Arbetet med geologer är att berätta den sanna historien om jordens historia - mer exakt, en historia om jordens historia som är sannare. För hundra år sedan hade vi liten uppfattning om historiens längd - vi hade ingen bra måttstock för tid. Idag kan vi med hjälp av isotopiska dateringsmetoder bestämma klippornas ålder nästan såväl som vi kartlägger klipporna själva. För det kan vi tacka radioaktivitet som upptäcktes vid förra sekelskiftet.
Behovet av en geologisk klocka
För hundra år sedan var våra idéer om klipporna och jordens ålder vaga. Men uppenbarligen är stenar mycket gamla saker. Att döma utifrån antalet stenar finns, plus de omöjliga hastigheterna för processerna som bildar dem - erosion, begravning, fossilization, höjning - den geologiska posten måste representera otaliga miljoner år. Det är den insikt som först uttalades 1785 och som gjorde James Hutton till geologens far.
Så vi visste om "djup tid, "men att utforska det var frustrerande. I mer än hundra år var den bästa metoden för att ordna sin historia användningen av fossiler eller biostratigrafi. Det fungerade bara för sedimentära stenar och bara några av dem. Stenar från prekambrisk ålder hade bara de mest sällsynta lurarna av fossil. Ingen visste ens hur mycket av jordhistorien som var okänd! Vi behövde ett mer exakt verktyg, en slags klocka, för att börja mäta den.
Uppkomsten av Isotopisk datering
1896 visade Henri Becquerels oavsiktliga upptäckt av radioaktivitet vad som kan vara möjligt. Vi lärde oss att vissa element genomgår radioaktivt sönderfall och spontant byter till en annan typ av atomer samtidigt som de släpper ut en energi och partiklar. Denna process sker i en enhetlig takt, lika jämn som en klocka, som inte påverkas av vanliga temperaturer eller vanlig kemi.
Principen att använda radioaktivt förfall som en dateringsmetod är enkel. Tänk på denna analogi: en grill med full av brinnande kol. Kolet bränner i känd takt, och om du mäter hur mycket kol som är kvar och hur mycket ask som har bildats kan du berätta hur länge sedan grillen tändes.
Den geologiska ekvivalenten med att tända grillen är den tid då ett mineralkorn stelnade, vare sig det är för länge sedan i en gammal granit eller bara idag i ett friskt lavaflöde. Det fasta mineralkornet fångar radioaktiva atomer och deras förfallsprodukter, vilket hjälper till att säkerställa exakta resultat.
Strax efter att radioaktivitet upptäcktes publicerade experter några testdatum för stenar. När hon insåg att uran förfaller helium bestämde Ernest Rutherford 1905 en ålder för en bit uranmalm genom att mäta mängden helium som fångats i den. Bertram Boltwood 1907 använde bly, slutprodukten av uranförfall, som en metod för att bedöma ålder på mineralet uraninit i vissa forntida bergarter.
Resultaten var spektakulära men för tidiga. Stenarna tycktes vara förvånansvärt gamla, i ålder från 400 miljoner till mer än 2 miljard år. Men vid den tiden visste ingen om isotoper. En gång isotoper expliceradeunder 1910-talet blev det tydligt att radiometriska dateringsmetoder inte var redo för prime time.
Med upptäckten av isotoper gick dateringsproblemet tillbaka till fyrkant. Till exempel är uran-till-bly-sönderfallskaskaden verkligen två - uran-235 sönderfaller till bly-207 och uran-238 sönderfaller till bly-206, men den andra processen är nästan sju gånger långsammare. (Det gör uran-bly datering särskilt användbart.) Cirka 200 andra isotoper upptäcktes under de kommande decennierna; de som är radioaktiva hade sedan sina sönderfallshastigheter bestämda i noggranna laboratorieexperiment.
På 1940-talet gjorde denna grundläggande kunskap och framsteg i instrument det möjligt att börja bestämma datum som betyder något för geologer. Men tekniker fortsätter fortfarande idag, eftersom man med alla steg framåt kan ställa en mängd nya vetenskapliga frågor och besvara.
Metoder för isotopisk datering
Det finns två huvudsakliga metoder för isotopdating. Man upptäcker och räknar radioaktiva atomer genom deras strålning. Pionjärerna inom radiokolldatering använde denna metod eftersom kol-14, den radioaktiva isotopen av kol, är mycket aktiv och förfaller med en halveringstid på bara 5730 år. De första radiokollaboratorierna byggdes under jord, med antika material från före 1940-talets era av radioaktiv förorening, i syfte att hålla bakgrundsstrålningen låg. Trots det kan det ta veckor innan patienten räknas för att få exakta resultat, särskilt i gamla prover där mycket få radiokolatomer finns kvar. Denna metod används fortfarande för knappa, mycket radioaktiva isotoper som kol-14 och tritium (väte-3).
De flesta sönderfallsprocesser av geologiskt intresse är för långsamma för sönderräkningsmetoder. Den andra metoden är beroende av att faktiskt räkna atomerna i varje isotop, inte att vänta på att några av dem förfaller. Denna metod är svårare men mer lovande. Det handlar om att förbereda prover och kör dem genom a masspektrometer, som siftar dem atom för atom beroende på vikt lika snyggt som en av dessa myntsorteringsmaskiner.
Tänk till exempel på kalium-argon dateringsmetod. Kaliumatomer finns i tre isotoper. Kalium-39 och kalium-41 är stabila, men kalium-40 genomgår en form av förfall som förvandlar det till argon-40 med en halveringstid på 1 277 miljoner år. Så ju äldre ett prov blir, desto mindre är andelen kalium-40, och omvänt desto större är andelen argon-40 relativt argon-36 och argon-38. Att räkna några miljoner atomer (enkelt med bara mikrogram sten) ger datum som är ganska bra.
Isotopisk datering har understrukit hela det århundradet av framsteg som vi gjort med jordens sanna historia. Och vad hände i dessa miljarder år? Det är tillräckligt med tid för att passa alla de geologiska händelserna vi någonsin hört talas om, med miljarder kvar. Men med dessa dateringsverktyg har vi varit upptagna med att kartlägga djup tid och historien blir mer exakt varje år.