Ραδιοχρονολόγηση: γεωλογικό ρολόι ακριβείας

Μετεωρίτης ηλικίας 4,55 δισεκ. χρόνων.

Εχετε ποτέ αναρωτηθεί πώς γνωρίζουμε ότι η ηλικία της γης είναι περίπου 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια; Η παραπάνω παραδοχή βασίζεται στη ραδιοχρονολόγηση πετρωμάτων με τη βοήθεια των ισοτόπων. Χιλιάδες μετεωρίτες που έχουν πέσει στη γη, έχουν βρεθεί και χρονολογηθεί με τεχνικές ραδιοχρονολόγησης. Τα πετρώματα αυτά είναι οι καλύτεροι μάρτυρες για την ηλικία του ηλιακού συστήματος. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι μετεωρίτες, άρα και το ηλιακό σύστημα, σχηματίστηκαν πριν 4,53 με 4,58 δισεκατομμύρια χρόνια.

Τι είναι όμως τα ισότοπα;

Αν και τα άτομα ενός συγκεκριμένου στοιχείου έχουν πάντα τον ίδιο αριθμό πρωτονίων, πολλά στοιχεία έχουν άτομα που διαφέρουν ως προς τον αριθμό των νετρονίων που περιέχουν. Αυτά είναι γνωστά ως ισότοπα του στοιχείου.

Η ραδιενέργεια ανακαλύφθηκε το 1896 από το Γάλλο φυσικό Henri Becquerel. Το 1905 οι L. Rutherford και B.B Boltwood χρησιμοποίησαν για πρώτη φορά την αρχή της ραδιενεργής διάσπασης για τη χρονολόγηση ορυκτών και πετρωμάτων. Το 1907 ο Boltwood χρονολόγησε ένα δείγμα ουρανίτη με τη μέθοδο ουρανίου/μολύβδου. Η ραδιοχρονολόγηση είχε επιτευχθεί πριν ακόμα είναι γνωστά με ακρίβεια τα ισότοπα και οι ρυθμοί διάσπασής τους. Ο Boltwood δημοσίευσε για πρώτη φορά απόλυτες ηλικίες πετρωμάτων της τάξης εκατομμυρίων χρόνων. Τα επόμενα σαράντα χρόνια η έρευνα οδήγησε στην ανάπτυξη και βελτίωση τεχνικών και μεθόδων για τη μέτρηση της ηλικίας γήινων υλικών. Η ακριβής χρονολόγηση τελειοποιήθηκε το 1950. Η ανακάλυψη του φασματογράφου μάζας το 1919 οδήγησε στον εντοπισμό και τη μελέτη περισσότερων ισοτόπων.

Ας δούμε όμως πώς τα ισότοπα χρησιμοποιούνται για γεωχρονολόγηση.

Τα ασταθή ισότοπα μέσα από διαδοχικές ραδιενεργές διασπάσεις τείνουν να γίνουν σταθερά. Οι ραδιενεργοί μητρικοί πυρήνες μετατρέπονται -σταδιακά- σε θυγατρικούς σταθερούς πυρήνες σε καθορισμένο χρόνο, που είναι διαφορετικός για κάθε ισότοπο. Κάθε ραδιενεργό ισότοπο έχει το δικό του χρόνο ημιζωής, το χρόνο δηλαδή που απαιτείται, ώστε η μισή ποσότητα του μητρικού ραδιενεργού υλικού να διασπαστεί σε σταθερό θυγατρικό προϊόν. Ο λόγος της απομένουσας ποσότητας από το αρχικό ισότοπο προς το σύνολο των προϊόντων της διάσπασης (μητρικοί πυρήνες/θυγατρικοί πυρήνες) χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της ηλικίας των πετρωμάτων που περιέχουν ραδιενεργά ορυκτά.

Τα περισσότερα ραδιενεργά ισότοπα έχουν γρήγορους ρυθμούς διάσπασης, δηλαδή μικρούς χρόνους ημιζωής και χάνουν τη ραδιενέργειά τους μέσα μερικές ημέρες ή έτη (το ιώδιο-131 έχει χρόνο ημιζωής 8,02 μέρες). Μερικά ραδιενεργά ισότοπα, όμως, αποσυντίθενται αργά και είναι αυτά που χρησιμοποιούνται ως γεωλογικά ρολόγια, υπολογίζουν δηλαδή την απόλυτη ηλικία των πετρωμάτων, των ορυκτών αλλά και γεγονότων που συνέβησαν πριν εκατομμύρια χρόνια. Το πιθανό σφάλμα στους χρόνους ημιζωής είναι πολύ μικρό, της τάξης του + -2%.

Η χρονολόγηση των πετρωμάτων από αυτά τα ραδιενεργά χρονόμετρα είναι θεωρητικά απλή, αλλά οι εργαστηριακές διαδικασίες είναι πιο σύνθετες. Οι ποσότητες μητρικών και θυγατρικών πυρήνων σε κάθε δείγμα καθορίζονται με διάφορα είδη αναλυτικών μεθόδων. Η κύρια δυσκολία έγκειται στο να μετρηθούν με ακρίβεια τα πολύ μικρά ποσοστά ισοτόπων. Οταν είναι εφικτό, χρησιμοποιούνται στο ίδιο δείγμα δύο ή περισσότερες μέθοδοι ανάλυσης για να επιβεβαιώσουν τα αποτελέσματα.

Εργαστήριο με εξοπλισμό για ραδιοχρονολόγηση.

Τα προϊόντα της ραδιενεργής διάσπασης μπορούν να παρατηρηθούν στο εργαστήριο με δύο τρόπους:

α) με ένα μετρητή ραδιενέργειας Geiger που ανιχνεύει τα σωματίδια υψηλών ενεργειών, προερχόμενα από τη μεταστοιχείωση των ραδιενεργών ατόμων ή

β) από ένα φασματογράφο μάζας που επιτρέπει τον εντοπισμό των θυγατρικών πυρήνων που προκύπτουν από τη διάσπαση.

Σήμερα υπάρχουν πάνω από σαράντα μέθοδοι ραδιοχρονολόγησης, καθώς και πολλά εργαστήρια με εξοπλισμό υψηλής τεχνολογίας σε όλο τον κόσμο, που ασχολούνται με ραδιοχρονολογήσεις. Μερικές από αυτές που χρησιμοποιούνται ευρέως είναι:

Σύστημα ουρανίου - μολύβδου (U- Pb):

Το προϊόν της τελευταίας διάσπασης του U -238 (χρόνος ημιζωής 4,5 δισ. χρόνια) είναι το σταθερό ισότοπο Pb -206 ενώ του U -235 (χρόνος ημιζωής 704 εκατομμύρια χρόνια) ο Pb -207 και του θορίου -232 (Th -232 -χρόνος ημιζωής 15 δισ. χρόνια) ο Pb -208. Αρα, τα ουρανιούχα ορυκτά ως αποτέλεσμα της ραδιενεργής διάσπασης συσσωρεύουν μόλυβδο.

Μπορούμε λοιπόν να καθορίσουμε την ηλικία ενός πετρώματος από το λόγο U -238 / Pb -206 ή του U -235/ Pb -207 ή του Th -232/ Pb -208 ή του Pb -206 / Pb -207. Γίνεται κατανοητό ότι όσο περισσότερος μόλυβδος υπάρχει στο δείγμα, τόσο αρχαιότερο είναι αυτό. Αν οι ηλικίες που υπολογίζονται για ένα μόνο δείγμα, με τη χρήση κάθε ενός από τους λόγους, συμφωνούν κατά προσέγγιση, ονομάζονται σύμφωνες (concordant). Αν δεν συμφωνούν, ονομάζονται ασύμφωνες (discordant). Η μέθοδος αυτή δεν ενδείκνυται για χρονολόγηση σχετικά νέων δειγμάτων, γιατί οι μεγάλοι χρόνοι ημιζωής των ισοτόπων αυτών κάνουν δύσκολη την ανίχνευση των εξαιρετικά μικρών ποσοστών των θυγατρικών πυρήνων.

Η μέθοδος ουρανίου - μολύβδου έχει χρησιμοποιηθεί για τη χρονολόγηση του ηλιακού μας συστήματος και των αρχαιότερων πετρωμάτων της γης.

Σύστημα καλίου -αργού (K-Ar):

Η μέθοδος καλίου - αργού χρησιμοποιείται ευρέως εξαιτίας της αφθονίας των καλιούχων ορυκτών στα πετρώματα. Το ασταθές ισότοπο K - 40 μετατρέπεται σε Ar - 40. Ο χρόνος ημιζωής τού K - 40 είναι 1,3 δισεκατομμύρια χρόνια, έτσι με τη μέθοδο αυτή είναι δυνατή η χρονολόγηση πολύ παλιών πετρωμάτων. Τα ποσοστά του καλίου που περιέχονται σε ένα ορυκτό πέτρωμα, προσδιορίζονται με χημική ανάλυση και τα ποσοστά του αργού με ένα φασματογράφο μάζας. Επειδή το αργό είναι αέριο, μπορεί να διαφύγει από το ορυκτό ή το πέτρωμα κατά τη διάρκεια της μεταμόρφωσης. Ετσι, η μέθοδος καλίου - αργού μετράει το χρόνο από την τελευταία μεταμόρφωση του πετρώματος. (Μεταμόρφωση είναι το σύνολο των αλλαγών και των αντιδράσεων που υφίσταται ένα πέτρωμα, όταν εκτεθεί σε υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις, διαφορετικές από αυτές που επικρατούσαν όταν δημιουργήθηκε.)

Οι μέθοδοι ουρανίου/μολύβδου, καλίου/αργού μπορούν να χρονολογήσουν δείγματα πετρωμάτων με ηλικία της τάξης δισεκατομμυρίων χρόνων. Γενικά, εφαρμόζονται για τη χρονολόγηση πυριγενών πετρωμάτων, τον υπολογισμό δηλαδή του χρονικού διαστήματος που έχει μεσολαβήσει από τη στιγμή της κρυσταλλοποίησής τους μέχρι σήμερα, δεδομένου ότι σε αυτά περιέχονται ραδιενεργά ισότοπα.

Η ραδιοχρονολόγηση δεν ενδείκνυται για χρονολόγηση ιζηματογενών πετρωμάτων. Τα ραδιενεργά ορυκτά στα ιζηματογενή πετρώματα προέρχονται από την αποσάθρωση των πυριγενών πετρωμάτων. Αρα η χρονολόγηση δίνει στοιχεία για το χρόνο ψύξης και στερεοποίησης του μάγματος, από το οποίο προήλθε το πυριγενές πέτρωμα, και όχι για το χρόνο απόθεσης (άρα και την ηλικία) του ιζηματογενούς πετρώματος. Για τη χρονολόγηση ιζηματογενών πετρωμάτων με τις παραπάνω μεθόδους απαιτείται η παρουσία σε αυτά κάποιων ορυκτών που σχηματίστηκαν κατά την ιζηματογένεση. Ο γλαυκονίτης -ένα καλιούχο ορυκτό που σχηματίζεται κατά την ιζηματογένεση σε θερμά, θαλάσσια περιβάλλοντα- είναι ένα καλό παράδειγμα, γιατί περιέχει κάλιο, άρα μπορεί να χρησιμοποιηθεί η μέθοδος καλίου/αργού.

Xρονολόγηση με άνθρακα -14 (C -14):

Ενα άλλο σημαντικό ατομικό ρολόι που χρησιμοποιείται για χρονολόγηση, βασίζεται στη ραδιενεργό διάσπαση του άνθρακα -14. Ο άνθρακας έχει τρία ισότοπα: C -12, C -13 και C -14. Από αυτά, ο C -12 και ο C -13 είναι σταθερά ενώ ο C -14 είναι ραδιενεργός με χρόνο ημιζωής 5.730 χρόνια. Ο άνθρακας -14 παράγεται συνεχώς στη γήινη ανώτερη ατμόσφαιρα ως αποτέλεσμα των συγκρούσεων του αζώτου -14 με τα νετρόνια των κοσμικών ακτίνων. Εισερχόμενος στον κύκλο του άνθρακα, ως CO2, ο C -14 εισέρχεται στους ιστούς ζώων και φυτών, καθώς και στα κελύφη και στα κόκαλα. Οταν ένας οργανισμός πεθάνει, δεν αποκτά άλλες ποσότητες C -14 ενώ τα επίπεδα του τελευταίου μειώνονται σημαντικά με το πέρασμα του χρόνου. Ο Willard Libby ανακάλυψε ότι ο λόγος του C -14/C -12 μπορεί να καθορίσει το χρόνο που πέρασε από τη στιγμή που ο οργανισμός απεβίωσε.

Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται ευρέως στην αρχαιολογία για τον καθορισμό ηλικιών των προϊστορικών χρόνων καθώς και για γεωλογικές μελέτες που αφορούν την εποχή των παγετώνων. Η χρονολόγηση οργανικών υλικών (ανθρακίτης, τύρφη, πίσσα, ξύλο, χαρτί, λινό ύφασμα, οστά κ.ά) με C -14 είναι αρκετά γνωστή μέθοδος, λόγω όμως του μικρού χρόνου ημιζωής του C -14 δεν είναι δυνατό να χρονολογηθούν υλικά παλαιότερα των 50.000 χρόνων.

Το αρχαιότερο μέχρι τώρα πέτρωμα έχει βρεθεί στο ΒΔ Καναδά -ηλικίας τεσσάρων δισεκατομμυρίων ετών- ενώ το αρχαιότερο ορυκτό -κρύσταλλοι ζιρκονίου ηλικίας 4,4 δισεκατομμυρίων χρόνων- που βρέθηκε στην περιοχή Jack Hills της βορειοδυτικής Αυστραλίας, αναθεωρεί τις γνώσεις μας για το σχηματισμό της γης και των ωκεανών. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια διάταξη μικροανάλυσης ιόντων υψηλής ακρίβειας και ένα φασματογράφο μάζας για την ανάλυση των κρυστάλλων, δίνοντας νέες εξηγήσεις σχετικά με την κατάσταση που επικρατούσε στη γη πριν 4,4 δισεκατομμύρια χρόνια. Επειδή ο σχηματισμός του ζιρκονίου απαιτεί την ύπαρξη νερού, θεωρούν ότι κατά την κρυσταλοποίησή του η γη είχε ήδη ηπείρους και ωκεανούς. Μέχρι τώρα πίστευαν ότι οι ωκεανοί είχαν δημιουργηθεί πολύ αργότερα. Η εύρεση και άλλων κρυστάλλων της ίδιας ηλικίας θα επιβεβαιώσει τις μαρτυρίες αυτές.

Το καταπληκτικό είναι ότι τα πετρώματα, εκτός από το μεγάλο ταξίδι που κάνουν, κουβαλούν μαζί τους και την ιστορία της προέλευσής τους. Και σ΄ αυτήν μπορεί να ρίξει φως η ραδιοχρονολόγηση.

Flash.gr