O izotopickém randění: Měřidla pro geologický čas

Práce geologové je vyprávět skutečný příběh dějin Země - přesněji příběh dějin Země, který je stále pravdivější. Před sto lety jsme měli malou představu o délce příběhu - neměli jsme dobré měřítko na čas. Dnes můžeme pomocí izotopových datovacích metod určit věky hornin téměř stejně jako samotné mapy hornin. Za to můžeme poděkovat radioaktivitě, objevené na přelomu minulého století.

Před sto lety byly naše představy o věku skal a věku Země nejasné. Ale zjevně jsou skály velmi staré věci. Soudě podle počtu hornin, plus nepostřehnutelné rychlosti procesů, které je tvoří - eroze, pohřeb, zkamenění, povzbuzení - geologický záznam musí představovat neslýchané miliony let času. Právě tento pohled, poprvé vyjádřený v roce 1785, z Jamese Huttona učinil otce geologie.

Takže jsme věděli o "hluboký čas, “ale prozkoumat to bylo frustrující. Více než sto let bylo nejlepší metodou uspořádání historie použití fosilií nebo biostratigrafie. To fungovalo pouze pro sedimentární horniny a jen pro některé z nich. Skály v předkambrickém věku měly pouze nejvzácnější prameny fosílií. Nikdo nevěděl, kolik historie Země bylo neznámo! K zahájení měření jsme potřebovali přesnější nástroj, nějaké hodiny.

V roce 1896, náhodné objevy radioaktivity Henri Becquerel ukázal, co by bylo možné. Dozvěděli jsme se, že některé prvky podléhají radioaktivnímu rozpadu, spontánně se mění na jiný typ atomu a zároveň vydávají výbuch energie a částic. Tento proces probíhá jednotnou rychlostí, stejně stabilní jako hodiny, neovlivňovanou běžnými teplotami nebo běžnou chemií.

Princip použití radioaktivního rozpadu jako metody datování je jednoduchý. Zvažte tuto analogii: grilovací gril plný hořícího uhlí. Dřevěné uhlí hoří známým tempem a pokud změříte, kolik uhlí zbývá a kolik se vytvořil popel, můžete zjistit, jak dlouho byl gril zapálen.

Geologický ekvivalent zapálení grilu je doba, ve které minerální zrno ztuhlo, ať už je to dávno ve starověké žuly, nebo právě dnes v čerstvém lávovém proudu. Tuhé minerální zrno zachycuje radioaktivní atomy a jejich produkty rozkladu, což pomáhá zajistit přesné výsledky.

Brzy poté, co byla objevena radioaktivita, experimentátoři zveřejnili některá zkušební data hornin. Ernest Rutherford si uvědomil, že úpadek uranu produkuje helium, a v roce 1905 určil věk na kus uranové rudy změřením množství hélia zachyceného v něm. Bertram Boltwood v roce 1907 používal olovo, konečný produkt rozpadu uranu, jako metodu k posouzení věku minerálního uraninitu v některých starověkých horninách.

Výsledky byly velkolepé, ale předčasné. Zdálo se, že skály byly úžasně staré a pohybovaly se ve věku od 400 milionů do více než 2 let miliarda let. Ale v té době nikdo nevěděl o izotopech. Jednou izotopy byly vysvětlenyBěhem roku 1910 se ukázalo, že radiometrické datovací metody nebyly připraveny na hlavní čas.

S objevem izotopů se datovací problém vrátil na první. Například kaskáda rozpadu uranu na olovo je skutečně dvě - rozpady uranu-235 na olovo-207 a uran-238 na olovo-206, ale druhý proces je téměř sedmkrát pomalejší. (To dělá datování z olova zvláště užitečné.) Asi 200 dalších izotopů bylo objeveno v příštích desetiletích; u těch, které jsou radioaktivní, byla stanovena jejich míra rozpadu při pokusech o pečlivé laboratorní testy.

Čtyřicátá léta tato základní znalost a pokrok v nástrojích umožnil začít určovat data, která pro geology znamenají něco. Techniky se však stále vyvíjejí, protože s každým krokem vpřed je možné položit a odpovědět na řadu nových vědeckých otázek.

Existují dvě hlavní metody izotopového randění. Jeden detekuje a počítá radioaktivní atomy přes jejich záření. Průkopníci radiokarbonového datování použili tuto metodu, protože uhlík-14, radioaktivní izotop uhlíku, je velmi aktivní a rozkládá se s poločasem rozpadu pouhých 5730 let. První radiokarbonové laboratoře byly postaveny v podzemí pomocí starožitných materiálů z doby radioaktivního znečištění z doby před 40. lety 20. století, s cílem udržet nízké záření pozadí. Přesné výsledky však mohou trvat i týdny, než pacient počítá, a to zejména u starých vzorků, ve kterých zbývá jen velmi málo atomů uhlíku. Tato metoda se stále používá pro vzácné, vysoce radioaktivní izotopy jako uhlík-14 a tritium (vodík-3).

Většina procesů rozkladu geologického zájmu je pro metody počítání rozkladu příliš pomalá. Druhá metoda se spoléhá na skutečné počítání atomů každého izotopu a nečeká, až se některé z nich rozpadnou. Tato metoda je těžší, ale slibnější. Zahrnuje přípravu vzorků a jejich průchod a hmotnostní spektrometr, který je třídí podle atomu podle hmotnosti tak úhledně jako jeden z těch strojů na třídění mincí.

Například, zvažte metoda seznamování draslík-argon. Atomy draslíku mají tři izotopy. Draslík-39 a draslík-41 jsou stabilní, ale draslík-40 podléhá určité formě rozpadu, který z něj činí argon-40 s poločasem rozpadu 1 277 milionů let. Čím je vzorek starší, tím menší je procento draslíku-40 a naopak čím větší je procento argonu-40 ve srovnání s argonem-36 a argonem-38. Počítání několika milionů atomů (snadné jen s mikrogramy horniny) poskytuje data, která jsou docela dobrá.

Izotopové datování je základem celého století pokroku, kterého jsme dosáhli v pravé historii Země. A co se stalo za ty miliardy let? To je dost času, aby se vešly všechny geologické události, o kterých jsme kdy slyšeli, s miliardami zbylých. Ale s těmito datovacími nástroji jsme byli zaneprázdněni mapováním hlubokého času a příběh je každým rokem přesnější.