Delo geologi je povedati resnično zgodbo Zemljine zgodovine - natančneje, zgodbo o Zemlji, ki je vedno bolj resnična. Pred stotimi leti smo malo vedeli, kakšna je dolžina zgodbe - časa nismo imeli. Danes lahko s pomočjo izotopskih metod datiranja določimo starost kamnin skoraj tako, kot tudi sami preslikamo skale. Za to se lahko zahvalimo radioaktivnosti, odkrite na prelomu prejšnjega stoletja.
Potreba po geološki uri
Pred sto leti so bile naše predstave o starosti kamnin in starosti Zemlje nejasne. Ampak očitno so kamnine zelo stare stvari. Sodeč po številu kamnin, ki se nahajajo, in neopazne stopnje procesov, ki jih tvorijo - erozija, pokop, fosilizacija, dvig - geološki zapis mora predstavljati nerazrešene milijone let. James Hutton je bil oče, ki je prvič izražen leta 1785, oče iz geologije.
Torej smo vedeli za "globok čas, "ampak raziskovanje je bilo frustrirajoče. Več kot sto let je bila najboljša metoda urejanja zgodovine uporaba fosilov ali biostratigrafija. To je delovalo le za sedimentne kamnine in le nekatere od njih. Kamnine predkambrijske dobe so imele le najredkejše fosile fosilov. Nihče ni vedel niti, koliko zgodovine Zemlje je bilo neznanega! Za merjenje smo potrebovali bolj natančno orodje, nekakšno uro.
Vzpon izotopnih zmenkov
Leta 1896 je naključno odkritje radioaktivnosti Henrija Becquerela pokazalo, kaj je mogoče. Izvedeli smo, da se nekateri elementi podvržejo radioaktivnemu razpadanju, pri čemer se spontano spremenijo v drugo vrsto atoma, hkrati pa oddajajo energijo in delce. Ta postopek se odvija z enakomerno hitrostjo, enako kot uro, na katero ne vplivajo običajne temperature ali običajna kemija.
Načelo uporabe radioaktivnega razpada kot metode datiranja je preprosto. Razmislite o tej analogiji: žar na žaru, poln gorečega oglja. Oglje gori z znano hitrostjo, in če izmerite, koliko oglja je ostalo in koliko pepela je nastalo, lahko ugotovite, kako dolgo je bil žar prižgan.
Geološki ekvivalent razsvetljave žara je čas, ko se je mineralno zrno strdilo, ne glede na to, ali je že zdavnaj v starodavnem granitu ali šele danes v toku sveže lave. Trdno mineralno zrno ujame pasti radioaktivni atomi in njihovih razpadnih produktov, kar zagotavlja natančne rezultate.
Kmalu po odkritju radioaktivnosti so eksperimentalci objavili nekaj poskusnih datumov kamnin. Zavedajoč se, da razpad urana proizvaja helij, je Ernest Rutherford leta 1905 za košček uranove rude določil starost z merjenjem količine helija, ujetega v njem. Bertram Boltwood je leta 1907 uporabil svinec, končni produkt razpada urana, kot metodo za oceno starosti minerala uraninita v nekaterih starodavnih kamninah.
Rezultati so bili spektakularni, vendar prezgodnji. Zdi se, da so bile skale presenetljivo stare, v starosti od 400 milijonov do več kot 2 leti milijarda let. Toda takrat za izotope nihče ni vedel. Enkrat izotopi so bili eksplicirani, v devetdesetih letih prejšnjega stoletja je postalo jasno, da radiometrične metode datiranja niso bile pripravljene za prime time.
Z odkritjem izotopov se je problem z zmenki vrnil na prvo mesto. Na primer, kaskada propadanja urana do svinca je res dva - uran-235 razpade na svinec-207 in uran-238 razpade na svinec-206, vendar je drugi postopek skoraj sedemkrat počasnejši. (To omogoča zmenki s svincem urana še posebej koristno.) V naslednjih desetletjih so odkrili še približno 200 drugih izotopov; pri tistih, ki so takrat radioaktivni, je bila njihova hitrost propadanja določena v napornih laboratorijskih poskusih.
Že v 40. letih prejšnjega stoletja je to temeljno znanje in napredek instrumentov omogočil določitev datumov, ki geologom nekaj pomenijo. Toda tehnike še danes napredujejo, saj je z vsakim korakom naprej mogoče postaviti in odgovoriti na vrsto novih znanstvenih vprašanj.
Metode izotopskega zmenkovanja
Obstajata dve glavni metodi izotopskega datiranja. Eden zazna in šteje radioaktivne atome s svojim sevanjem. Pionirji radiokarbonskega datiranja so uporabili to metodo, ker je ogljik-14, radioaktivni izotop ogljika, zelo aktiven, razpada z razpolovno dobo samo 5730 let. Prvi radiokarbonski laboratoriji so bili zgrajeni pod zemljo, pri čemer so uporabljali starinske materiale iz obdobja radioaktivne kontaminacije pred štiridesetimi leti, da bi sevanje sevanja v ozadju ostalo nizko. Kljub temu lahko traja nekaj tednov štetja bolnikov, da dobimo natančne rezultate, zlasti pri starih vzorcih, v katerih ostane zelo malo atomov ogljikovodika. Ta metoda se še vedno uporablja za redke, zelo radioaktivne izotope ogljik-14 in tritij (vodik-3).
Večina procesov propadanja z geološkim interesom je prepočasna za metode štetja. Druga metoda se opira na dejansko štetje atomov vsakega izotopa in ne čaka, da se nekateri razpadejo. Ta metoda je težja, vendar bolj obetavna. Vključuje pripravo vzorcev in njihovo izvajanje skozi masni spektrometer, ki jih odseva po atom glede na težo tako lepo, kot eden izmed teh strojev za sortiranje kovancev.
Za primer razmislite o kalijev-argonska metoda datiranja. Atomi kalija pridejo v treh izotopih. Kalij-39 in kalij-41 sta stabilna, vendar se kalij 40 razkroji v obliki razkroja, ki ga spremeni v argon-40 z razpolovno dobo 1,277 milijona let. Tako starejši vzorec dobi manjši odstotek kalija-40 in obratno večji odstotek argona-40 glede na argon-36 in argon-38. Štetje nekaj milijonov atomov (enostavno z le mikrogrami kamnine) daje datume, ki so precej dobri.
Izotopsko datiranje je podlaga celotnega stoletja napredka, ki smo ga dosegli v resnični zgodovini Zemlje. In kaj se je zgodilo v teh milijardah let? To je dovolj časa, da se priležemo vsem geološkim dogodkom, ki smo jih kdaj slišali, z milijardami, ki so ostale. Toda s temi orodji za zmenke smo se kar dolgo ukvarjali s kartiranjem in zgodba je iz leta v leto bolj natančna.