Om isotopisk datering: Gardestokker for geologisk tid

Arbeidet til geologer er å fortelle den sanne historien om jordas historie - mer presist, en historie om jordas historie som stadig er sannere. For hundre år siden hadde vi liten anelse om historiens lengde - vi hadde ingen god målestokk for tid. I dag kan vi ved hjelp av isotopiske dateringsmetoder bestemme alderen på bergarter nesten så godt som vi kartlegger bergartene i seg selv. For det kan vi takke for radioaktivitet, oppdaget ved forrige århundreskifte.

For hundre år siden var ideene våre om klippealder og jordens alder vage. Men tydeligvis er steiner veldig gamle ting. Ut fra antall bergarter det er, pluss de umerkelige hastighetene av prosessene som danner dem - erosjon, begravelse, fossilization, løfting - den geologiske posten må representere utallige millioner av år. Det er den innsikten, først uttrykt i 1785, som gjorde James Hutton til far til geologi.

Så vi visste om "dyp tid, "men å utforske det var frustrerende. I mer enn hundre år var den beste metoden for å arrangere historien bruken av fossiler eller biostratigrafi. Det fungerte bare for sedimentære bergarter og bare noen av dem. Bergarter i pre-kambrisk tid hadde bare de sjeldneste krypene av fossiler. Ingen visste selv hvor mye av jordens historie som var ukjent! Vi trengte et mer presist verktøy, en slags klokke, for å begynne å måle den.

I 1896 viste Henri Becquerels tilfeldige oppdagelse av radioaktivitet hva som kan være mulig. Vi lærte at noen elementer gjennomgår radioaktivt forfall, og spontant skiftet til en annen type atom mens de gir fra seg et spreng av energi og partikler. Denne prosessen skjer med en jevn hastighet, så stabil som en klokke, upåvirket av vanlige temperaturer eller vanlig kjemi.

Prinsippet med å bruke radioaktivt forfall som dateringsmetode er enkelt. Tenk på denne analogien: en grill med full av brennkull. Kullet brenner med kjent hastighet, og hvis du måler hvor mye kull som er igjen og hvor mye aske som har dannet seg, kan du fortelle hvor lenge siden grillen ble tent.

Den geologiske ekvivalenten med å tenne grillen er det tidspunktet et mineralkorn størknet, enten det er for lenge siden i en eldgamle granitt eller bare i dag i en frisk lavastrøm. Det faste mineralkornet feller radioaktive atomer og deres forfallsprodukter, og bidrar til å sikre nøyaktige resultater.

Rett etter at radioaktivitet ble oppdaget, publiserte eksperimentere noen prøvedatoer for bergarter. Ernest Rutherford, som innså at forfallet av uran produserer helium, bestemte i 1905 en alder for et stykke uranmalm ved å måle mengden helium fanget i den. Bertram Boltwood i 1907 brukte bly, sluttproduktet av uranforfall, som en metode for å vurdere alderen på mineralet uraninitt i noen eldgamle bergarter.

Resultatene var spektakulære, men for tidlige. Bergartene så ut til å være forbløffende gamle, i alderen fra 400 millioner til mer enn 2 milliarder år. Men den gangen var det ingen som visste om isotoper. En gang isotoper ble undersøkti løpet av 1910-årene ble det klart at radiometriske dateringsmetoder ikke var klare for prime time.

Med oppdagelsen av isotoper gikk dateringsproblemet tilbake til firkant en. For eksempel er uran-til-bly forfallskaskade egentlig to - uran-235 forfall til bly-207 og uran-238 forfall til bly-206, men den andre prosessen er nesten syv ganger tregere. (Det gjør uran-bly dating spesielt nyttig.) Noen 200 andre isotoper ble oppdaget i løpet av de neste tiårene; de som er radioaktive, hadde deretter sine forfallsnivåer bestemt i møysommelige laboratorieforsøk.

Ved 1940-tallet gjorde denne grunnleggende kunnskapen og utviklingen av instrumenter det mulig å begynne å bestemme datoer som betyr noe for geologer. Men teknikker går fremover i dag fordi, med hvert skritt fremover, kan en rekke nye vitenskapelige spørsmål stilles og besvares.

Det er to hovedmetoder for isotopdating. Man oppdager og teller radioaktive atomer gjennom deres stråling. Pionerene innen radiokarbondatering brukte denne metoden fordi karbon-14, den radioaktive isotopen av karbon, er veldig aktiv og forfaller med en halveringstid på bare 5730 år. De første radiokarbonlaboratoriene ble bygd under jorden, med antikke materialer fra før 1940-årene med radioaktiv forurensning, med sikte på å holde bakgrunnsstrålingen lav. Likevel kan det ta flere uker med pasienttelling for å få nøyaktige resultater, spesielt i gamle prøver der det er svært få radiokarbonatomer igjen. Denne metoden er fremdeles i bruk for knappe, meget radioaktive isotoper som karbon-14 og tritium (hydrogen-3).

De fleste forfallsprosesser av geologisk interesse er for trege for metoder for forfall. Den andre metoden er avhengig av at man faktisk teller atomene til hver isotop, og ikke venter på at noen av dem skal forfalle. Denne metoden er vanskeligere, men mer lovende. Det innebærer å utarbeide prøver og kjøre dem gjennom a massespektrometer, som gir dem atom for atom etter vekt like pent som en av de myntsorteringsmaskinene.

For eksempel, ta i betraktning kalium-argon dateringsmetode. Kaliumatomer kommer i tre isotoper. Kalium-39 og kalium-41 er stabile, men kalium-40 gjennomgår en form for forfall som gjør det til argon-40 med en halveringstid på 1 277 millioner år. Jo eldre en prøve blir, jo mindre er andelen kalium-40, og omvendt desto større er prosentandelen argon-40 i forhold til argon-36 og argon-38. Å telle noen millioner atomer (enkelt med bare mikrogram bergart) gir datoer som er ganske gode.

Isotopisk datering har understreket hele århundret med fremgang vi har gjort med jordas sanne historie. Og hva skjedde i de milliarder av årene? Det er nok tid til å passe til alle de geologiske hendelsene vi noen gang har hørt om, med milliarder igjen. Men med disse dateringsverktøyene har vi vært opptatt med å kartlegge dyp tid, og historien blir mer nøyaktig for hvert år.