Rad od geolozi je ispričati istinsku priču o Zemljinoj povijesti - točnije, priči o Zemljinoj povijesti koja je uvijek istinitija. Prije stotinu godina nismo imali pojma o dužini priče - vrijeme nismo imali dobro mjerilo. Danas pomoću izotopskih metoda datiranja možemo odrediti starost stijena gotovo jednako dobro kao i mapiranje samih stijena. Za to se možemo zahvaliti radioaktivnosti, otkrivenoj na prijelazu prošlog stoljeća.
Potreba za geološkim satom
Prije stotinu godina, naše su ideje o starosti stijena i starosti Zemlje bile nejasne. Ali očito su stijene vrlo stare stvari. Sudeći prema broju postojećih stijena, plus neprimjetne stope procesa koji ih formiraju - erozije, ukopa, fosilizacija, uzdizanje - geološki zapis mora predstavljati neispričane milijune godina. Upravo je taj uvid, prvi put izražen 1785. godine, učinio Jamesa Huttona ocem geologije.
Znali smo za "duboko vrijeme, ", ali istraživanje je bilo frustrirajuće. Tijekom više od stotinu godina najbolja metoda uređenja povijesti bila je upotreba fosila ili biostratigrafija. To je djelovalo samo za sedimentne stijene i samo neke od njih. Stijene predkambrijskog doba imale su samo najrjeđe fosile fosila. Nitko nije znao ni koliko je Zemljine povijesti nepoznato! Trebao nam je precizniji alat, neka vrsta sata da bismo ga počeli mjeriti.
Uspon izotopskog druženja
Godine 1896. slučajno otkriće radioaktivnosti Henrija Becquerela pokazalo je što bi moglo biti moguće. Saznali smo da se neki elementi podvrgavaju radioaktivnom propadanju, spontano se mijenjajući u drugu vrstu atoma, istovremeno ispuštajući pritom energije i čestica. Taj se proces odvija jednakom brzinom, postojanom kao sat, na što ne utječu uobičajene temperature ili obična kemija.
Princip korištenja radioaktivnog raspada kao metode datiranja je jednostavan. Uzmite u obzir ovu analogiju: roštilj s roštiljem punim gorućeg ugljena. Drveni ugljen gori poznatom brzinom, a ako izmjerite koliko je ugljena ostalo i koliko pepela se stvorilo, možete reći koliko je davno roštilj bio upaljen.
Geološki ekvivalent rasvjetljavanja roštilja vrijeme je u kojem se mineralno zrno učvrstilo, bilo da je to davno u drevnom granitu ili tek danas u svježem toku lave. Čvrsto mineralno zrno hvata trag radioaktivni atomi i njihovih proizvoda propadanja, pomažući u postizanju točnih rezultata.
Ubrzo nakon što je otkrivena radioaktivnost, eksperimenti su objavili neke probne datume stijena. Shvativši da propadanjem urana nastaje helij, Ernest Rutherford 1905. odredio je dob komada uranove rude mjerenjem količine helija koji je zarobljen u njemu. Bertram Boltwood 1907. koristio je olovo, krajnji proizvod raspada urana, kao metodu za procjenu starosti mineralnog uraninita u nekim drevnim stijenama.
Rezultati su bili spektakularni, ali preuranjeni. Činilo se da su stijene bile zapanjujuće stare, u dobi od 400 milijuna do više od 2 godine milijardi godine. Ali u to vrijeme nitko nije znao za izotope. Jednom izotopi su eksplicirani, tijekom 1910-ih, postalo je jasno da radiometrijske metode datiranja nisu spremne za prime time.
Otkrivanjem izotopa problem datiranja vratio se na prvo mjesto. Primjerice, kaskada propadanja urana do olova zaista je dva - uran-235 propada do olova-207, a uranij-238 propada do olova-206, ali drugi je postupak gotovo sedam puta sporiji. (To čini datiranje ulova-olova posebno korisno.) U sljedećih desetljeća otkriveno je još oko 200 drugih izotopa; Oni koji su tada radioaktivni tada su imali svojstvo propadanja utvrđeno u napornim laboratorijskim eksperimentima.
Do 40-ih godina, ovo temeljno znanje i napredak u instrumentima omogućili su početak određivanja datuma koji geolozima nešto znače. Ali tehnike i danas napreduju, jer se svakim korakom naprijed može postaviti i odgovoriti na mnoštvo novih znanstvenih pitanja.
Metode izotopskog upoznavanja
Postoje dvije glavne metode izotopskog datiranja. Jedan otkriva i broji radioaktivne atome svojim zračenjem. Pioniri radiokarbonskog datiranja koristili su ovu metodu jer je ugljik-14, radioaktivni izotop ugljika, vrlo aktivan, propadajući s poluživotom od samo 5730 godina. Prve radiokarbonske laboratorije izgrađene su u podzemlju, koristeći antikne materijale iz prije 40-ih godina radioaktivnog onečišćenja, s ciljem održavanja niskog zračenja u pozadini. Uprkos tome, potrebno je nekoliko tjedana brojanja pacijenata da se dobiju točni rezultati, posebno u starim uzorcima u kojima ostaje vrlo malo atoma ugljikovodika. Ova se metoda još uvijek koristi za oskudne, visoko radioaktivne izotope poput ugljik-14 i tritij (vodik-3).
Većina procesa propadanja od geološkog interesa je prespora za metode brojanja raspada. Druga se metoda oslanja na stvarno brojanje atoma svakog izotopa, ne čekajući da se neki od njih raspadnu. Ova metoda je teža, ali obećavanija. To uključuje pripremu uzoraka i njihovo trčanje kroz maseni spektrometar, koji ih odvaja atom po atom prema težini uredno kao jedan od tih strojeva za razvrstavanje kovanica.
Za primjer, uzmite u obzir kalij-argonska metoda datiranja. Atomi kalija dolaze u tri izotopa. Kalij-39 i kalij-41 su stabilni, ali kalij-40 prolazi kroz oblik propadanja koji ga pretvara u argon-40 s vremenom poluživota od 1,277 milijuna godina. Tako stariji uzorak dobiva, manji je postotak kalija-40, i obratno, veći je postotak argona-40 u odnosu na argon-36 i argon-38. Brojanje nekoliko milijuna atoma (lako uz samo mikrograme stijena) daje datume koji su prilično dobri.
Izotopsko datiranje podložilo je čitavo stoljeće napretka koji smo postigli u istinskoj povijesti Zemlje. I što se dogodilo u tim milijardama godina? To je dovoljno vremena da se uklopimo u sve geološke događaje za koje smo ikada čuli, s milijardama preostalih. Ali s ovim alatima za druženje, bili smo zaokupljeni preslikavanjem dubokog vremena i priča je iz godine u godinu sve preciznija.