Overspannen elektron vertelt het verhaal van een zandkorrel

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.”

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.”

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.”