Je leest:

Overspannen elektron vertelt het verhaal van een zandkorrel

Overspannen elektron vertelt het verhaal van een zandkorrel

Mineralen uit zandkorrels vertellen een bijzonder verhaal. Met korrels van kwarts en veldspaat kunnen aardwetenschappers de ‘begravingsgeschiedenis’ van zand aan de hand van een lichtsignaaltje in groot detail reconstrueren. Geologe Romée Kars verfijnde de techniek door het signaal van veldspaat beter te begrijpen en nieuwe meettechnieken te testen. Met veldspaat kan nu al een half miljoen terug gegaan worden in de tijd.

Optisch gestimuleerde luminescentie datering (OSL) is een methode waarmee aardwetenschappers het moment berekenen waarop een zandkorrel voor het laatst aan licht is blootgesteld. De techniek is sterk in ontwikkeling. Met kwartskorrels gaan de wetenschappers tot circa 150.000 jaar terug in de tijd; met veldspaat maar liefst een half miljoen jaar. “Dat heeft te maken met de structuur van het kristalrooster”, legt geologe Romée Kars uit. “De kristalstructuur van veldspaat, een aluminiumsilicaat met calcium, kalium of natrium, is complexer dan die van kwarts. Hierdoor komen ook meer foutjes, ofwel defecten, voor.”

1280px sand dune ripples2
Al het zand lijkt op elkaar, maar schijn bedriegt. Langs de Nederlandse kust domineert kwartszand met veldspaat, beide silicaatmineralen.
Wikimedia Commons

Die complexere structuur van het veldspaatkristal heeft te maken met de vervanging van silicium- door aluminium-ionen en met de plaats van natrium, kalium of calcium. Omdat meer elektronen in de defecten in het kristalrooster, de zogeheten elektronenval, ingevangen kunnen raken, duurt het langer voordat een veldspaatkristal met deze ‘overspannen’ elektronen verzadigd is. Het uitgezonden signaal wijzigt hierdoor en zo kan verder teruggekeken worden in de geologische tijd.

Resetten door licht

De hoeveelheid ingevangen elektronen is voor aardwetenschappers een vrij nauwkeurige maat voor de periode waarin de zandkorrel geen daglicht heeft gezien. Licht, maar ook warmte, zorgen er namelijk voor dat de elektronen weer terug springen naar hun oorspronkelijke plaats (de valentieband), en de schil met elektronen als het ware wordt gereset. Dat resetten doen ook de wetenschappers in het lab, maar dan met kunstlicht. Het lichtsignaaltje (luminescentie) dat de elektronen veroorzaken als ze terugvallen, geeft indirect de periode aan waarin de korrel bedekt is geweest in de aarde.

477845ac 947d 40ee 9ec7 5e9894361a1d labncl 570x427
NCL-lab in Wageningen. Om de zandmonsters niet te beïnvloeden werken de onderzoekers in oranje licht.
NCL-WUR

OSL is daarom een gouden techniek voor onderzoek naar landschapsvorming, vooral wanneer er sprake is van snel veranderende landschappen. Daar zijn het afgezette zand en slib tijdens het transport via wind of water immers veel vaker aan licht blootgesteld geweest.

Fysisch geografen willen bijvoorbeeld weten wanneer en hoe zandduinen zich hebben gevormd, hoe waddeneilanden nu en in de toekomst veranderen en hoe snel rivieren slib afzetten. De techniek van optische luminescentie kan hen daarbij helpen.

Radioactieve bodem

Dat elektronen geëxciteerd raken en in een hoger energieniveau terechtkomen, is het gevolg van de natuurlijke achtergrondstraling die in de bodem aanwezig is. Bronnen van deze radioactieve straling zijn uranium, thorium en kalium. Hoe langer een mineraal is blootgesteld aan radioactieve straling, en hierbij een grotere ‘paleodosis’ aan energie heeft opgebouwd, des te sterker is het luminescentiesignaal dat in het lab wordt gemeten.

Signaal lekt weg

Met veldspaat kun je weliswaar verder terug in de tijd dan met kwarts, omdat een kwartskristal sneller verzadigd raakt met energierijke elektronen. Maar hier zit een addertje onder het gras. “Het nadeel van veldspaat is dat het signaal door het complexe rooster voor een deel al kan weglekken”, aldus Kars, die vorige maand aan de TU Delft promoveerde. “Dat lek wordt veroorzaakt wanneer een ingevangen elektron uit een elektronenval zich verplaatst naar een dichtbij liggend ‘gat’, ofwel recombinatiecentrum.”

Romeekars lab
Romée Kars bij een meetopstelling in Newcastle University, waar ze metingen deed om het luminescentiesignaal en de defecten in veldspaat verder in kaart te brengen.
Romée Kars

“Dit verplaatsen gebeurt zónder dat er energie aan het elektron wordt gegeven in de vorm van licht of warmte, zoals je normaal zou verwachten. Het elektron reist tegen alle verwachtingen in dwars door een energiebarrière. Als gevolg van dit fenomeen, ‘tunneling’, meten we een zwakker luminescentiesignaal en wordt de paleodosis, en daarmee de lengte van de periode tot het laatste belichtingsmoment, dus onderschat.”

Belichten met infrarood

Kars wilde met haar promotieonderzoek bijdragen aan een oplossing voor dit storende effect van tunneling, om zo het meetprotocol van OSL met veldspaat te verbeteren. Dit deed ze door eerst vast te stellen hoe diep de defecten zich in het kristalrooster van veldspaat bevinden en vervolgens het proces van tunneling al kunstmatig in gang te zetten door het zandmonster te belichten met een zeer zwakke dosis infrarode (IR) straling. Hierdoor springen de elektronen geforceerd over naar de dichtbij liggende ‘buurgaten’.

Boorkern tno kars
Kars gebruikte voor haar onderzoek monsters uit bestaande boorkernen uit het archief van TNO.
TNO

Vervolgens werd in een tweede belichtingsstap, ook met infrarood licht en bij een zeer hoge temperatuur, alleen het signaal van de verst van elkaar verwijderde elektronenvallen gemeten. Deze tweede bestraling (post IR-IRSL) levert dan een stabieler luminescentiesignaal op.

Optimale bleking

Ook besteedde Kars aandacht aan de kwaliteit van ‘bleking’, de term voor het resetten van de zandkorrels. Bij een optimale reset zitten er geen elektronen meer in de elektronenval. Maar het resetten van het stabiele post-IR IRSL signaal blijkt in de praktijk moeilijk te zijn.

“De best belichte sedimenten zijn zandkorrels die door de wind zijn afgezet, zoals zandduinen”, vertelt Kars. “Die zandkorrels zijn optimaal gebleekt. Maar met glaciale sedimenten, afgezet in een ijstijd, heb je een probleem. Die korrels hebben vaak net te weinig licht gezien.”

Ook afzettingen in water zijn slecht gereset en leveren dus onnauwkeurige dateringen op. “Dat komt doordat licht dat door water schijnt weinig UV- en blauw licht bevat, en die componenten zijn belangrijk voor bleking.”

362409
Eén van de eerste onderzoeken met OSL in Nederland vond plaats op de zuidpunt van Texel (De Hors), waar de duinen in zuidwestelijke richting aangroeien. Hier werd met deze techniek de evolutie van drie eeuwen duingebied in kaart gebracht. De resultaten bleken verrassend goed te kloppen met oude kaarten van Texel.
https://beeldbank.rws.nl, Rijkswaterstaat / DWW

Bronnen

  • Proefschrift Romée Kars: Luminescence at the end of the tunnelling. Investigating charge transfer mechanisms and luminescence dating methods for feldspar minerals, mei 2014
  • Excursie VWN naar het NCL-lab in Wageningen

Eerdere artikel over OSL op Kennislink:

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 16 juni 2014

Discussieer mee

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

LEES EN DRAAG BIJ AAN DE DISCUSSIE