Töö geoloogid on rääkida Maa ajaloo tõestisündinud lugu - täpsemalt Maa ajaloo ajaloost, mis on kunagi tõepärasem. Sada aastat tagasi polnud meil loo pikkusest aimugi - meil polnud selleks ajaks head mõõdupuud. Täna on isotoopsete tutvumismeetodite abil võimalik kivimite vanust peaaegu täpselt kindlaks määrata, samuti kaardistada kivimid ise. Selle eest võime tänada eelmise sajandi vahetusel avastatud radioaktiivsust.
Geoloogilise kella vajadus
Sada aastat tagasi olid meie ideed kivimite ja Maa vanuse kohta ebamäärased. Kuid ilmselgelt on kivimid väga vanad asjad. Kivimite arvu järgi on neid pluss neid moodustavate protsesside - erosioon, matmine, kivistumine, tõus - geoloogiline rekord peab esindama miljonite aastate pikkust aega. Just see arusaam, mis avaldati esmakordselt 1785. aastal, tegi James Huttonist geoloogia isaks.
Nii et me teadsime "sügav aeg, "kuid selle uurimine oli pettumust valmistav. Enam kui saja aasta jooksul oli ajaloo parimaks meetodiks fossiilide kasutamine või biostratigraafia. See toimis ainult settekivimite ja ainult mõnede puhul. Prekambri vanuses kivimites oli ainult fossiilide haruldasemaid nõgusid. Keegi ei teadnud isegi seda, kui suur osa Maa ajaloost oli tundmatu! Selle mõõtmiseks oli vaja täpsemat tööriista, mingisugust kella.
Isotoopse tutvumise tõus
1896 näitas Henri Becquereli juhuslik radioaktiivsuse avastamine, mis võiks olla võimalik. Saime teada, et mõned elemendid läbivad radioaktiivse lagunemise, muutudes spontaanselt teist tüüpi aatomiteks, eraldades samal ajal energiat ja osakesi. See protsess toimub ühtlase kiirusega, sama püsivalt kui kell, tavalisest temperatuurist või tavalisest keemiast mõjutamata.
Radioaktiivse lagunemise kui tutvumismeetodi kasutamise põhimõte on lihtne. Mõelge sellele analoogiale: grilli grill, mis on täis põlevat sütt. Puusüsi põleb teadaoleva kiirusega ja kui mõõta, kui palju sütt on jäänud ja kui palju tuhka on tekkinud, võite öelda, kui kaua grill süttis.
Grilli valgustuse geoloogiline ekvivalent on aeg, mil mineraalne tera tahenes, olgu see siis ammu iidses graniidis või just täna värskes laavavoolus. Tahke mineraalne tera lõksub radioaktiivsed aatomid ja nende lagunemissaadused, aidates tagada täpseid tulemusi.
Varsti pärast radioaktiivsuse avastamist avaldasid eksperimenteerijad mõned kivimite proovikuupäevad. Mõistes, et uraani lagunemine tekitab heeliumi, määras Ernest Rutherford 1905. aastal uraanimaagi tüki vanuse, mõõtes selles lõksus oleva heeliumi koguse. Bertram Boltwood kasutas 1907. aastal uraani lagunemise lõppsaaduseks pliid kui meetodit mineraalse uraniniidi vanuse hindamiseks mõnedes iidsetes kivimites.
Tulemused olid silmapaistvad, kuid enneaegsed. Kivimid näisid olevat hämmastavalt vanad, ulatudes 400 miljonist kuni enam kui 2-ni miljardit aastatel. Kuid sel ajal ei teadnud keegi isotoopidest. Üks kord isotoope selgitati, selgus 1910. aastatel, et radiomeetrilised tutvumismeetodid polnud peaministri jaoks valmis.
Isotoopide avastamisega läks tutvumisprobleem tagasi esimese sammuna. Näiteks uraani-plii lagunemise kaskaad on tegelikult kaks - uraan-235 laguneb pliiks-207 ja uraan-238 laguneb pliiks-206, kuid teine protsess on peaaegu seitse korda aeglasem. (See teeb uraan-plii tutvumine eriti kasulik.) Järgmistel aastakümnetel avastati veel 200 muud isotoopi; radioaktiivsete radioaktiivsete omaduste lagunemismäär määrati vaevarikkates laborikatsetes.
1940. aastateks võimaldasid need põhiteadmised ja edusammud instrumentide alal hakata määrama kuupäevi, mis geoloogidele midagi tähendavad. Kuid tehnikad arenevad tänapäeval endiselt edasi, sest iga sammuga edasi saab küsida ja neile vastata hulgaliselt uusi teaduslikke küsimusi.
Isotoopse tutvumise meetodid
Isotoopse tutvumise jaoks on kaks peamist meetodit. Radioaktiivseid aatomeid tuvastatakse ja loendatakse nende kiirguse kaudu. Radiosüsiniku rajamise pioneerid kasutasid seda meetodit, kuna süsiniku radioaktiivne isotoop süsinik-14 on väga aktiivne, selle lagunemisaeg on vaid 5730 aastat. Esimesed radiosüsiniku laboratooriumid ehitati maa alla, kasutades antiikmaterjale, mis olid pärit enne 1940. aastate radioaktiivse saastumise ajastut, eesmärgiga hoida taustkiirgus madalal. Isegi nii võib täpsete tulemuste saamiseks võtta nädalaid patsientide loendamist, eriti vanade proovide korral, milles on väga vähe radiosüsiniku aatomeid. Seda meetodit kasutatakse endiselt vähesete, väga radioaktiivsete isotoopide jaoks süsinik-14 ja triitium (vesinik-3).
Enamik geoloogiliselt huvipakkuvaid lagunemisprotsesse on lagunemise loendamise meetodite jaoks liiga aeglased. Teine meetod tugineb iga isotoobi aatomite loendamisele, mitte ei oota, kuni mõni neist laguneb. See meetod on raskem, kuid paljulubavam. See hõlmab proovide ettevalmistamist ja nende käitamist läbi a massispektromeeter, mis jagab nad aatomi järgi aatomite järgi kaalu järgi sama kenasti kui üks neist mündisorteerimismasinatest.
Näiteks kaaluge kaalium-argooni tutvumismeetod. Kaaliumi aatomid on kolmes isotoobis. Kaalium-39 ja kaalium-41 on stabiilsed, kuid kaalium-40 laguneb teatud kujul, mis muudab selle argoon-40-ks, poolestusajaga 1,277 miljonit aastat. Seega, mida vanemaks proov saab, seda väiksem on kaalium-40 protsent ja vastupidi, seda suurem on argooni-40 protsent argooni-36 ja argooni-38 suhtes. Mõne miljoni aatomi loendamine (lihtne vaid mikrogrammi kivimi abil) annab kuupäevad, mis on üsna head.
Isotoopiline tutvumine on alistanud kogu sajandite edusammudest, mille oleme Maa tõelises ajaloos teinud. Ja mis juhtus nende miljardite aastate jooksul? See on piisavalt aega, et mahutada kõik geoloogilised sündmused, millest kunagi kuulsime, kui miljardid on üle jäänud. Kuid nende tutvumisriistade abil oleme sügavalt aega kaardistanud ja lugu muutub iga aastaga täpsemaks.