Arbejdet med geologer er at fortælle den sande historie om Jordens historie - mere præcist en historie om Jordens historie, der altid er sandere. For hundrede år siden havde vi ikke nogen idé om historiens længde - vi havde ingen god målestok i tid. I dag kan vi ved hjælp af isotopiske dateringsmetoder bestemme alderen på klipper næsten så godt som vi kortlægger klipperne selv. For det kan vi takke radioaktivitet, opdaget i slutningen af forrige århundrede.
Behovet for en geologisk ur
For hundrede år siden var vores ideer om klippealder og jordens alder vage. Men naturligvis er klipper meget gamle ting. At dømme ud fra antallet af klipper der er plus de umærkelige mængder af processerne, der danner dem - erosion, begravelse, fossilstadiet, løft - den geologiske rekord skal repræsentere utallige millioner af år. Det er denne indsigt, først udtrykt i 1785, der gjorde James Hutton til geologiens far.
Så vi vidste om "dyb tid, "men at udforske det var frustrerende. I mere end hundrede år var den bedste metode til at arrangere sin historie brugen af fossiler eller biostratigrafi. Det fungerede kun for sedimentære klipper og kun nogle af dem. Klipper i præambisk alder havde kun de sjældneste visps af fossiler. Ingen vidste engang, hvor meget af Jordens historie, der var ukendt! Vi havde brug for et mere præcist værktøj, en slags ur, for at begynde at måle det.
Fremkomsten af isotopisk datering
I 1896 viste Henri Becquerels utilsigtede opdagelse af radioaktivitet, hvad der kunne være muligt. Vi lærte, at nogle elementer gennemgår radioaktivt henfald, idet de spontant skiftes til en anden type atom, mens de afgiver et burst af energi og partikler. Denne proces sker i en ensartet hastighed, lige så stabil som et ur, der ikke påvirkes af almindelige temperaturer eller almindelig kemi.
Princippet om at bruge radioaktivt henfald som en dateringsmetode er enkelt. Overvej denne analogi: en grill fuld af brændende kul. Trækul brænder med en kendt hastighed, og hvis du måler, hvor meget kul der er tilbage, og hvor meget aske der er dannet, kan du fortælle, hvor længe siden grillen blev tændt.
Den geologiske ækvivalent med at tænde grillen er det tidspunkt, hvor et mineralsk korn størkede, hvad enten det er længe siden i en gammel granit eller bare i dag i en frisk lavastrøm. Det faste mineralkorn fælder radioaktive atomer og deres henfaldsprodukter, hvilket hjælper med at sikre nøjagtige resultater.
Kort efter, at radioaktivitet blev opdaget, offentliggjorde eksperimenterne nogle prøvedatoer for klipper. Efter at han indså, at nedbrydningen af uran producerer helium, bestemte Ernest Rutherford i 1905 en alder for et stykke uranmalm ved at måle mængden af helium fanget i det. Bertram Boltwood i 1907 brugte bly, slutproduktet af uranfald, som en metode til at vurdere alderen på mineralet uraninit i nogle gamle klipper.
Resultaterne var spektakulære, men for tidlige. Klipperne syntes at være forbløffende gamle og spænde i en alder fra 400 millioner til mere end 2 milliard flere år. Men dengang vidste ingen om isotoper. Enkelt gang isotoper blev undersøgti løbet af 1910'erne blev det klart, at radiometriske dateringsmetoder ikke var klar til prime time.
Med opdagelsen af isotoper gik dateringsproblemet tilbage til firkant et. F.eks. Er uran-til-bly-henfaldskaskade virkelig to - uran-235 nedbrydning til bly-207 og uran-238-henfald til bly-206, men den anden proces er næsten syv gange langsommere. (Det gør uran-bly dating især nyttigt.) Cirka 200 andre isotoper blev opdaget i de næste årtier; dem, der er radioaktive, fik derefter deres henfaldshastigheder bestemt i omhyggelige laboratorieeksperimenter.
I 1940'erne gjorde denne grundlæggende viden og fremskridt inden for instrumenter det muligt at begynde at bestemme datoer, der betyder noget for geologer. Men teknikker skrider stadig frem i dag, fordi der med hvert skridt fremad, kan en række nye videnskabelige spørgsmål stilles og besvares.
Metoder til isotopisk datering
Der er to hovedmetoder til isotopdating. Man registrerer og tæller radioaktive atomer gennem deres stråling. Pionererne inden for radiocarbon-datering anvendte denne metode, fordi carbon-14, den radioaktive isotop af carbon, er meget aktiv og henfalder med en halveringstid på kun 5730 år. De første radiocarbonlaboratorier blev bygget under jorden ved hjælp af antikke materialer fra før 1940'ernes æra med radioaktiv forurening med det formål at holde baggrundsstråling lav. Alligevel kan det tage uger med tælling af patienter for at få nøjagtige resultater, især i gamle prøver, hvor meget få radiocarbonatomer er tilbage. Denne metode bruges stadig til knappe, meget radioaktive isotoper som carbon-14 og tritium (hydrogen-3).
De fleste henfaldsprocesser af geologisk interesse er for langsomme til metoder til henfaldtælling. Den anden metode er afhængig af, at man faktisk tæller atomerne i hver isotop og ikke venter på, at nogle af dem forfalder. Denne metode er sværere, men mere lovende. Det involverer at forberede prøver og køre dem gennem a massespektrometer, der sænker dem atom for atom efter vægt lige så pænt som en af disse møntsorteringsmaskiner.
Overvej til et eksempel kalium-argon dateringsmetode. Kaliumatomer findes i tre isotoper. Kalium-39 og kalium-41 er stabile, men kalium-40 gennemgår en form for henfald, der gør det til argon-40 med en halveringstid på 1.277 millioner år. Jo ældre en prøve bliver, jo mindre er procentdelen af kalium-40, og omvendt desto større er procentdelen af argon-40 i forhold til argon-36 og argon-38. At tælle et par millioner atomer (let med bare mikrogram rock) giver datoer, der er ganske gode.
Isotopisk datering har understreget hele århundredets fremskridt, vi har gjort med Jordens sande historie. Og hvad skete der i disse milliarder af år? Det er tid nok til at passe til alle de geologiske begivenheder, vi nogensinde har hørt om, med milliarder tilbage. Men med disse dateringsværktøjer har vi været travlt med at kortlægge dyb tid, og historien bliver mere nøjagtig hvert år.