Das Problem:

Die Beschleuniger-Massenspektrometrie (AMS), eine empfindliche radiometrische Datierungsmethode, findet in einigen Fällen Spuren von radioaktivem Kohlenstoff-14 in Kohleablagerungen, Mengen, die auf ein Alter von etwa 40.000 Jahren hindeuten. Obwohl dieses Ergebnis immer noch zu alt ist, um in jede Chronologie des Junge-Erde-Kreationismus zu passen, scheint es auch ein Problem für den etablierten geologischen Zeittafel zu darstellen, da die konventionelle Meinung besagt, dass Kohleablagerungen größtenteils, wenn nicht ganz, während des Karbon vor etwa 300 Millionen Jahren entstanden sind. Da die Halbwertszeit von Kohlenstoff-14 5.730 Jahre beträgt, sollte jeder Kohlenstoff-14, der zur Zeit der Bildung in der Kohle vorhanden war, längst zu stabilen Tochterprodukten zerfallen sein. Das Vorhandensein von ¹⁴C in Kohle ist daher eine Anomalie, die eine Erklärung erfordert.

Die Lösung:

Kathleen Hunt von Talk.origins schrieb eine E-Mail an einen bekannten Experten für AMS- und ¹⁴C-Datierung. Die Ergebnisse ihrer Korrespondenz werden unten wiedergegeben:

Hallo, ich hatte wirklich Glück mit meiner ersten E-Mail an einen AMS-Forscher. Ich erhielt sofort eine sehr informative Antwort.

Kurz gesagt: Das ¹⁴C in Kohle wird wahrscheinlich neu durch den radioaktiven Zerfall der Uran-Thorium-Isotopenreihe erzeugt, die natürlich in Gesteinen vorkommt (und die in unterschiedlichen Konzentrationen in verschiedenen Gesteinen gefunden wird, daher die Variation im ¹⁴C-Gehalt in verschiedenen Kohlen). Die Forschung läuft in diesem Moment weiter.

(Die Hypothese [dass ¹⁴C in Kohle durch moderne Mikroorganismen erzeugt wird, die dort derzeit leben --Hrsg.] könnte ebenfalls plausibel sein, würde aber wahrscheinlich nur zur Inflation der ¹⁴C-Werte beitragen, wenn Kohle in warmen, feuchten Bedingungen liegt und der Umgebungsluft ausgesetzt ist. Es gibt auch wachsende Hinweise darauf, dass Bakterien in tiefen Gesteinen weit verbreitet sind, aber es ist nicht klar, ob sie zur ¹⁴C-Konzentration beitragen könnten. Sie könnten jedoch zur ¹³C-Konzentration beitragen.)

Die viel längere Version:

Über das Wochenende habe ich Dr. Harry Gove, einen Experten für die Entwicklung der AMS-Methode zur ¹⁴C-Datierung, per E-Mail kontaktiert. Ich habe ihn ausgewählt, weil er kürzlich einige gute Übersichtsarbeiten über die AMS-Technik im Journal Radiocarbon verfasst hat. (Grundsätzlich gibt es zwei Methoden zur Messung von ¹⁴C: (1) das Zählen der radioaktiven Emissionen oder (2) eine neuere Methode, die auf der Trennung der verschiedenen Kohlenstoffisotope nach ihrer unterschiedlichen Masse mittels Beschleuniger-Massenspektrometrie [AMS] und dem anschließenden Zählen der Atome selbst basiert.)

Dr. Gove schrieb am darauffolgenden Tag zurück, ebenso wie einer seiner Kollegen. Durch eine reine Zufälligkeit untersuchen sie derzeit genau diese Frage. Es stellt sich heraus, dass die Entstehung und Konzentration von ¹⁴C in fossilen Brennstoffen für die Physik-Community wichtig ist, aufgrund ihrer Relevanz für die Detektion von Sonnenneutrinos. Offensichtlich funktioniert einer der neuen Neutrino-Detektoren, der Borexino-Detektor in Italien, indem er winzige Lichtblitze sichtbar macht, die durch Neutrinos erzeugt werden, die durch einen riesigen unterirdischen Behälter mit „Szintillationsflüssigkeit" hindurchgehen. Szintillationsflüssigkeit besteht aus fossilen Brennstoffen wie Methan oder Öl (plus einigen anderen Zutaten), und sie leuchtet auf, wenn sie von Beta-Teilchen oder bestimmten anderen Ereignissen wie Neutrinos getroffen wird. Der Borexino-Detektor enthält 800 Tonnen Szintillant. Allerdings, wenn es im Fluid selbst native Beta-Emitter gibt, wird dieser natürliche radioaktive Zerfall ebenfalls Szintillant-Blitze erzeugen. (Tatsächlich ist das die häufigere Verwendung von Szintillant. Ich verwende Szintillant jeden Tag in meiner eigenen Arbeit, um ¹⁴C und ³H-markierte Hormone zu detektieren. Aber ich verwende es nur milliliterweise - das Konzept von 800 Tonnen lässt den Verstand einfach nicht fassen!). Also hat sich die Physik-Community dafür interessiert herauszufinden, ob und warum fossile Brennstoffe eine native Radioaktivität aufweisen. Das Ziel ist es, fossile Brennstoffe zu finden, die ein ¹⁴C/C-Verhältnis von 10^-20 oder weniger aufweisen; darunter kann Neutrino-Aktivität zuverlässig detektiert werden. Der Borexino-Detektor und andere geplante Detektoren dieses Typs müssen native Beta-Emissionen unter 1 Zählung pro Tonne Fluid pro Woche halten, um Sonnenneutrinos zuverlässig zu detektieren. (Zum Vergleich: Meine kleinen Hormonfläschchen, hier in meinem oberirdischen Labor, haben einen Hintergrundzählwert von etwa 25 Zählungen pro Minute für 3,5 Milliliter.)

Also wollen die Physiker fossile Brennstoffe finden, die sehr wenig ¹⁴C enthalten. Im Verlauf dieser Arbeit haben sie entdeckt, dass fossile Brennstoffe stark variieren in ihrem ¹⁴C-Gehalt. Manche haben kein nachweisbares ¹⁴C; andere haben recht viel ¹⁴C. Offensichtlich korreliert dies am besten mit dem Gehalt an natürlicher Radioaktivität der Gesteine, die die fossilen Brennstoffe umgeben, insbesondere den Neutronen- und Alpha-Strahlungs-emittierenden Isotopen der Uran-Thorium-Reihe. Dr. Gove und seine Kollegen haben mir mitgeteilt, dass sie glauben, die bisherigen Beweise zeigen, dass ¹⁴C in Kohle und anderen fossilen Brennstoffen vollständig aus der neuen Produktion von ¹⁴C durch lokale radioaktiven Zerfall der Uran-Thorium-Reihe stammt. Viele Studien bestätigen, dass Kohlen stark variieren in ihrem Uran-Thorium-Gehalt und dass dies zu einem aufgeblähten Gehalt bestimmter Isotope führen kann, die für die radiometrische Datierung relevant sind (siehe untenstehende Abstracts). Ich verstehe jetzt, warum fossile Brennstoffe nicht routinemäßig in der radiometrischen Datierung verwendet werden!

Dr. Gove und seine Kollegen versuchen derzeit, die AMS-Technologie zu verbessern, um bestimmte fossile Brennstoffe mit extrem niedrigem ¹⁴C-Gehalt identifizieren zu können. Aktuelle AMS-Techniken haben eine ¹⁴C/C-Nachweisgrenze von etwa 10^-15 (entsprechend 60.000 Jahren), und die aktuelle Forschung von Dr. Gove in diesem Jahr zielt darauf ab, die Nachweisbarkeit auf 10^-18 (110.000 Jahre) zu verbessern.

Ihr ultimatives Ziel ist es, ¹⁴C/C-Verhältnisse zuverlässig bis zu den unglaublich niedrigen Werten von 10^-22 (180.000 Jahre) zu messen. Diese AMS-Technologie würde dann verwendet werden, um bestimmte Öle mit sehr niedrigen ¹⁴C-Werten zu identifizieren, und diese Öle würden dann in den Neutrino-Detektoren eingesetzt.

(Diese Forschung ist Teil des "Old Carbon Project", das vom Particle and Nuclear Astrophysics Program der US-amerikanischen National Science Foundation sowie vom kanadischen Natural Science and Engineering Research Council finanziert wird. Das Team wird diese Ergebnisse im September dieses Jahres auf der 9. Internationalen Konferenz zur Beschleuniger-Massenspektrometrie in Japan präsentieren.)

Schließlich habe ich auch eine Kopie des 1989 von David Lowe verfassten Papiers Radiocarbon erhalten. Es ist ein kurzes Papier. Eine Zusammenfassung:

(1) Altes Kohle hat oft etwas mehr ¹⁴C als erwartet - statt des erwarteten Verhältnisses von ¹⁴C/C bei oder jenseits der nachweisbaren Grenze von 10^-15 (entsprechend ~60.000 Jahren), hat es oft nachweisbares ¹⁴C/C von 10^-14 oder 10^-13.

(2) Hypothese der radioaktiven Elemente: Lowe diskutierte kurz die Möglichkeit, dass einheimische radioaktive Elemente durch radioaktiven Zerfall neues ¹⁴C erzeugen können. Er behandelte nur Radium und schloss dies als einen wesentlichen Effekt aus, basierend auf den niedrigen Konzentrationen von Radium in Kohle (und doch haben meine eigenen kurzen Recherchen viele Abstracts zutage gefördert, die zeigen, dass die Konzentrationen von Radionukliden in Kohle stark variieren – einige davon stammen vor 1989, daher weiß ich nicht, warum Lowe dies nicht sorgfältiger behandelt hat).

(3) Bakterien/Pilz-Hypothese: Lowe macht dann einen vernünftigen Fall für Pilze und Bakterien – es gibt Pilze, die Lignite abbauen können (Polyporus versicolor und Poria montiola), sowie autotrophe „thiobacillus-ähnliche“ Bakterien, die Pyrite in Kohle oxidieren, und er weist darauf hin, dass Bakterien 3 km unterirdisch gefunden wurden, die offensichtlich auf Granit leben. Lowe stellt fest, dass Pilz- und bakterielle Aktivität besonders wahrscheinlich in warmer, feuchter Kohle ist, die Luft ausgesetzt ist, und er weist darauf hin, dass mikrobielle Aktivität nur zur Ablagerung von ~0,1 % des Gewichts an modernem Kohlenstoff in der Kohle führen muss, um ein scheinbares Alter von 45.000 Jahren für das Exemplar zu erzeugen.

Seit Lowes Papier gibt es viele weitere Berichte über tief in der Erdkruste lebende Bakterien, die offensichtlich ein bisher unerkanntes Ökosystem tief unter der Erde in Gesteinen und Ölen bilden (siehe untenstehende Abstracts). Vermutlich interagieren die meisten dieser Bakterien nie mit dem „modernen" ¹⁴C der Atmosphäre. Aber einige tief liegende bakterielle Aktivitäten können apparently zu erhöhten Konzentrationen von ¹³C führen.

(4) Lowe geht daraufhin weiter auf Empfehlungen für die Verwendung ausschließlich von frisch abgebautem, trockenem Kohle unter inerten Gasen ein, sowie andere Empfehlungen zur Wahl des „Hintergrundes" für Radiokohlenstoff-Labore.

Es scheint also, dass die in-situ-Produktion neuen ¹⁴C die am besten gestützte Hypothese ist; die Forschung läuft jedoch weiter, und ich freue mich darauf, die Ergebnisse des Old Carbon Project und neue Forschungen zu tiefst subterränen Bakterien zu sehen.

Referenzen

Eine großartige allgemeine Einführung zur Radiokohlenstoffdatierung:
http://www.c14dating.com/

Allgemeine Informationen zu den vielen Arten von Neutrino-Detektoren:
www.slac.stanford.edu/gen/meeting/ssi/1997/wojcicki4.pdf

Eine sehr gute, ausführliche Diskussion der drei neuen Neutrino-Detektoren und wie sie funktionieren (fast bis zum Ende scrollen, um über Borexino zu lesen):
http://www.sns.ias.edu/~jnb/Papers/Popular/Nextgensolar/nextgensolar.html

Ein Diagramm des Borexino-Neutrino-Detektors (Italien) – beachte die enorme Abschirmung zum Schutz vor Strahlung aus dem umgebenden Gestein:
http://almime.mi.infn.it/html/borexinod.html

Weitere Informationen zum Borexino-Detektor der Princeton University:
http://pupgg.princeton.edu/~borexino/welcome.html

Das ursprüngliche Papier, das dieses "alte Kohle"-Problem aufwarf:
"Probleme im Zusammenhang mit der Verwendung von Kohle als Quelle für ¹⁴C-freies Hintergrundmaterial." D.C. Lowe, Radiocarbon 31(2):117-120 1989.

Neuere Referenzen aus dem laufenden „Old Carbon Project":
„Die Messung sehr alter Radiokohlenstoff-Alter mittels AMS." 2001. A. E. Litherland und K. H. Purser. In: Proc. Conf. on the Fundamental Aspects of Modern Physics, 2000, Luderitz, Namibia. Veröffentlicht von World Scientific Publishing Company im Jahr 2001.

"Fortschritte in der AMS-Forschung bei IsoTrace." 2000. A. E. Litherland, R. P. Beukens, J. P. Doupe, W. E. Kieser, J. S. Krestow, J. C. Rucklidge, I. Tomski, G. C. Wilson und X-L. Zhao. Nucl. Instr. and Meth. B172:206-210.

"Ion Beam Preparation Systems for Atomic Isobar Reduction in Accelerator Mass Spectrometry." 2001. A.E. Litherland, J.P. Doupe, I. Tomski, J. Krestow, X-L. Zhao, W.E. Kieser und R. P. Beukens. In: Proceedings of the 16th Int. Conf. on the Applications of Accelerators in Research and Industry, J. L. Duggan und I. L. Morgan (Hrsg.), Conf. Proc. of the Am. Inst. of Physics 575:390-393.

Über subterranische Bakterien:
"Deep life in the slow, slow lane." Richard A. Kerr, Science, 10. Mai 2002: 1056-1058.

Mehr über unterirdische Bakterien:
"Ein auf Wasserstoff basierendes mikrobielles Untergrund-Ökosystem, dominiert von Methanogenen." 2002. F.H. Chapelle, K. O'Neill, P.M. Bradley, B.A. Methe, S.A. Ciufo, L.L. Knobel und D.R. Lovley. Nature, 17. Januar 2002; 415 (6869): 312-315.
ZUSAMMENFASSUNG: Die Suche nach außerirdischem Leben könnte erleichtert werden, wenn Ökosysteme auf der Erde gefunden werden, die unter Bedingungen existieren, die denen auf anderen Planeten oder Monden analog sind. Es wurde vorgeschlagen, basierend auf geochemischen und thermodynamischen Überlegungen, dass geologisch abgeleiteter Wasserstoff mikrobielle Untergrund-Ökosysteme auf dem Mars und Europa unterstützen könnte, in denen Methanogene die Basis des Ökosystems bilden. Hier beschreiben wir ein einzigartiges mikrobielles Untergrund-Ökosystem, in dem wasserstoffverbrauchende, methanproduzierende Archaea die Bakterien bei weitem überwiegen. Mehr als 90 % der aus hydrothermalen Gewässern zurückgewonnenen 16S-Ribosom-DNA-Sequenzen, die durch tief vergrabene magmatische Gesteine in Idaho zirkulieren, stehen in Verbindung mit wasserstoffverwendenden methanogenen Mikroorganismen. Die geochemische Charakterisierung zeigt, dass geothermischer Wasserstoff, nicht organischer Kohlenstoff, die primäre Energiequelle für diese von Methanogenen dominierte mikrobielle Gemeinschaft ist. Diese Ergebnisse belegen, dass wasserstoffbasierte methanogene Gemeinschaften tatsächlich im Untergrund der Erde vorkommen und somit ein Analogon für mögliche mikrobielle Untergrund-Ökosysteme auf anderen Planeten darstellen.

Ein neuer Bakterienart in tiefen, heißen fossilen Brennstoffen gefunden:
"Isolation and characterization of Thermococcus sibiricus sp. nov. from a Western Siberia high-temperature oil reservoir." 2001. M.L. Miroshnichenko, H. Hippe, E. Stackebrandt, N.A. Kostrikina, N.A. Chernyh, C. Jeanthon, T.N. Nazina, S.S. Belyaev, and E.A. Bonch-Osmolovskaya. Extremophiles 5(2):85-91.
ABSTRACT: Anaerobe organotrophe hyperthermophile Archaea wurden aus fünf von acht Proben aus Ölbohrungen des Samotlor-Ölreservoirs (Tiefe, 1.799-2.287 m; Temperatur, 60-84 Grad C) isoliert. Drei Stämme wurden in reinen Kulturen isoliert und phylogenetisch charakterisiert, basierend auf dem Vergleich der 16S rRNA-Gen-Sequenzen. Alle Stämme gehörten zu einer neuen Art der Gattung Thermococcus, wobei Thermococcus litoralis, Thermococcus aggregans, Thermococcus fumicolans und Thermococcus alcaliphilus die nächsten Verwandten sind (Reichweite der Sequenzähnlichkeit, 97,2%-98,8%). Der Stamm MM 739 wurde im Detail untersucht. Der neue Isolat wuchs auf Peptiden, aber nicht auf Kohlenhydraten. Elementarschwefel hatte einen stimulierenden Effekt auf das Wachstum. Der Temperaturbereich für das Wachstum lag zwischen 40 Grad und 88 Grad C, mit dem Optimum bei 78 Grad C; der pH-Bereich war 5,8 bis 9,0, mit dem Optimum um 7,3; und der Salinitätsbereich war 0,5% bis 7,0%, mit dem Optimum bei 1,8%-2,0%. Die Verdopplungszeit unter optimalen Wachstumsbedingungen betrug etwa 43 Minuten. Der G+C-Gehalt der DNA betrug 38,4 mol%. Die DNA-DNA-Ähnlichkeit zwischen Stamm MM 739 und T. litoralis betrug 27%; zwischen Stamm MM 739 und T. aggregans betrug sie 22%. Basierend auf den phänotypischen und genomischen Unterschieden zu bekannten Thermococcus-Arten wird die neue Art Thermococcus sibiricus vorgeschlagen. Die Isolierung eines hyperthermophilen Archaeums aus einer tiefen Untergrundumgebung, die signifikant entfernt von shallow oder abyssalen marinen heißen Quellen liegt, deutet auf das Bestehen einer unterirdischen Biosphäre hin, die von einheimischen hyperthermophilen Biota bewohnt wird.

Beispiel für hohen Uran-Gehalt in bestimmten Kohlen:
"Anomale Spurenelementgehalte in Tertiärkohleasche aus den East Garo Hills, Meghalaya, Indien." 1996. I.V. Sastry, M.S. Deshpande und K.K. Dwivedy. Journal of Atomic Mineral Science 4:75-79.
ZUSAMMENFASSUNG: Kohleasche aus den Tertiärkohlen Thakmari-Wathregithem in den East Garo Hills weist anomale Konzentrationen von Uran (bis zu 0,219% U₃O₈), Vanadium (bis zu 9,3%), Chrom (bis zu 1,7%), Kupfer (bis zu 1,17%), Mangan (bis zu 0,15%), Kobalt (bis zu 1,15%), Strontium (bis zu 0,38%), Barium (bis zu 0,30%) und Blei (bis zu 0,75%) auf. Wirtschaftliche Aspekte sowie mögliche Implikationen solcher hohen Konzentrationen werden kurz evaluiert.

Beispiel für hohen Uran-Gehalt in fossilen Brennstoffen, der auch andere radiometrische Datierungsmethoden verfälscht:
"Die Bleisotop-Geochemie und die Uran-Blei scheinbare Altersbestimmungen des Sandstein-typischen uranhaltigen Erzes von Domiasiat, Meghalaya, Indien." 1998. R.R. Das, K.K. Dwivedy, T.R. Mahalingam und C.K. Mathews. Journal of the Geological Society of India 51(6): 817-825.
ZUSAMMENFASSUNG: Die relative Häufigkeit von radioaktivem Blei variiert je nach mineralogischen Eigenschaften des Erzes. In kohlehaltigem Material mit hohem Uran-Gehalt macht radioaktives Blei mehr als 80% des Gesamtbetrags aus, wohingegen in einem zusammengesetzten Erz bis zu 60% des Gesamtbetrags aus dem ursprünglichen gemeinsamen Blei stammen. Die Uran-Blei "scheinbaren Altersbestimmungen" liegen im Bereich von 25 Ma bis 95 Ma und hängen von der mineralogischen Assoziation im Erz ab. Die jüngste Uran-Mineralisation mit einem "scheinbaren Alter" von -25 Ma ist mit den Kohle-Abscheidungen verbunden, die beträchtliche Mengen an Pyrit enthalten. Die Variationen in der Häufigkeit und Verteilung von radioaktiven Blei-Isotopen und die daraus resultierenden geordneten Änderungen der "scheinbaren Altersbestimmungen" von Uran-Mineralisationen in verschiedenen Typen von mineralischen Abscheidungen werden auf die bestehenden günstigen Bedingungen im Erz zurückgeführt, die die Bewegung von Uran vom Gestein und die bevorzugte Konzentration und Retention in der Kohle ermöglichen, was zu mehr als einer Stufe der Uran-Mineralisation führt.

Alte (aber immer noch gute) Referenz zur Variation des Uran-Gehalts in Kohlen:
"Geologie des Urans in kohlehaltigen kohlestoffreichen Gesteinen." 1962. J.D. Vine. U.S. Geological Survey Professional Paper. Seiten 113-170.
ZUSAMMENFASSUNG: U ist einer von vielen anorganischen Bestandteilen, die mit Kohle, unreiner Kohle, kohlehaltigem Schiefer und kohlestoffreichem Schiefer assoziiert sind. Diese Gesteine enthalten normalerweise weniger als 0,0001% U. Mindestens 0,005% und bis zu 0,1% U treten lokal in alpinen-Moorsoden, in kohlestoffreichen Schieferlagern und als große Niedriggradvorkommen in Braunkohle und Subbituminöskohle in den Rocky Mountains und den Great Plains-Regionen bekannt auf. Bituminöse und anthrazitische Kohle enthält selbst lokal nur selten mehr als 0,005% U. Wirtschaftlich signifikante Mengen unreiner Braunkohle und braunkohlehaltigen Schiefers enthalten in mindestens 14 Gebieten in den Vereinigten Staaten bis zu 0,1% U. Fast die Hälfte dieser Gebiete liegt in der Fort Union-Braunkohle-Region im westlichen Nord- und Süddakota. Die meisten dieser Vorkommen treten in dünnen Lagen unreiner braunkohlehaltiger Gesteine auf, die verwittert sind zu weichem erdigem Material mit etwa 50% Feuchtigkeit. U tritt hauptsächlich als epigenetischer Bestandteil der Pflanzenreste im kohlehaltigen Gestein auf, chemisch durch Kationenaustausch an der humischen Substanz fixiert. Die Lokalisierung der Vorkommen hängt von der Verfügbarkeit von U in Grundwasserlösungen, der Struktur und Permeabilität des angrenzenden Gesteins und insbesondere von der Permeabilität und chemischen Anfälligkeit des kohlehaltigen Gesteins ab. Die besondere Kombination von Bedingungen, die notwendig ist, um ein wirtschaftlich signifikantes U-Vorkommen in kohlehaltigen kohlestoffreichen Gesteinen zu bilden, wird selten erfüllt und folgt keinem leicht vorhersagbaren Muster.