Foto met dank aan Paul Mueller
Wat zijn de oudste gesteenten op aarde, en hoe zijn ze gevormd? Het materiaal dat het grootste inzicht in deze fundamentele vragen biedt, omdat het een spoor van de vroegste geschiedenis van de aarde kan bevatten, is een mineraal genaamd zirkoon. Een paar korrels zirkoon die in het begin van de jaren negentig in een zandsteen uit West-Australië werden gevonden, dateren bijvoorbeeld van 4,2-4,3 miljard jaar geleden, en van meteorieten weten we dat de aarde met 4,56 miljard jaar niet veel ouder is. De geologieprofessoren Darrell Henry van de Louisiana State University en Paul Mueller van de Universiteit van Florida zijn experts op het gebied van verschillende technieken die nauwkeurige leeftijdsinformatie uit zirkonen kunnen halen. Zij zoeken naar enkele van de oudste gesteenten in de continentale korst, naar de zirkonen daarin, en naar de aanwijzingen die de zirkonen bevatten over de vorming van de planeet.
Oorspronkelijk gevormd door kristallisatie uit een magma of in metamorfe gesteenten, zijn zirkonen zo duurzaam en bestand tegen chemische aantasting dat zij zelden verdwijnen. Zij kunnen vele geologische gebeurtenissen overleven, die kunnen worden vastgelegd in ringen van extra zirkoon die als boomringen rond het oorspronkelijke kristal groeien. Als een kleine tijdcapsule registreert de zirkoon deze gebeurtenissen, die elk honderden miljoenen jaren kunnen duren. Ondertussen blijft de kern van het zirkoon zelf onveranderd, en behoudt de chemische kenmerken van het gesteente waarin het oorspronkelijk kristalliseerde.
Zirkoon bevat het radioactieve element uranium, dat Dr. Mueller “de klok in het zirkoon” noemt, omdat het zich gedurende lange tijd met een bepaalde snelheid in het element lood omzet. Volgens Mueller maakt dit zirkonen tot “de meest betrouwbare natuurlijke chronometer die we hebben als we naar het vroegste deel van de geschiedenis van de aarde willen kijken”. Hij legt verder uit dat er in de geologie twee manieren zijn om tijd te meten. “De ene is een relatieve tijd, wat betekent dat als er een mineraal van de ene soort is en daaromheen een mineraal van een andere soort groeit, je weet dat het binnenste mineraal zich het eerst heeft gevormd, maar je weet niet hoeveel tijd er tussen die twee is verstreken.” Henry evalueert dit soort mineraalrelaties in gesteenten. Uit de soorten mineralen en hun verdelingen in het gesteente reconstrueert hij een relatieve opeenvolging van gebeurtenissen die de verandering in de tijd weerspiegelt van parameters als druk, temperatuur en vervorming. “Dr. Henry: “Als ik een metamorf gesteente heb, kan ik aan de hand van de mineraalsoorten en hun chemische samenstelling bepalen onder welke omstandigheden het gesteente op een bepaald moment in zijn geschiedenis heeft gestaan. Zo impliceren een temperatuur van 700°C en een hoge druk van enkele duizenden keren de atmosferische druk dat het gesteente op een bepaald moment in zijn geologische geschiedenis diep in de korst heeft gezeten.” Hij leidt af wat er met de rotsen is gebeurd, maar niet hoe lang geleden dat is gebeurd. Dat is waar de tweede soort tijd om de hoek komt kijken: absoluut in vergelijking met relatief. “Wij proberen het wanneer te leveren,” legt Mueller uit. “Mijn taak is te kijken naar de chemie van het gesteente, inclusief de isotopen, en te proberen de absolute tijden af te leiden voor gebeurtenissen die zijn vastgelegd in het gesteente en de zirkonen.”
Hoe nauwkeurig zijn die feitelijke getallen? “Afhankelijk van de geschiedenis van het gesteente kunnen we tegenwoordig dateren tot op een paar honderdsten van een procent van de leeftijd,” antwoordt Mueller. Dat komt bijvoorbeeld neer op plus of min een miljoen jaar op drie miljard. Koolstof-14 datering kan niet verder teruggaan dan ongeveer 70.000 jaar, omdat de halfwaardetijd van koolstof-14 slechts 5.730 jaar is. (De halveringstijd is de tijd die de helft van de oorspronkelijke radioactieve isotoop nodig heeft om in een ander element te veranderen). Ter vergelijking: de halveringstijd van de radioactieve uranium 238-isotoop is 4,5 miljard jaar, wat het nuttig maakt om extreem oude materialen te dateren.
Zirkoonchronologie begint in het veld. “Je gaat op zoek naar relatieve ouderdomsrelaties, kijkt welke gesteente-eenheid het eerst is gevormd,” zegt Henry. “Er kan bijvoorbeeld een graniet zijn dat stukken van andere soorten gesteenten bevat die in het graniet zijn ingesloten. Door hun positie weten we dat de gesteenten die in het graniet zijn ingesloten ouder moeten zijn.” Geologen brengen een gebied in kaart om deze relatieve ouderdomsrelaties vast te stellen. Daarna verzamelen ze monsters, die afhankelijk van het gesteentetype twee tot meer dan honderd pond wegen. Zirkonen zijn niet zeldzaam; in feite komen ze veel voor in granietgesteenten. Maar het zijn minuscule korrels die slechts een klein deel van een monster uitmaken, meestal minder dan een tiende van een procent, en ze zijn verspreid over het gesteente. Dit maakt het scheiden van de zirkonen een moeizaam proces. Het gesteente wordt vermalen om het in afzonderlijke mineraalkorrels te breken. Omdat zirkoon een grotere dichtheid heeft dan bijna alle andere mineralen, brengen we het fijngemalen gesteente in een vloeistof met een zeer hoge dichtheid, zodat alleen de dichtste mineralen naar de bodem vallen”, legt Henry uit. Met andere woorden, zegt Mueller, “zirkonen zinken. We gebruiken ook de magnetische kwaliteiten van de zirkonen om de meest ongerepte van de rest te scheiden.”
Dan begint het gedetailleerde geochronologische werk. “Ik neem een fractie van die zirkonen, maak er dunne doorsneden van – plakjes mineraal van dertig micrometer dik, ongeveer zo dik als een haar, die op glas worden gemonteerd – en krijg een idee van hoe ze eruit zien in termen van zoneringspatroon, of ze meerdere groei-episoden hebben doorgemaakt, hoe eenvoudig of complex ze zijn,” zegt Henry. Hij geeft deze informatie door aan Mueller, samen met de geologische context van het monster. “Ik kijk ook naar een dunne doorsnede van het gesteente om iets te weten te komen over het kader waarin de zirkoon voorkomt. Zit het in een graniet? Of zit het in een metamorf gesteente dat een complexere geschiedenis heeft gehad? Of is het een gemetamorfoseerd sedimentgesteente? Als we de geschiedenis kennen, kunnen we de ouderdom van het gesteente veel beter interpreteren.”
“Om de relatieve geologische geschiedenis van een gesteente te begrijpen, gebruikt Darrell dunne doorsneden omdat hij geïnteresseerd is in de relaties tussen alle mineralen waaruit het gesteente is opgebouwd,” legt Mueller uit. “Voor geochronologie zijn we echter geïnteresseerd in de mineralen die een tiende van een procent of minder uitmaken.” Hij bekijkt het zirkoon met verschillende technieken – “licht dat door de korrels wordt weerkaatst, licht dat er doorheen valt, kathodoluminescent licht als gevolg van het raken van het zirkoon met een elektronenbundel” – om de schaal te bepalen waarop de zirkoonkorrels moeten worden geanalyseerd. Kwantitatieve microanalyse van de elementen in zirkoon wordt gedaan met een elektronenmicrosonde. “Hiermee kunnen we dingen analyseren op een micronschaal (een miljoenste meter) met behulp van een dunne bundel elektronen,” legt Henry uit. “De elektronen bestralen het monster, waardoor atomen in het monster zelf röntgenstraling afgeven. Elk van de atomen van de verschillende elementen in het monster zendt röntgenstralen uit met karakteristieke golflengten. Men kan deze dan vergelijken met een standaard met een bekende concentratie van het element, en zo de exacte samenstelling van die kleine vlek bepalen. Een individuele zirkoonkorrel kan bestaan uit vele zones met verschillende samenstellingen en ouderdom. Isotopische samenstellingen kunnen worden bepaald met een ionensonde. Willen we de hele korrel bekijken, of moeten we een minuscule bundel zuurstofionen met een diameter van 300 micrometer richten op delen van de zirkoonkorrel om die te analyseren op U (uranium) en Pb (lood) isotopen, zodat we die plek kunnen dateren en de individuele geschiedenis van de zirkoon kunnen ontleden?” Een andere mogelijkheid is om het uranium en lood chemisch te scheiden wanneer een individuele zirkoonkorrel wordt opgelost in fluorwaterstofzuur. “Vervolgens analyseren we ze op een massaspectrometer, die ons de verhoudingen van de afzonderlijke uranium- en loodisotopen geeft, en daaruit kunnen we de tijd berekenen,” legt Mueller uit.
Ultimately, zegt Henry, “al deze gegevens worden gecombineerd tot een groter beeld van hoe de aarde miljarden jaren geleden werkte.” In de woorden van Mueller: “Het komt erop neer dat hoe meer we weten over de verscheidenheid aan gesteenten waaruit de eerste continenten zijn opgebouwd en hoe deze continenten zich hebben ontwikkeld, hoe beter ons beeld wordt van hoe de aarde is gevormd en van de vroege processen die de korst van de mantel en waarschijnlijk zelfs de mantel van de kern hebben gescheiden.” Mueller beschrijft zijn en Henry’s samenwerking als een parallelle reis. “Ons onderzoek bewandelt dezelfde weg, en soms houden we elkaars hand vast en soms gaan we onze eigen weg.” In beide gevallen wisselen ze voortdurend informatie uit die voortkomt uit hun verschillende benaderingen, en er is altijd wel iets nieuws om naar te kijken. Mueller vat het als volgt samen: “Eén steen is een hoop werk.”