Darbs ģeologi ir pateikt patieso Zemes vēstures stāstu, precīzāk sakot, stāstu par Zemes vēsturi, kas arvien ir patiesāks. Pirms simts gadiem mums bija maz ideju par stāsta garumu - mums nebija laika laba mēraukla. Mūsdienās ar izotopu iepazīšanās metožu palīdzību mēs gandrīz varam noteikt iežu vecumu, kā arī paši noteikt klintis. Par to mēs varam pateikties par radioaktivitāti, kas tika atklāta pagājušā gadsimta mijā.
Ģeoloģiskā pulksteņa nepieciešamība
Pirms simts gadiem mūsu idejas par iežu un Zemes vecumu bija neskaidras. Bet acīmredzot akmeņi ir ļoti senas lietas. Spriežot pēc iežu skaita, kā arī to veidojošo procesu nemanāmā ātruma - erozijas, apbedīšanas, pārakmeņošanās, pacēlums - ģeoloģiskajam ierakstam jāatspoguļo neizsakāms miljoniem gadu ilgs laiks. Tieši šī izpratne, kas pirmo reizi tika izteikta 1785. gadā, padarīja Džeimsu Hūtonu par ģeoloģijas tēvu.
Tātad mēs zinājām par "dziļais laiks, "bet izpētīt to bija nomākta. Labākā metode tās vēstures sakārtošanai vairāk nekā simts gadu bija fosiliju izmantošana vai biostratigrāfija. Tas darbojās tikai nogulumiežiem un tikai dažiem no tiem. Prekambrijas vecuma klintīm bija tikai retākās fosilijas. Neviens pat nezināja, cik liela daļa Zemes vēstures nav zināma! Mums bija vajadzīgs precīzāks rīks, kaut kāds pulkstenis, lai sāktu to mērīt.
Izotopu iepazīšanās pieaugums
1896. gadā Henri Bekerela nejaušā radioaktivitātes atklāšana parādīja, kas varētu būt iespējams. Mēs uzzinājām, ka daži elementi tiek pakļauti radioaktīvai sabrukšanai, spontāni mainoties uz cita veida atomiem, vienlaikus izdalot enerģijas un daļiņu pārsprāgšanu. Šis process notiek ar vienmērīgu ātrumu, tikpat stabilu kā pulkstenis, un to neietekmē parastā temperatūra vai parastā ķīmija.
Radioaktīvās sabrukšanas kā iepazīšanās metodes izmantošanas princips ir vienkāršs. Apsveriet šo analoģiju: grila grils, pilns ar degošu kokogli. Kokogles sadedzina ar zināmu ātrumu, un, ja izmērīsit, cik daudz ogļu ir atlicis un cik daudz pelnu ir izveidojies, varat pateikt, cik sen grila tika iedegta.
Grila apgaismojuma ģeoloģiskais ekvivalents ir laiks, kad minerālu graudi sacietē neatkarīgi no tā, vai tas ir senatnīgs granīts vai tikai šodien svaigas lavas plūsma. Cietie minerālu graudi slazdo radioaktīvie atomi un to sabrukšanas produkti, palīdzot nodrošināt precīzus rezultātus.
Drīz pēc radioaktivitātes atklāšanas eksperimentētāji publicēja dažus klinšu izmēģinājumu datumus. Saprotot, ka urāna sabrukšana rada hēliju, Ernests Rutherfords 1905. gadā noteica urāna rūdas gabala vecumu, izmērot tajā ieslodzītā hēlija daudzumu. Bertrams Boltvuds 1907. gadā izmantoja svinu, urāna sabrukšanas galaproduktu, kā metodi minerālā uraninīta vecuma noteikšanai dažos senos iežos.
Rezultāti bija iespaidīgi, bet pāragri. Akmeņi šķita pārsteidzoši veci, to vecums svārstījās no 400 miljoniem līdz vairāk nekā 2 miljardu gados. Bet tajā laikā par izotopiem neviens nezināja. Vienreiz izotopi tika izskaidroti, pagājušā gadsimta trīsdesmitajos gados kļuva skaidrs, ka radiometriskās datēšanas metodes nebija gatavas vislabākajam laikam.
Atklājot izotopus, iepazīšanās problēma atkal kļuva aktuāla. Piemēram, urāna-svina sabrukšanas kaskāde patiešām ir divas - urāns-235 sabojājas līdz svina-207 un urāns-238 - par svina-206, bet otrais process ir gandrīz septiņas reizes lēnāks. (Tas padara urāna-svina iepazīšanās īpaši noderīgi.) Nākamajās desmitgadēs tika atklāti aptuveni 200 citi izotopi; radioaktīvajiem to samazinājuma pakāpi noteica rūpīgos laboratorijas eksperimentos.
Līdz 1940. gadiem šīs pamatzināšanas un sasniegumi instrumentos ļāva sākt noteikt datumus, kas kaut ko nozīmē ģeologiem. Bet tehnikas joprojām progresē šodien, jo ar katru soli uz priekšu var uzdot un atbildēt daudz jaunu zinātnisku jautājumu.
Izotopu iepazīšanās metodes
Ir divas galvenās izotopu iepazīšanās metodes. Viens var noteikt un saskaitīt radioaktīvos atomus caur to izstarojumu. Radioglekļa datēšanas celmlauži izmantoja šo metodi, jo oglekļa-14, oglekļa radioaktīvais izotops, ir ļoti aktīvs, tā pussabrukšanas periods ir tikai 5730 gadi. Pirmās radio oglekļa laboratorijas tika uzceltas pazemē, izmantojot antīkākus materiālus pirms 1940. gadu radioaktīvā piesārņojuma laikmeta ar mērķi saglabāt zemu fona starojumu. Pat ja tā, precīzu rezultātu iegūšana var prasīt nedēļu ilgu pacientu skaitīšanu, it īpaši vecos paraugos, kuros ir palicis ļoti maz radiokarbona atomu. Šo metodi joprojām izmanto maziem, ļoti radioaktīviem izotopiem, piemēram oglekļa-14 un tritijs (ūdeņradis-3).
Lielākā daļa ģeoloģiski nozīmīgo pūšanas procesu ir pārāk lēni pūšanas skaitīšanas metodēm. Otra metode ir balstīta uz katra izotipa atomu faktisko saskaitīšanu, negaidot, kamēr daži no tiem sabruks. Šī metode ir grūtāka, taču daudzsološāka. Tas ietver paraugu sagatavošanu un palaišanu caur masas spektrometrs, kas tos pēc svara atdala pēc atoma tikpat glīti kā viena no šīm monētu šķirošanas mašīnām.
Piemēram, apskatiet kālija-argona iepazīšanās metode. Kālija atomi ir trīs izotopos. Kālijs-39 un kālijs-41 ir stabili, bet kālijs-40 izdalās tādā veidā, ka tas pārvēršas par argona-40 ar pussabrukšanas periodu 1,277 miljoni gadu. Tādējādi, jo vecāks ir paraugs, jo mazāks ir kālija-40 procentuālais sastāvs un, otrādi, jo lielāks ir argona-40 procentuālais daudzums attiecībā pret argonu-36 un argonu-38. Saskaitot dažus miljonus atomu (viegli ar tikai mikrogramiem iežu), iegūst diezgan labus datumus.
Izotopu iepazīšanās ir atspoguļojusi visu mūsu gadsimta progresu Zemes patiesajā vēsturē. Un kas notika tajos miljardos gadu? Tas ir pietiekami daudz laika, lai ietilptu visus ģeoloģiskos notikumus, par kuriem mēs kādreiz esam dzirdējuši, ar miljardiem, kas palikuši pāri. Bet, izmantojot šos iepazīšanās rīkus, mēs esam aizrāvušies ar dziļa laika kartēšanu, un stāsts ar katru gadu kļūst precīzāks.