Nieuwe methode toont slijtage van het landschap

22 februari 2019

"How many years can a mountain exist?" Bob Dylan’s retorische vraag heeft nu een nieuwe wetenschappelijke basis gekregen. Onderzoekers van Wageningen University & Research (WUR) en de Technische Universiteit van Denemarken (DTU) ontwikkelden een nieuwe methode die de blootstellingsduur van gesteenten en sedimenten aan zonlicht kan meten. Dat geeft nieuwe inzichten over het ontstaan van het landschap. In Scientific Reports (Nature) onthullen ze hun innovatieve techniek.

Net als met planten gaat zonlicht een interactie aan met gesteente. Deze subtiele subatomaire processen zijn in het algemeen moeilijk waarneembaar. In gesteente bevinden zich kristallen, die tal van onregelmatigheden (‘defecten’) vertonen. Voor gesteente in de ondergrond vullen deze defecten zich geleidelijk met elektrische ladingen door natuurlijke achtergrondstraling uit de aarde en zelfs uit het heelal. Echter, zodra dit gesteente bijvoorbeeld door erosie aan het oppervlak komt te liggen zal het zonlicht een aantal gevangen ladingen recombineren, waarbij fotonen (licht) worden uitgezonden. Dit verschijnsel staat bekend als luminescentie.

Licht heft gevangen lading op

Bij langdurige blootstelling van het gesteente aan zonlicht zullen de ladingen steeds dieper in het gesteente worden geleegd. De overgangszone tussen het gesteenteoppervlak zonder ingesloten ladingen en de diepere gebieden waar alle defecten met elektrische ladingen zijn bezet, wordt de luminescentie bleekzone genoemd. De dikte van deze zone kan geowetenschappers belangrijke informatie verschaffen over het precieze tijdstip van landschapsvorming, erosiesnelheden van gesteente, transportafstanden van sedimenten, bewolkingsgraad en meer.

Luminescentie-bleekdiepte van een door gletsjerijs gepolijst granietoppervlak uit de Zwitserse AlpenLuminescentie-bleekdiepte van een door gletsjerijs gepolijst granietoppervlak uit de Zwitserse Alpen

Direct, snel en in hoge resolutie

Tot voor kort was de methode voor het bepalen van de luminescentie bleekzone omslachtig, in lage resolutie en indirect (één defectsoort isoleren was niet mogelijk zonder andere te verstoren). De onderzoekers zijn erin geslaagd om deze methodiek vanaf nul te herzien. Zo verkregen zij 2D-kaarten in zeer hoge resolutie.
De nieuwe methode is gebaseerd op een recente ontdekking door DTU Nutech. Die methode gebruikt een zeer specifieke golflengte van infraroodlicht (830 nanometer) om een bekende elektronenval in veldspaat, het meest voorkomende mineraal in de aardkorst, te stimuleren. Dit wekt een fotoluminescentie-signaal op, dat gedetecteerd wordt bij iets langere golflengten (> 925 nanometer). Door dit signaal af te beelden, verkregen de onderzoekers ongekende ruimtelijke data van de luminescentie-bleekdiepte van een door gletsjerijs gepolijst granietoppervlak uit de Zwitserse Alpen. De resultaten voldeden niet alleen aan de theoretische verwachtingen voor een oppervlak dat elfduizend jaar lang continu aan zonlicht is blootgesteld; ze bieden ook ruimtelijk en chemisch inzicht in het effect van langdurige lichtblootstelling op diverse mineralen.

Prototype instrument

De bevindingen zijn het resultaat van de jarenlange samenwerking tussen het Nederlands Centrum voor Luminescentiedatering (NCL) en het Centre for Nuclear Technologies of Denmark’s Technical University (DTU Nutech). ‘Het komt niet vaak voor dat je op het juiste moment en op de juiste plek een opkomende technologie in de praktijk van de geowetenschappen kunt inzetten’, zegt dr. Benny Guralnik, die de studie opstelde en financierde uit zijn NWO-VENI-beurs. ’En het is opmerkelijk hoe een paar losse metingen door mijn MSc-stagiair uitgroeiden tot het hoogtepunt van mijn VENI’, zegt Guralnik. Hij verwijst naar Elaine Sellwood, de eerste auteur van de paper, die sinds de voltooiing van het project haar promotieonderzoek doet bij DTU Nutech, gericht op het verbeteren en commercialiseren van het prototype-instrument, en het verder ontwikkelen van geologische toepassingen van de methode.

Publicatie

Sellwood, E.L., Guralnik, B., Kook, M., Prasad, A.K., Sohbati, R., Hippe, K., Wallinga, J., Jain, M., 2019. Optical bleaching front in bedrock revealed by spatially-resolved infrared photoluminescence. Scientific Reports DOI:10.1038/s41598-019-38815-0

Bron: Wageningen UR

Kenmerken

Wetenschapsterrein

Exacte en Natuurwetenschappen

Programma

Vernieuwingsimpuls

Speerpunt

Mensen