Door een standaardfout in deze veel gebruikte techniek lijken de gesteenten veel ouder dan ze in werkelijkheid zijn, ontdekte prof. Robert Hayes van de North Carolina State University (VS). De kernfysicus publiceerde zijn resultaten dinsdag in het vakblad Nuclear Technology.

Hayes onderzoek stelt de geologie voor een fors probleem: veel van de huidige kennis over de ouderdom van de aarde is gebaseerd op deze dateringsmethoden.

De radiometrische dateringsmethoden leiden tot een bepaalde leeftijd op basis van de aanwezige van bepaalde atoomsoorten in het gesteente. Zo’n ouderdomsbepaling gaat als volgt. Van vrijwel elke atoomsoort bestaan meerdere isotopen, die van elkaar verschillen in massa en stabiliteit. Sommige zijn instabiel en vervallen radioactief tot stabiele isotopen, meestal van een ander atoomsoort.

Tijdens het radioactief verval stoten isotopen vaak zogeheten alfadeeltjes (heliumkernen die bestaan uit twee protonen en twee neutronen) en bètadeeltjes (elektronen) uit. Door dit zogeheten radioactieve verval neemt de radioactiviteit van het gesteente in de loop van de tijd af.

De meeste radioactieve isotopen (moederelement) vervallen in een aantal stappen –een vervalreeks– naar een stabiel element (dochterelement). De snelheid hiervan wordt weergegeven met de halfwaardetijd: de tijd die verstrijkt totdat de helft van de moederisotopen is vervallen tot dochterisotopen. De verhouding tussen moeder- en dochterisotopen in gesteenten is dan een maat voor de ouderdom van het gesteente.

Strontium

Om een voorbeeld te geven. De instabiele –dus radioactieve– isotoop rubidium-87 vervalt tot strontium-87. De halfwaardetijd van dat verval is volgens de huidige kennis 48,8 miljoen jaar. Strontium-87 is een stabiele isotoop en vervalt dus niet verder.

Om de ouderdom van het gesteente te bepalen, berekenen wetenschappers de concentratieverhouding van beide isotopen. Ze vergelijken vervolgens de gehalten van rubidium-87 en van strontium-87 in het gesteente met de concentratie van strontium-86, die fungeert als een soort nulmeting. Met de uitkomst van deze berekeningen stellen de wetenschappers een grafiek op, de isochroon. Hiermee stellen ze de leeftijd van het gesteente ten slotte vast.

Deze methode werkte het beste bij vulkanische gesteenten. Maar uit het onderzoek van de North Carolina State University blijkt dat er meer variabelen in het spel zijn.

Massadiffusie

Atomen kunnen zich namelijk door het gesteente bewegen; een proces dat wordt aangeduid met de term massadiffusie. Zo zijn strontium-86-atomen kleiner dan strontium-87- of rubidium-atomen. Hoe kleiner, hoe gemakkelijker atomen zich door een gesteente kunnen verspreiden.

„Het is een langzaam, maar niet te negeren proces als je kijkt naar de geologische tijdschalen”, aldus prof. Hayes. „De snelheid van de diffusie varieert en hangt af van het monster: wat voor type gesteente is het, hoeveel breuken zitten erin, hoe groot is het totale oppervlak, enzovoort.”

Zoals de ouderdomsbepalingen vandaag de dag plaatshebben, leidt de uitkomst gemakkelijk tot een overschatting van de leeftijd van het gesteente. „De geologische tijdlijn zou daardoor weleens verontrustend onnauwkeurig kunnen zijn”, stelt Hayes

„Er bestaat geen simpele vergelijking die op elke situatie kan worden toegepast. Onderzoekers moeten elk gesteentemonster apart beoordelen, en daarop de relevante natuurkunde toepassen. Het is onuitstaanbaar, maar het zal de schattingen van de ouderdom van gesteenten alleen maar verbeteren. Als we geen rekening houden met een verschillende massadiffusie in verschillende gesteenten, hebben we werkelijk geen idee hoe accuraat de leeftijd in werkelijkheid is.”

Blinde vlek

Een belangrijk punt waarbij het onderzoek van prof. Robert Hayes de vinger niet legt, levert zo mogelijk een nog veel grotere fout in de radiometrische dateringsmethoden op dan massadiffusie. Dat betreft het zogeheten actualiteitsprincipe – ”het heden is de sleutel tot het verleden”. Zoals geologische processen vandaag de dag plaatshebben –dus traag en geleidelijk– zo hebben ze altijd plaatsgehad.

Op basis van deze filosofische vooronderstelling van de geoloog Charles Lyell (1797-1875) beschouwt de gangbare wetenschap de halfwaardetijd van isotopen als een soort natuurconstante: de vervalsnelheid was vroeger dezelfde als tegenwoordig.

Wetenschappers van het Amerikaanse RATE-team hebben in de jaren 1997 tot 2005 het actualiteitsprincipe een kritisch onderzoek onderworpen. De uitkomsten van met name het onderzoek aan de zogeheten uranium-looddatering bij zirkoonkristallen in zwarte mica stellen deze vooronderstelling ter discussie. Tot op heden is het betoog van de jongeaardecreationisten echter aan dovenmansoren gericht. De seculiere wetenschappelijke wereld heeft –voor zover bekend– niet op het RATE-onderzoek gereageerd.

De American Scientific Affiliation (ASA, een groep christelijke wetenschappers die uitgaan van een oude aarde) heeft het RATE-onderzoek destijds kritisch geëvalueerd.

ASA stelt dat er een overtuigend bewijs is voor enorm veel radioactief verval in het verleden. Dat blijkt uit de zogeheten splijtingssporen en de herhaalde ouderdomsmetingen met de gangbare methoden. ASA beschouwt de gegevens van het RATE-team als acceptabel, omdat ze passen in het geheel van beschikbare data.

Maar een aarde van 6000 jaar oud in plaats van 4,5 miljard jaar, zoals het RATE-team beweert, kan ASA niet meemaken. Dan blijken de vooronderstellingen van de wetenschapper die het onderzoek uitvoert –actualistisch of creationistisch– in hoge mate bepalend voor de conclusies die hij trekt.

Heliumdiffusie

Bij radioactief verval van uranium ontstaan uiteindelijk de dochterisotopen lood en helium. De ontstane heliumatomen, die vrij door het zirkoonkristal kunnen bewegen, verdwijnen naar de buitenlucht. De snelheid van deze heliumlekkage is volgens het RATE-team belangrijk om de leeftijd van het gesteente te kunnen bepalen.

Kernfysicus Russel Humpreys, lid van het RATE-team, ontdekt dat het meeste uranium in het onderzochte zirkoonkristal inmiddels was vervallen tot lood; maar de helft van het gevormde helium was nog in het zirkoonkristal aanwezig.

De lekkagesnelheid van helium bleek afhankelijk van de temperatuur. De helium die inmiddels was verdwenen, bleek overeen te komen met een gemiddelde ouderdom van het gesteente van 6000 jaar. De zirkoonkristallen zouden zodoende maximaal 8000 jaar oud kunnen zijn.

Volgens de standaardmethode zijn de zirkoonkristallen echter 1,5 miljard jaar oud. Maar dan zou alle helium allang weggelekt moeten zijn. „Die schijnbare 1,5 miljard jaar heeft zich dus in korte tijd afgespeeld. Terwijl er nu nauwelijks uranium vervalt tot lood, lekt nog steeds helium uit de zirkoonkristallen. Dat helium kan dus niet ouder zijn dan een paar duizend jaar”,concludeert teamlid en geoloog Andrew Snelling.

Radiohalo’s

Het RATE-team heeft ook zogeheten radiohalo’s in de zirkoonkristallen onderzocht. Het is bekend dat wanneer uranium vervalt het heliumkernen als kogeltjes wegschiet. Dit vervalproces laat gaten achter in het kristalrooster van het zirkoon.

Onder de microscoop zijn die zichtbaar als een verkleurd gebied, een zogenaamde radiohalo. Omdat uranium in acht stappen vervalt, heeft een volledige uraniumhalo acht ringen.

Voor de vorming van een radiohalo van uranium is volgens de gangbare wetenschap 100 miljoen jaar radioactief verval nodig. In hetzelfde zirkoonkristal vlak bij de uraniumhalo bevonden zich ook radiohalo’s van polonium, een isotoop met een halfwaardetijd van 138 dagen. Beide halo’s lagen dicht bij elkaar in het gesteente als verkleuringen, als littekens van het radioactieve verval van uranium en polonium.

„Het feit dat radiohalo’s uit uranium en polonium heel dicht naast elkaar liggen, bevestigt dat uraniumverval versneld optrad in zeer korte tijd”, aldus Snelling. Volgens hem bewijst dit dat de veronderstelde periode van 100 miljoen jaar van uraniumverval in een paar dagen heeft plaatshad.

Splijtingssporen

De vele splijtingssporen in zirkoonkristallen wijzen volgens het RATE-team ook op een ontstaan in zeer korte tijd. Als een uraniumatoom vervalt, schieten twee even grote deeltjes in tegengestelde richting weg. Ze beschadigen het zirkoonkristal aan beide zijden van het oorspronkelijke atoom. Samen vormen ze een rechte lijn dat een splijtingsspoor wordt genoemd.

Het aantal splijtingssporen komt nauwkeurig overeen met de leeftijd van het gesteente, die verkregen is met radiometrische datering. Dat bevestigt dat de huidige isotoopverhouding het gevolg is van radioactief verval, aldus teamlid Andrew Snelling.

„We kunnen met zekerheid zeggen dat de splijtingssporen in het geologische archief bevestigen dat er 500 miljoen jaar aan radioactief verval heeft plaatsgevonden op aarde, gebaseerd op de halfwaardetijd zoals we die nu kennen.”

Omdat de splijtingssporen zijn ontstaan bij verhoogde temperaturen en in relatief zacht gesteente, moeten ze echter in korte tijd zijn gevormd. Het radioactieve verval van 500 miljoen jaar moet dus ook plaatsgehad hebben in korte tijd.

„Het gedrag van radio-isotopen in het verleden is overduidelijk anders geweest dan hun gedrag nu”, stellen de wetenschappers van het RATE-team.

Potentiaalgolf

Fysicus Eugene Chaffin, hoogleraar aan de Bob Jones Universiteit (VS), doet een poging het snelle verval van de uraniumisotopen in het verleden aannemelijk te maken.

„Volgens het gebruikelijke model zitten de alfadeeltjes (de heliumkernen, BvdD) gevangen in een potentiaalgolf, waarvan de bindingsenergie overeenkomt met de sterkte van de sterke kernkracht in het uraniumatoom.” Zonder deze kernkracht zouden de positief geladen protonen elkaar afstoten en zou een atoomkern niet kunnen bestaan.

Een potentiaalgolf is voor te stellen als een watergolf met pieken en dalen. In een van de dalen drijft een strandbal die niet over een piek heen kan rollen en dus gevangenzit in het dal. Op een enigszins vergelijkbare manier zitten de alfadeeltjes gevangen in de atoomkern.

Chaffin: „Een heel kleine verandering in de kernkracht betekent een andere potentiaalgolf.” De dalen zijn dan minder diep, zodat de strandbal met minder moeite over een golfpiek kan heenrollen.

„Daardoor kan de halfwaardetijd veranderen met een factor 100 miljoen en kunnen alfadeeltjes gemakkelijker uit het uraniumatoom ontsnappen”, aldus Chaffin.

Directe bewijzen dat het zo is gebeurd, heeft hij niet. Maar de kernfysica laat wel de mogelijkheid open dat de kernkracht kan variëren.