O izotopových zoznamkách: Meradlá pre geologický čas

Práca geológovia je rozprávať skutočný príbeh dejín Zeme - presnejšie povedané príbeh dejín Zeme, ktorý je čoraz pravdivejší. Pred sto rokmi sme mali len malú predstavu o dĺžke príbehu - nemali sme dobré meradlo času. Dnes pomocou izotopových metód randenia dokážeme určiť vek hornín takmer rovnako, ako aj mapovať samotné horniny. Za to môžeme poďakovať rádioaktivite objavenej na prelome minulého storočia.

Pred sto rokmi boli naše predstavy o veku hornín a veku Zeme nejasné. Je však zrejmé, že skaly sú veľmi staré veci. Súdiac podľa počtu hornín, ktoré tam sú, plus nepostrehnuteľné rýchlosti procesov, ktoré ich tvoria - erózia, pohreb, zkamenění, zdvih - geologický záznam musí predstavovať nespočetné milióny rokov času. Práve tento pohľad, prvýkrát vyjadrený v roku 1785, urobil Jamesa Huttona otcom geológie.

Takže sme vedeli o „hlboký čas“, ale skúmanie bolo frustrujúce. Viac ako sto rokov bola najlepšou metódou usporiadania jeho histórie použitie fosílií alebo biostratigrafie. To fungovalo iba pre sedimentárne horniny a len pre niektoré z nich. Horniny predkambrianskeho veku mali iba najzriedkavejšie pramene fosílií. Nikto nevedel, koľko histórie Zeme nebolo známe! Potrebovali sme presnejší nástroj, nejaké hodiny, aby sme ho mohli zmerať.

V roku 1896 náhodné objavenie rádioaktivity Henriho Becquerela ukázalo, čo je možné. Dozvedeli sme sa, že niektoré prvky podliehajú rádioaktívnemu rozkladu a spontánne sa menia na iný typ atómu, zatiaľ čo vydávajú výbuch energie a častíc. Tento proces prebieha jednotnou rýchlosťou, rovnako stabilnou ako hodiny, bez ovplyvnenia bežnými teplotami alebo bežnou chémiou.

Princíp použitia rádioaktívneho rozpadu ako metódy datovania je jednoduchý. Zvážte túto analógiu: gril na grilovanie plný horiaceho uhlia. Drevené uhlie horí známym tempom a ak zmeráte, koľko aktívneho uhlia zostáva a koľko sa vytvoril popol, môžete povedať, ako dlho sa gril zapálil.

Geologickým ekvivalentom osvetlenia grilu je čas, keď minerálne zrno stuhlo, či už je to dávno v starej žule, alebo práve dnes v čerstvom lávovom prúde. Tuhé minerálne zrno zachytáva rádioaktívne atómy a ich produkty rozpadu, čo pomáha zaistiť presné výsledky.

Čoskoro po objavení rádioaktivity experimentári publikovali niekoľko skúšobných dátumov hornín. Ernest Rutherford si uvedomil, že úpadok uránu produkuje hélium. V roku 1905 určil vek kusu uránovej rudy zmeraním množstva hélia zachyteného v ňom. Bertram Boltwood v roku 1907 používal olovo, konečný produkt rozkladu uránu, ako metódu na hodnotenie veku minerálneho uraninitu v niektorých starovekých horninách.

Výsledky boli veľkolepé, ale predčasné. Horniny sa zdali byť úžasne staré, vo veku od 400 miliónov do viac ako 2 rokov miliardy rokov. V tom čase však nikto nevedel o izotopoch. akonáhle izotopy boli vysvetlenéPočas rokov 1910 sa ukázalo, že rádiometrické zoznamovacie metódy neboli pripravené na hlavný čas.

S objavom izotopov sa problém datovania vrátil naspäť na štvorcový. Napríklad kaskáda rozpadu uránu na olovo je skutočne dve - rozpady uránu-235 na olovo-207 a urán-238 na olovo-206, ale druhý proces je takmer sedemkrát pomalší. (Ktorá robí uránové olovo obzvlášť užitočné.) V nasledujúcich desaťročiach bolo objavených asi 200 ďalších izotopov; tie, ktoré sú rádioaktívne, potom určili mieru rozpadu v pokusoch s náročnou laboratórnou praxou.

Do štyridsiatych rokov minulého storočia tieto základné vedomosti a pokrok v nástrojoch umožnili začať určovať dátumy, ktoré pre geológov znamenajú niečo. Techniky však stále napredujú, pretože s každým krokom vpred je možné klásť a odpovedať na množstvo nových vedeckých otázok.

Existujú dve hlavné metódy izotopového datovania. Jeden detekuje a počíta rádioaktívne atómy prostredníctvom ich žiarenia. Priekopníci rádiokarbónového datovania používali túto metódu, pretože uhlík-14, rádioaktívny izotop uhlíka, je veľmi aktívny a rozkladá sa s polčasom rozpadu len 5730 rokov. Prvé rádiokarbónové laboratóriá boli vybudované v podzemí pomocou antických materiálov z obdobia rádioaktívnej kontaminácie z obdobia pred štyridsiatymi rokmi s cieľom udržať nízku radiáciu pozadia. Získanie presných výsledkov však môže trvať týždne, kým pacient počíta, najmä v starých vzorkách, v ktorých zostáva len veľmi málo atómov uhlíka. Táto metóda sa stále používa pre vzácne vysoko rádioaktívne izotopy uhlík-14 a trícia (vodík-3).

Väčšina procesov rozpadu geologického záujmu je príliš pomalá pre metódy počítania rozpadov. Druhá metóda sa spolieha na skutočné počítanie atómov každého izotopu, nie na čakanie na rozpad niektorých z nich. Táto metóda je ťažšia, ale sľubnejšia. Zahŕňa to prípravu vzoriek a ich uskutočnenie hmotnostný spektrometer, ktorý ich triedi podľa atómov podľa hmotnosti rovnako elegantne ako jeden z týchto strojov na triedenie mincí.

Napríklad, zvážte metóda randenia draslíka a argónu. Atómy draslíka prichádzajú do troch izotopov. Draslík-39 a draslík-41 sú stabilné, ale draslík-40 podlieha určitému rozkladu, ktorý ho premení na argón-40 s polčasom rozpadu 1 277 miliónov rokov. Čím je teda vzorka staršia, tým menšie je percento draslíka-40 a naopak, väčšie je percento argónu-40 v porovnaní s argónom-36 a argónom-38. Počítaním niekoľkých miliónov atómov (ľahké len s mikrogramami hornín) sa získajú pomerne dobré dátumy.

Izotopové datovania sú základom celého storočia pokroku, ktorý sme dosiahli v skutočnej histórii Zeme. A čo sa stalo za tie miliardy rokov? To je dosť času na to, aby sa zmestili všetky geologické udalosti, o ktorých sme kedy počuli, a zostali miliardy. S týmito nástrojmi na zoznamovanie sme však boli zaneprázdnení mapovaním hlbokého času a príbeh sa každým rokom spresňuje.