Työntekijä geologit on kertoa tosi tarina maan historiasta - tarkemmin sanottuna tarina maan historiasta, joka on yhä totuudenmukaisempi. Sata vuotta sitten meillä ei ollut juurikaan aavistustakaan tarinan pituudesta - meillä ei ollut hyvää mittaristoa ajalle. Nykyään isotooppisten treffimenetelmien avulla voimme määrittää kivien ikämme melkein samoin kuin kartoitamme itse kiviä. Tästä voimme kiittää radioaktiivisuutta, joka löydettiin viime vuosisadan vaihteessa.
Geologisen kellon tarve
Sata vuotta sitten ideat kivien ja maapallon aikakaudelta olivat epämääräisiä. Mutta luonnollisesti kivet ovat hyvin vanhoja asioita. Kivien lukumäärästä päätellen, sekä niitä muodostavien prosessien havaitsemattomissa nopeuksissa - eroosio, hautaaminen, fossilization, nousu - geologisen tietueen on esitettävä sanomaton miljoonien vuosien aika. Se käsitys, joka ilmaistaan ensimmäisen kerran vuonna 1785, teki James Huttonista geologian isän.
Joten tiesimme "syvä aika", mutta sen tutkiminen oli turhauttavaa. Yli sadan vuoden ajan paras tapa järjestää historiansa oli fossiilien käyttö tai biostratigrafia. Se toimi vain sedimenttikivien ja vain joidenkin kanssa. Precambrian ikäisillä kivillä oli vain harvinaisimmat fossiilisten jätteet. Kukaan ei tiennyt edes sitä, kuinka suuri osa maapallon historiasta oli tuntematon! Tarvitsimme tarkemman työkalun, jonkinlaisen kellon, jotta voimme mitata sitä.
Isotooppisen treffin nousu
Vuonna 1896 Henri Becquerelin vahingossa havaittu radioaktiivisuus osoitti, mikä voisi olla mahdollista. Opimme, että jotkut elementit läpikäyvät radioaktiivisen hajoamisen, muuttuessaan spontaanisti toisen tyyppiseksi atomiksi, samalla kun ne vapauttavat energiaa ja hiukkasia. Tämä prosessi tapahtuu tasaisella nopeudella, yhtä vakaa kuin kello, normaalien lämpötilojen tai tavallisen kemian vaikutuksesta.
Periaate radioaktiivisen hajoamisen käytöstä treffimenetelmänä on yksinkertainen. Mieti tätä analogiaa: grillausgrilli, joka on täynnä palavaa hiiltä. Hiili palaa tunnetulla nopeudella, ja jos mitat, kuinka paljon hiiltä on jäljellä ja kuinka paljon tuhkaa on muodostunut, voit kertoa kuinka kauan sitten grilli palaa.
Grillin valaistusgeologinen vastine on aika, jolloin mineraalijyvät jähmettyivät, olipa se sitten kauan sitten muinaisessa graniitissa vai juuri tänään tuoreessa laavavirtauksessa. Kiinteä mineraalijyvä tarttuu radioaktiiviset atomit ja niiden hajoamistuotteet auttavat varmistamaan tarkkoja tuloksia.
Pian radioaktiivisuuden havaitsemisen jälkeen kokeilijat julkaisivat kivien koeajankohdat. Saatuaan tietää, että uraanin hajoaminen tuottaa heliumia, Ernest Rutherford määritteli vuonna 1905 uraanimalminpalan iän mittaamalla siihen jääneen heliumin määrän. Bertram Boltwood käytti vuonna 1907 lyijyä, uraanin hajoamisen lopputuotetta, menetelmänä mineraaliuraniniitin iän arvioimiseksi joihinkin muinaisiin kiviin.
Tulokset olivat mahtavia, mutta ennenaikaisia. Kivet näyttivät hämmästyttävän vanhoilta, ikä vaihteleen 400 miljoonasta yli kahteen miljardi vuotta. Mutta tuolloin kukaan ei tiennyt isotoopeista. Kerran isotoopit selitettiin, 1910-luvun aikana kävi selväksi, että radiometriset treffimenetelmät eivät olleet valmiita parhaaseen aikaan.
Isotooppien löytämisen myötä dating-ongelma palasi takaisin neliöön. Esimerkiksi uraani-lyijy-hajoamiskaskadi on todella kaksi - uraani-235 hajoaa lyijyksi-207 ja uraani-238 hajoaa lyijyksi-206, mutta toinen prosessi on lähes seitsemän kertaa hitaampi. (Se tekee uraani-lyijy treffit erityisen hyödyllinen.) Seuraavien vuosikymmenten aikana löydettiin noin 200 muuta isotooppia; radioaktiivisten niiden hajoamisnopeudet määritettiin sitten huolellisissa laboratoriokokeissa.
1940-luvulle mennessä tämä perustieto ja välineiden kehitys antoivat mahdolliseksi määrittää päivämääriä, jotka merkitsevät jotain geologeille. Mutta tekniikat etenevät edelleen tänään, koska jokaisella askel eteenpäin voidaan kysyä ja vastata joukko uusia tieteellisiä kysymyksiä.
Isotooppisen treffin menetelmät
Isotooppiseen treffailuun liittyy kaksi päämenetelmää. Yksi havaitsee ja laskee radioaktiiviset atomit säteilyn kautta. Radiokarbonaatin pioneerit käyttivät tätä menetelmää, koska hiili-14, hiilen radioaktiivinen isotooppi, on erittäin aktiivinen, hajoaen ja sen puoliintumisaika on vain 5730 vuotta. Ensimmäiset radiohiililaboratoriot rakennettiin maan alle, käyttämällä antiikkimateriaaleja ennen 1940-luvun radioaktiivisen saastumisen aikakautta, tavoitteena pitää taustan säteily alhaisella tasolla. Silti voi viedä viikkoja potilaan laskentaa saadaksesi tarkkoja tuloksia, etenkin vanhoissa näytteissä, joissa on vain vähän radiohiiliatomeja. Tätä menetelmää käytetään edelleen harvoissa, erittäin radioaktiivisissa isotoopeissa, kuten hiili-14 ja tritium (vety-3).
Useimmat geologisesti kiinnostavat rappeutumisprosessit ovat liian hitaita rappeutumisen laskemismenetelmille. Toinen menetelmä perustuu kunkin isotoopin atomien tosiasialliseen laskemiseen, odottamatta, että jotkut niistä hajoavat. Tämä menetelmä on vaikeampi, mutta lupaavampaa. Se sisältää näytteiden valmistamisen ja niiden ajamisen a massaspektrometri, joka jakaa ne atomin mukaan atomia painon mukaan yhtä siististi kuin yksi niistä kolikoiden lajittelukoneista.
Esimerkki: harkitse kalium-argon-dating menetelmä. Kaliumiatomeja esiintyy kolmessa isotoopissa. Kalium-39 ja kalium-41 ovat stabiileja, mutta kalium-40 kohoaa muodossa, joka muuttaa sen argon-40: ksi, puoliintumisaika on 1,277 miljoonaa vuotta. Siten mitä vanhempi näyte saa, sitä pienempi on kalium-40-prosenttimäärä ja päinvastoin, sitä suurempi on argon-40-prosenttimäärä suhteessa argon-36: een ja argon-38: een. Muutaman miljoonan atomin laskeminen (helppo vain mikrogrammilla kiviä) tuottaa päivämäärät, jotka ovat aika hyviä.
Isotooppiset treffit ovat kaataneet koko vuosisadan edistymisen, jonka olemme tehneet maan todellisessa historiassa. Ja mitä tapahtui noissa miljardeissa vuosissa? Se on tarpeeksi aikaa sopimaan kaikkiin geologisiin tapahtumiin, joista olemme koskaan kuulleet, ja miljardeja on jäljellä. Mutta näiden treffityökalujen avulla olemme kiireellisesti kartoittaneet syvää aikaa, ja tarina tarkentuu vuosittain.