Despre șantiere izotopice Dating pentru timp geologic

Munca geologilor este de a spune adevărata poveste a istoriei Pământului - mai exact, o poveste a istoriei Pământului, care este tot mai adevărată. Cu o sută de ani în urmă, nu aveam prea mică idee despre lungimea poveștii - nu aveam timp bun de curte. Astăzi, cu ajutorul metodelor de datare izotopice, putem determina vârstele rocilor aproape la fel de bine, precum mapăm rocile în sine. Pentru aceasta, putem mulțumi radioactivitatea, descoperită la sfârșitul secolului trecut.

Nevoia unui ceas geologic

Acum o sută de ani, ideile noastre despre vârstele rocilor și vârsta Pământului erau vagi. Dar, evident, rocile sunt lucruri foarte vechi. Judecând după numărul de roci, plus ratele imperceptibile ale proceselor care le formează - eroziune, îngropare, fosilizare, ridicare - registrul geologic trebuie să reprezinte milioane de ani nespuse. Această idee, exprimată prima dată în 1785, a făcut ca James Hutton să fie tatăl geologiei.

Deci știam despre „timp profund”, dar explorarea a fost frustrantă. Timp de mai bine de o sută de ani, cea mai bună metodă de amenajare a istoriei sale a fost utilizarea fosilelor sau a biostratigrafiei. Asta a funcționat doar pentru rocile sedimentare și doar pentru unele dintre acestea. Stâncile din epoca precambriană nu aveau decât cele mai rare pete de fosile. Nimeni nu știa măcar cât de mult din istoria Pământului nu se știe! Aveam nevoie de un instrument mai precis, un fel de ceas, pentru a începe să-l măsurăm.

Creșterea întâlnirii izotopice

În 1896, descoperirea accidentală a radioactivității lui Henri Becquerel a arătat ce ar putea fi posibil. Am aflat că unele elemente sunt supuse unei descompuneri radioactive, schimbându-se spontan la un alt tip de atom în timp ce emană o explozie de energie și particule. Acest proces se întâmplă într-un ritm uniform, la fel de constant ca un ceas, neafectat de temperaturi obișnuite sau chimie obișnuită.

Principiul utilizării descompunerii radioactive ca metodă de întâlnire este simplu. Luați în considerare această analogie: un grătar de grătar plin de cărbune arzător. Cărbunele arde într-un ritm cunoscut și dacă măsurați cât a rămas cărbune și câtă cenușă s-a format, puteți spune cât timp a fost aprins grătarul.

Echivalentul geologic al iluminării grătarului este momentul în care s-a solidificat un bob de cereale minerale, indiferent dacă acesta este cu mult timp în urmă într-un granit antic sau chiar azi într-un flux de lavă proaspăt. Cerealele minerale solide captează atomii radioactivi și produsele lor de descompunere, contribuind la asigurarea unor rezultate precise.

Curând după ce radioactivitatea a fost descoperită, experimentatorii au publicat câteva date de încercare ale rocilor. Dând seama că descompunerea uraniului produce heliu, Ernest Rutherford în 1905 a determinat o vârstă pentru o bucată de minereu de uraniu prin măsurarea cantității de heliu prins în ea. Bertram Boltwood în 1907 a folosit plumbul, produsul final al cariilor de uraniu, ca metodă de evaluare a vârstei uraninitei minerale în unele roci antice.

Rezultatele au fost spectaculoase, dar premature. Stâncile păreau a fi uimitor de vechi, cu vârste cuprinse între 400 de milioane și mai mult de 2 miliard ani. Dar la vremea respectivă, nimeni nu știa despre izotopi. Odată ce izotopii au fost explicați, în anii 1910, a devenit clar că metodele de datare radiometrică nu erau pregătite pentru timp. 

Odată cu descoperirea izotopilor, problema datării a revenit la cel pătrat. De exemplu, cascada de descompunere uraniu-la-plumb este într-adevăr de două-uraniu-235 degradare la plumb-207 și uraniu-238 cade-plumb-206, dar al doilea proces este de aproape șapte ori mai lent. (Acest lucru face ca datarea cu plumb de uraniu să fie deosebit de utilă.) Alte 200 de izotopi au fost descoperiți în următoarele decenii; cei care sunt radioactivi și-au determinat ritmurile de degradare în experimente de laborator dureroase.

Până în anii 40, aceste cunoștințe fundamentale și avansuri în instrumente au făcut posibilă începerea determinării unor date care înseamnă ceva pentru geologi. Dar tehnicile încă avansează astăzi, deoarece, cu fiecare pas înainte, o serie de întrebări științifice noi pot fi puse și răspuns.

Metode de întâlnire izotopică

Există două metode principale de întâlnire izotopică. Unul detectează și numără atomii radioactivi prin radiația lor. Pionierii datării radiocarbonului au utilizat această metodă, deoarece carbonul 14, izotopul radioactiv al carbonului, este foarte activ, în scădere cu o perioadă de înjumătățire de numai 5730 de ani. Primele laboratoare de radiocarburi au fost construite în subteran, folosind materiale antice încă din perioada anilor ’40 de contaminare radioactivă, cu scopul de a menține radiațiile de fond scăzute. Chiar și așa, poate fi nevoie de săptămâni de numărare a pacienților pentru a obține rezultate exacte, în special la eșantioane vechi în care rămân foarte puțini atomi de radiocarbon. Această metodă este încă utilizată pentru izotopii foarte radioactivi, foarte rari, precum carbonul 14 și tritiul (hidrogen-3).

Majoritatea proceselor de descompunere de interes geologic sunt prea lente pentru metodele de numărare a degradării. Cealaltă metodă se bazează pe numărarea efectivă a atomilor fiecărui izotop, fără a aștepta ca unii dintre ei să se descompună. Această metodă este mai grea, dar mai promițătoare. Aceasta presupune pregătirea eșantioanelor și rularea lor printr-un spectrometru de masă, care le transferă atom de atom în funcție de greutate la fel de bine ca una dintre acele mașini de sortare a monedelor.

Pentru un exemplu, luați în considerare metoda de datare potasiu-argon. Atomii de potasiu vin în trei izotopi. Potasiu-39 și potasiu-41 sunt stabile, dar potasiu-40 suferă o formă de descompunere care îl transformă în argon-40, cu un timp de înjumătățire de 1,277 milioane de ani. Astfel, o probă este mai veche, cu atât este mai mic procentul de potasiu-40 și, invers, mai mare este procentul de argon-40 în raport cu argon-36 și argon-38. Numărarea a câteva milioane de atomi (ușor cu doar micrograme de rocă) produce date destul de bune.

Datarea izotopică a subliniat întregul secol de progres pe care l-am făcut în istoria adevărată a Pământului. Și ce s-a întâmplat în acele miliarde de ani? Este suficient timp pentru a se potrivi tuturor evenimentelor geologice despre care am auzit vreodată, rămânând miliarde. Însă, cu aceste instrumente de întâlnire, ne-am ocupat de cartografierea timpului profund, iar povestea devine mai precisă în fiecare an.