Is steenkool jong of oud?

14 maart, 2009 René Fransen 93 reacties

Veel christenen menen dat de aarde maar enkele duizenden jaren oud zijn. In mijn boek ‘Gevormd uit sterrenstof’ behandel ik verschillende dateringsmethoden (in de tweede helft van het tweede hoofdstuk) en de kritiek die creationisten daar op hebben (in hoofdstuk 4). Een van de kritiekpunten die steeds weer terugkomen is, dat steenkool – volgens geologen miljoenen jaren oud – volgens de zogeheten koolstof-14 methode maar zo’n 50.000 jaar oud (of moet ik zeggen ‘jong’) is.

In het boek leg ik deze dateringsmethode kort uit (blz 59 e.v.), en de kritiek op de datering van steenkool is ook heel kort. In dit artikel wil ik er wat uitgebreider op ingaan.

Wie niet weet hoe de ‘koolstof-14 methode’ voor datering van organische (dus plantaardige of dierlijke) resten werkt, kan dit nalezen in ‘Gevormd uit sterrenstof’, of bij bijvoorbeeld Wikipedia. Kritiek op de methode wordt geleverd door de website www.evolutie.eu, in twee artikelen: C-14 Overschrijdt Houdbaarheidsdatum en C-14 dateringsmethode Een vergelijkbaar stuk is te vinden op de site van het Reformatorisch Dagblad. ‘Koolstofdatering wijst op jonge aarde’

Is die kritiek terecht? Dat wil ik onderzoeken in dit artikel, dat is geschreven naar aanleiding van een gesprek met prof. dr. Hans van der Plicht van het Centrum voor IsotopenOnderzoek van de RU Groningen, Het CIO is een van de vijf toonaangevende laboratoria voor koolstof-14 onderzoek ter wereld. De methode is in de jaren vijftig deels in dit laboratorium ontwikkeld.

Waar draait het nu allemaal om? Het atoom koolstof bestaat in verschillende varianten. Er is het gewone koolstof-12, een stabiele variant koolstof-13 en het instabiele (radioactieve) koolstof-14. (Voor de liefhebbers, het getal is het ‘massagetal’ van het atoom, de kern van koolstof-12 bestaat uit zes protonen en zes neutronen, koolstof-13 heeft zeven neutronen en koolstof-14 heeft er acht). Koolstof-14 vervalt langzaam tot stikstof, met een halfwaardetijd van 5730 jaar. Dat wil zeggen: wanneer je een afgesloten potje met zuiver koolstof-14 zou hebben, is na 5730 jaar de helft hiervan omgezet in stikstof. Na nog eens 5730 jaar is weer de helft omgezet, dus is er nog maar een kwart van de oorspronkelijke hoeveelheid over. En zo gaat dat verder. Na verloop van tijd (pakweg honderdduizend jaar) is er nauwelijks nog koolstof-14 over.

Koolstof-14 wordt uit de lucht opgenomen door planten, en dieren krijgen het weer binnen door planten te eten. De concentratie koolstof-14 in deze planten en dieren is gelijk aan de concentratie in de lucht. Die varieert een beetje, koolstof-14 wordt hoog in de atmosfeer gemaakt door de inwerking van kosmische straling op stikstof. Zodra een plant (of dier) doodgaat, neemt deze geen stikstof meer op en zal de hoeveelheid koolstof-14 langzaam afnemen, met de genoemde halfwaardetijd van 5730 jaar.

Om koolstofhoudende resten te dateren, wordt het monster bewerkt, waarna de hoeveelheid Koolstof-14 wordt gemeten. Tegelijkertijd wordt een standaardmonster gemeten, gebaseerd op de koolstof-14 activiteit in 1950. Uit de verhouding tussen de twee metingen is de leeftijd van het monster af te leiden: als de activiteit bijvoorbeeld de helft van het standaardmonster is, is het één halfwaardetijd oud, dus 5730 jaar. In de praktijk is er ook nog een ijking nodig, omdat de hoeveelheid koolstof-14 in de atmosfeer varieert door de eeuwen, maar daar ga ik hier verder niet op in.

Steenkool bestaat uit oude plantenresten, maar is volgens geologen honderden miljoenen jaren oud. Daar kan dus geen koolstof-14 meer inzitten. Laboratoria die koolstof-14 metingen doen, gebruiken daarom steenkool als controle. Maar uit publicaties valt af te leiden, dat ze in steenkool altijd wel een beetje koolstof-14 vinden. Hoe kan dat?
Hans van der Plicht, die al decennia lang koolstof-14 bepalingen doet, legt het uit. Er zijn twee manieren om deze bepaling te doen. De oorspronkelijke methode meet de radioactiviteit van de monsters. Het koolstof in het monster wordt omgezet in kooldioxidegas. Dat gas gaat in een ‘telbuis’, waar het radioactieve verval wordt geregistreerd. Een probleem is, dat het vooral bij oude monsters gaat om erg weinig verval, misschien enkele tientallen per uur. En dat terwijl de achtergrondstraling vele malen hoger is.

In de kelder van het CIO staat een ‘loodkasteel’, van loden bakstenen gebouwd. Dat moet de kosmische straling tegenhouden, maar honderd procent lukt het niet. Daarom zitten er ‘geigertellers’ rondom de telbuizen. Die registreren alleen straling van buiten (de straling in de telbuizen is zo zwak, dat ze niet naar buiten komt). Wanneer een signaal in een van de geigertellers op hetzelfde moment is geregistreerd als een ‘tik’ in de telbuis, wordt deze niet meegeteld: het is een signaal van buiten. Van der Plicht laat het verschil zien: enkele tientallen échte signalen van koolstof-14 tegen meer dan tienduizend signalen van buiten, en dat in zo’n drie kwartier meten.

De nieuwe methode, sinds de jaren tachtig in opkomst, is de AMS. Hierbij worden atoomkernen versneld en afgebogen met een magneet. Omdat koolstof-14 zwaarder is dan koolstof-12 of -13 zal dit de buitenbocht nemen. Alleen in de baan die koolstof-14 neemt, wordt gemeten. Voordeel van deze techniek is, dat het niet nodig is te wachten tot een atoomkern vervalt. Alle atoomkernen koolstof-14 in een monster worden geteld. Daarmee is de AMS techniek gevoeliger. Het verschil uit zich vooral in de hoeveelheid koolstof die nodig is: bij de oude methode zijn grammen nodig, bij de nieuwe methode een duizendste daarvan.

Maar waarom meten beide methoden toch nog een beetje koolstof-14 in stokoude steenkoolmonsters? Dat zit in een aantal factoren. De belangrijkste oorzaak is vervuiling van het monster met ‘modern’ koolstof tijdens de voorbereiding. Een stuk bot of houtskool kan niet zomaar gemeten worden. Er zijn – afhankelijk van het soort monster – verschillende chemische behandelingen nodig. En de gebruikte chemicaliën zijn nooit helemaal vrij van koolstof-14. Het koolstof-14 kan ook via een andere route komen, sommige monsters worden bijvoorbeeld met loog behandeld. Dat trekt kooldioxidegas uit de lucht aan, waar dus ook koolstof-14 in zit. De verontreiniging geldt voor beide technieken.

Verder zijn er nog meetonnauwkeurigheden. Een radioactief deeltje uit de ruimte zou op de een of andere manier aan de geigertellers rond de telbuizen kunnen zijn ontsnapt. En in de AMS is het mogelijk dat een stikstofatoom, of een koolstof-13 of -12 atoom, om de een of andere reden in de baan van koolstof-14 terechtkomt. Die kans is klein, maar in een modern monster zit maar 1 koolstof-14 atoom tegen 1 miljard koolstof-12 atomen. En in een oud monster zit duizend keer minder koolstof-14. Als er maar een hele kleine kans is dat een koolstof-12 kern voor koolstof-14 wordt aangezien, zal dat tijdens een meting zeker een paar keer gebeuren.

Laboratoria die koolstof-14 meten, zeggen dan ook dat ze monsters ouder dan ongeveer 50.000 jaar niet goed kunnen dateren. Want daar zit zo weinig koolstof-14 in, dat die niet te onderscheiden is van verstoringen in de meting en de onvermijdelijke vervuiling van het monster. Hoe oud een monster ook is, je meet altijd een beetje koolstof-14, die overeenkomt met een ouderdom van 50.000 jaar.

Maar hoe weet je nu dat dit echt zo is? Want als steenkool in werkelijkheid helemaal niet oud is, verwacht je juist een koolstof-14 signaal. Hans van der Plicht legt het uit bij de AMS. Ze hebben verschillende tests gedaan. Voor een monster in de AMS kan, moet er eerst grafiet van gemaakt worden. Dat proces kan vervuiling met modern koolstof-14 opleveren. Wanneer ze grafiet maken van aardgas, zijn er minder bewerkingsstappen nodig. En dan krijgen ze ineens een hoeveelheid koolstof-14 die overeenkomt met een leeftijd van 60.000 jaar. De verklaring van Van der Plicht: minder bewerking, dus minder vervuiling van het monster. Ook wanneer ze industrieel grafiet gebruiken, komt er zo’n waarde uit.

Dat bewerking belangrijk is, blijkt ook uit de maximale ouderdom die voor verschillende materialen kan worden bereikt. Voor kalk is een andere bewerking nodig dan voor botmateriaal of houtskool. In kalk zit altijd een iets hogere achtergrond van koolstof-14 dan ik houtskool.
En verder: wanneer ze helemaal niets in de AMS machine stoppen (alleen een lege monsterhouder), meten ze ook een heel klein beetje signaal, overeenkomend met een leeftijd van 150.000 jaar. Wat dit precies is, is niet bekend. Het kan een beetje ruis in de elektronica zijn, of een atoomkern die in het apparaat ontstaat en in het koolstof-14 laantje terechtkomt.

Dat ook diamant een ouderdom van rond de 60.000 jaar oplevert, verbaast Van der Plicht niet. Diamant is vergelijkbaar met grafiet, het hoeft nauwelijks nog bewerkt te worden voor de meting. Zijn conclusie: een meting van 50.000 jaar betekent gewoon ‘zo oud dat we het niet weten’.

Maar is er bewijs dat dit echt waar is? Voor steenkool ligt het bewijs in de datering van gesteente tussen de steenkoollagen, met behulp van andere radioactieve stoffen. Maar er zijn ook andere technieken, zoals luminescentie. Deze techniek maakt gebruik van mineralen zoals kwarts of veldspaat en meet niet de ouderdom, maar hoe lang het mineraal uit het zonlicht heeft gelegen. Van der Plicht laat een grafiekje zien, van sedimenten die bestaan uit zand (met mineralen) en organisch materiaal. Het organisch materiaal kan via de koolstof-14 methode worden gedateerd, het zand via luminescentie (‘optisch gestimuleerde luminescentiedatering’, oftewel Optical Stimulated Luminescence of OSL). In het grafiekje zijn monsters die allemaal zo’n 40.000 jaar oud zijn volgens de koolstof-14 methode in werkelijkheid tussen de 80.000 en 120.000 jaar oud via OSL.

Tot slot: dit stuk gaat niet over de nauwkeurigheid van koolstof-14 dateringen, dus ook niet over ‘ijkmethoden’ met bijvoorbeeld jaarringen of varven (een soort jaarringen in meren). Dat is weer een ander onderwerp. Dit artikel was beperkt tot de vraag, waarom er toch koolstof-14 wordt gevonden in steenkool dat miljoenen jaren oud is.

Conclusie
Koolstof-14 bepalingen werken tot maximaal zo’n 50.000 jaar, afhankelijk van het type monster. In geen enkel monster meet je helemaal geen koolstof-14. Dat ligt aan allerlei storende factoren bij de meting en onvermijdbare vervuiling van het monster met modern koolstof. De mate van die vervuiling ligt weer aan het type voorbewerking en kan daarom wat variëren in verschillende typen monsters.