Работата на геолози е да се разкаже истинската история на земната история - по-точно, историята на Земята, която е винаги истинска. Преди сто години имахме малка представа за продължителността на историята - нямахме добър мерник за времето. Днес с помощта на изотопни методи за датиране можем да определим почти всички възрасти на скалите, както и да картографираме самите скали. За това можем да благодарим на радиоактивността, открита в края на миналия век.
Необходимостта от геоложки часовник
Преди сто години представите ни за възрастта на скалите и епохата на Земята бяха неясни. Но очевидно скалите са много стари неща. Съдейки по броя на съществуващите скали плюс незабележимите темпове на процесите, които ги образуват - ерозия, погребение, вкаменяване, повдигане - геоложкият запис трябва да представлява неизказани милиони години. Именно това прозрение, изразено за първи път през 1785 г., е направило Джеймс Хътън баща на геологията.
Така че разбрахме за „дълбоко време, "но изследването му беше смущаващо. Повече от сто години най-добрият метод за подреждане на историята му е използването на фосили или биостратиграфия. Това работеше само за утаени скали и само за някои от тях. Скалите от докамбрийската епоха са имали само най-редките кичури фосили. Никой не знаеше дори каква част от историята на Земята е неизвестна! Трябваше ни по-прецизен инструмент, някакъв часовник, за да започнем да го измерваме.
Възходът на изотопските запознанства
През 1896 г. случайното откриване на радиоактивност на Анри Бекерел показва какво може да е възможно. Научихме, че някои елементи претърпяват радиоактивно разпадане, като спонтанно се променят към друг вид атом, като същевременно излъчват прилив на енергия и частици. Този процес се случва с равномерна скорост, стабилна като часовник, не се влияе от обикновените температури или обикновената химия.
Принципът на използване на радиоактивен разпад като метод за датиране е прост. Помислете за тази аналогия: барбекю скара, пълна с горящ въглен. Дървеният въглен гори с известна скорост и ако измерите колко дървени въглища са останали и колко пепел се е образувала, можете да кажете колко отдавна е запалена скарата.
Геологичният еквивалент на осветлението на скарата е времето, в което минералното зърно се втвърдява, независимо дали това е отдавна в древен гранит или просто днес в поток от свежа лава. Твърдото минерално зърно улавя радиоактивни атоми и техните продукти на разпад, помагайки да се осигурят точни резултати.
Скоро след откриването на радиоактивността експериментаторите публикуват някои опитни дати на скалите. Осъзнавайки, че разпадът на уран произвежда хелий, Ернест Ръдърфорд през 1905 г. определя възраст за парче уранова руда, като измерва количеството хелий, хванат в него. Бертрам Болтвуд през 1907 г. използва олово, крайният продукт на разпада на уран, като метод за оценка на възрастта на минерала уранинит в някои древни скали.
Резултатите бяха зрелищни, но преждевременни. Скалите изглеждаха изумително стари, вариращи на възраст от 400 милиона до повече от 2 години милиард години. Но по онова време никой не знаеше за изотопите. Веднъж изотопи бяха експлициранипрез 1910 г. стана ясно, че радиометричните методи за запознанства не са готови за първо време.
С откриването на изотопи проблемът с запознанствата се върна към първия. Например, каскадата на разпадане на уран до олово наистина е два - уран-235 се разпада до олово-207 и уран-238 се разпада до олово-206, но вторият процес е почти седем пъти по-бавен. (Това прави ураново-оловни запознанства особено полезно.) В следващите десетилетия са открити около 200 други изотопи; онези, които са радиоактивни, тогава степента им на гниене се определя при старателни лабораторни експерименти.
До 40-те години на миналия век това фундаментално знание и напредък в инструментите позволяват да се започнат да се определят дати, които означават нещо за геолозите. Но техниките все още напредват, защото с всяка стъпка напред може да се зададе и отговори на множество нови научни въпроси.
Методи за изотопско запознанство
Има два основни метода за изотопно датиране. Човек открива и брои радиоактивни атоми чрез своето излъчване. Пионерите на радиовъглеродните датировки използват този метод, тъй като въглерод-14, радиоактивният изотоп на въглерода, е много активен, разпада се с период на полуразпад от едва 5730 години. Първите радиовъглеродни лаборатории са построени под земята, използвайки антични материали от преди 40-те години на епохата на радиоактивно замърсяване, с цел поддържане на фоновата радиация ниска. Въпреки това може да отнеме броенето на пациентите седмици, за да се получат точни резултати, особено в стари проби, в които остават много малко радиовъглеродни атоми. Този метод все още се използва за оскъдни, силно радиоактивни изотопи въглерод-14 и тритий (водород-3).
Повечето процеси на гниене от геоложки интерес са твърде бавни за методите за броене на гниене. Другият метод разчита на действително преброяване на атомите на всеки изотоп, като не чака някои от тях да се разпадат. Този метод е по-труден, но по-обещаващ. Тя включва подготовка на проби и пускането им през a масспектрометър, която ги пресява атом по атом според теглото толкова добре, колкото една от тези машини за сортиране на монети.
За пример, помислете за метод за датиране на калий-аргон. Атомите на калия идват в три изотопа. Калий-39 и калий-41 са стабилни, но калий-40 претърпява форма на разпад, която го превръща в аргон-40 с период на полуразпад от 1,277 милиона години. Така колкото по-стара е пробата, толкова по-малък е процентът на калий-40 и обратно, толкова по-голям е процентът на аргон-40 спрямо аргон-36 и аргон-38. Преброяването на няколко милиона атома (лесно само с микрограми скала) дава дати, които са доста добри.
Изотопните датировки са в основата на целия век на напредъка, който постигнахме в истинската история на Земята. И какво се случи през тези милиарди години? Това е достатъчно време, за да се поберат всички геоложки събития, за които сме чували, с милиарди останали. Но с тези инструменти за запознанства ние бяхме заети с картирането на дълбоко време и историята става все по-точна всяка година.