Precambrische gesteenten bestaan en waarin het grootste deel van alle ertsafzettingen liggen, is sinds de invoering van deze dateringsmethoden aan het begin der jaren zestig dan ook op spectaculaire wijze toegenomen (zie afb.).
Een andere belangrijke toepassing is het aanbrengen van ‘jaartallen’ in de relatieve geologische tijdschaal. De oudste terrestrische gesteenten die tot dusverre zijn gevonden, zijn granitische gneissen met een ouderdom van ca. 3750 miljoen jaar in Z.W.-Groenland en in O.-Canada.
Ook op maanstenen en op meteorieten worden radioactieve ouderdomsbepalingen verricht (voorts zie Selenologie).