Praca geolodzy jest opowiadanie prawdziwej historii historii Ziemi, a dokładniej historii historii Ziemi, która jest coraz bardziej prawdziwa. Sto lat temu nie mieliśmy pojęcia o długości historii - nie mieliśmy dobrego miernika czasu. Dzisiaj za pomocą izotopowych metod datowania możemy niemal dokładnie określić wiek skał i zmapować same skały. Za to możemy podziękować za radioaktywność odkrytą na przełomie ubiegłego wieku.
Potrzeba zegara geologicznego
Sto lat temu nasze poglądy na temat epoki skał i wieku Ziemi były niejasne. Ale skały są bardzo stare. Sądząc po liczbie skał, a także niezauważalnym tempie procesów je tworzących - erozji, pochówku, skostnienie, uplift - zapis geologiczny musi reprezentować niezliczone miliony lat. To właśnie ten wgląd, po raz pierwszy wyrażony w 1785 r., Uczynił Jamesa Huttona ojcem geologii.
Więc wiedzieliśmy o „głęboki czas, ”ale odkrywanie tego było frustrujące. Przez ponad sto lat najlepszą metodą uporządkowania historii było wykorzystanie skamielin lub biostratygrafii. To działało tylko w przypadku skał osadowych i tylko niektórych z nich. Skały z czasów przedkambryjskich miały tylko najrzadsze skamieliny skamielin. Nikt nie wiedział nawet, jak wiele historii Ziemi jest nieznanych! Potrzebowaliśmy bardziej precyzyjnego narzędzia, jakiegoś zegara, aby zacząć go mierzyć.
Powstanie randek izotopowych
W 1896 r. Przypadkowe odkrycie radioaktywności Henri Becquerela pokazało, co może być możliwe. Dowiedzieliśmy się, że niektóre pierwiastki ulegają rozkładowi radioaktywnemu, spontanicznie zmieniając się w inny rodzaj atomu, wydzielając jednocześnie wybuch energii i cząstek. Proces ten zachodzi w jednolitym tempie, tak stałym jak zegar, na który nie mają wpływu zwykłe temperatury ani chemia.
Zasada użycia rozpadu radioaktywnego jako metody datowania jest prosta. Rozważ tę analogię: grill pełen palącego się węgla drzewnego. Węgiel płonie w znanym tempie, a jeśli zmierzysz, ile pozostało węgla drzewnego i ile popiołu się utworzyło, możesz powiedzieć, jak dawno temu grill był zapalony.
Geologicznym odpowiednikiem oświetlenia grilla jest czas, w którym ziarno mineralne zestaliło się, czy to dawno temu w starożytnym granicie, czy właśnie dziś w świeżej lawie. Stałe ziarno mineralne zatrzymuje pułapkę radioaktywne atomy i ich produkty rozpadu, pomagając zapewnić dokładne wyniki.
Wkrótce po odkryciu radioaktywności eksperymentatorzy opublikowali niektóre daty prób skał. Zdając sobie sprawę, że rozpad uranu powoduje wytwarzanie helu, Ernest Rutherford w 1905 roku określił wiek kawałka rudy uranu, mierząc ilość helu w nim uwięzionego. Bertram Boltwood w 1907 r. Zastosował ołów, produkt końcowy rozpadu uranu, jako metodę oceny wieku mineralnego uraninitu w niektórych starożytnych skałach.
Wyniki były spektakularne, ale przedwczesne. Skały wydawały się zadziwiająco stare, w wieku od 400 milionów do ponad 2 lat miliard lat Ale w tym czasie nikt nie wiedział o izotopach. Pewnego razu izotopy zostały wyjaśnionew latach 1910 stało się jasne, że metody datowania radiometrycznego nie były gotowe na najwyższy czas.
Wraz z odkryciem izotopów problem datowania wrócił do punktu wyjścia. Na przykład kaskada rozpadu uranu na ołów jest tak naprawdę dwoma - rozpada się uran-235 na ołów-207, a uran-238 rozpada się na ołów-206, ale drugi proces jest prawie siedem razy wolniejszy. (Sprawia, że datowanie uranowo-ołowiowe szczególnie przydatne.) W ciągu następnych dziesięcioleci odkryto około 200 innych izotopów; u tych, którzy są radioaktywni, ustalono ich szybkość rozpadu w żmudnych eksperymentach laboratoryjnych.
W latach czterdziestych ta podstawowa wiedza i postęp w dziedzinie instrumentów umożliwiły rozpoczęcie określania dat, które mają znaczenie dla geologów. Ale techniki wciąż się rozwijają, ponieważ z każdym krokiem naprzód można zadać wiele nowych naukowych pytań i odpowiedzieć na nie.
Metody datowania izotopowego
Istnieją dwie główne metody datowania izotopowego. Wykrywa się i zlicza radioaktywne atomy na podstawie ich promieniowania. Pionierzy datowania radiowęglowego zastosowali tę metodę, ponieważ węgiel-14, radioaktywny izotop węgla, jest bardzo aktywny, rozkładając się z okresem półtrwania wynoszącym zaledwie 5730 lat. Pierwsze laboratoria radiowęglowe zostały zbudowane pod ziemią, przy użyciu antycznych materiałów z czasów skażenia radioaktywnego sprzed lat 40. XX wieku, w celu utrzymania niskiego poziomu promieniowania tła. Mimo to uzyskanie dokładnych wyników może zająć tygodnie liczenia pacjentów, zwłaszcza w starych próbkach, w których pozostało bardzo niewiele atomów radiowęglowych. Ta metoda jest nadal stosowana w przypadku rzadkich, wysoce radioaktywnych izotopów węgiel-14 i tryt (wodór-3).
Większość procesów rozpadu o znaczeniu geologicznym jest zbyt wolna, aby można było zastosować metody liczenia rozpadu. Druga metoda polega na faktycznym zliczeniu atomów każdego izotopu, nie czekając na rozkład niektórych z nich. Ta metoda jest trudniejsza, ale bardziej obiecująca. Polega na przygotowaniu próbek i przepuszczeniu ich przez spektrometr masowy, która przesuwa je atom po atomie zgodnie z wagą tak starannie, jak jedna z tych maszyn do sortowania monet.
Na przykład rozważmy metoda datowania potasowo-argonowego. Atomy potasu występują w trzech izotopach. Potas-39 i potas-41 są stabilne, ale potas-40 ulega pewnej formie rozpadu, która zamienia go w argon-40 z okresem półtrwania wynoszącym 1277 milionów lat. Zatem im starsza jest próbka, tym mniejszy procent potasu-40 i odwrotnie, tym większy procent argonu-40 w stosunku do argonu-36 i argonu-38. Zliczenie kilku milionów atomów (łatwe za pomocą zaledwie mikrogramów skały) daje całkiem dobre daty.
Datowanie izotopowe stanowi podstawę całego stulecia postępu, jaki dokonaliśmy w prawdziwej historii Ziemi. A co się stało przez te miliardy lat? To wystarczająco dużo czasu, aby zmieścić się we wszystkich wydarzeniach geologicznych, o których słyszeliśmy, i pozostały miliardy. Ale dzięki tym narzędziom randkowym zajmujemy się głębokim mapowaniem, a historia z roku na rok staje się coraz bardziej dokładna.