Metody określania wieku

Ta metoda opiera się na prawie stra­ty­gra­fii. Jest to nauka o kolej­no­ści i kontek­stu warstw w arche­olo­gii lub pale­on­to­lo­gii. Wynika to z zasady, że sekwen­cja warstw osadów jest młod­sza od dołu do góry, pod warun­kiem, że nie zostały one naru­szone przez procesy tekto­niczne lub zdarze­nia wulka­niczne. Stra­ty­gra­fia służy przede wszyst­kim do okre­śla­nia względ­nego wieku, ale obec­nie nadaje się również przy­naj­mniej z grub­sza do okre­śle­nia wieku bezwzględ­nego, ponie­waż więk­szość warstw geolo­gicz­nych została zbadana bardzo wiary­god­nie, a ich wiek i kolej­ność zostały dobrze okre­ślone. Jeśli więc obiekt można przy­pi­sać do znanej warstwy geolo­gicz­nej, to jego wiek również mieści się w grani­cach wieku tej warstwy.

Znaczne uwar­stwie­nie w wyniku erup­cji wulka­nów na Made­rze. (Źródło: GerritR na https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Geschichtete_Tephra_zwischen_Pico_do_Areeiro_und_Pico_Ruivo,_Madeira.jpg)

Zasada tej metody wyzna­cza­nia wieku opiera się na charak­te­ry­stycz­nej sekwen­cji słojów rocz­nych w drew­nie, które powstały w kolej­nych latach przy różnych warun­kach mete­oro­lo­gicz­nych. Powstałe kalen­da­rze dendro­chro­no­lo­giczne sięgają obec­nie 12500 lat wstecz.

Wiek drew­nia­nych belek, pni drzew lub podob­nych prze­two­rzo­nych frag­men­tów drewna, które znaj­dują się w związku z arte­fak­tami, można okre­ślić abso­lut­nie z dużą rozdziel­czo­ścią czasową.

Próbka belki dendro­chro­no­lo­gicz­nej z ratu­sza w Göden­roth (dąb) z ratu­sza w Göden­roth (dąb). (Źródło: Stefan Kühn, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Dendrochronologie.jpg. Licen­cja: GFDL) 

Inną abso­lutną metodą dato­wa­nia jest dato­wa­nie radio­me­tryczne, które opiera się na wspól­nej zasadzie.

Poni­żej przed­sta­wiono niektóre ważniej­sze metody dato­wa­nia radiowego.

Metoda radiowęglowa

Metodę tę stosuje się głów­nie do okre­śla­nia wieku obiek­tów orga­nicz­nych, które nie są star­sze niż 50 000 lat. Obiekty orga­niczne (tj. żywe istoty) podczas swojego życia używają węgla do budowy orga­ni­zmu. Oprócz trwa­łych izoto­pów węgla ¹²C i ¹³C używają się również radio­ak­tyw­nego izotopu ¹⁴C w odpo­wied­niej propor­cji. Obec­nie stosu­nek stężeń ¹²C + ¹³C do ¹⁴C wynosi około 1012. Pomimo że ¹⁴C ciągle rozpada się, jest on stale odtwa­rzany w górnej części atmos­fery przez bombar­do­wa­nie wyso­ko­ener­ge­tycz­nymi promie­niami kosmicz­nymi z ¹⁴N (¹⁴N + n → ¹⁴C + p), tak że jego udział w powie­trzu pozo­staje prawie stały:

Dopóki orga­nizm żyje, zawsze używa izoto­pów węgla do budowy swojego ciała w dokład­nie takiej propor­cji. Jednak od chwili śmierci nie nastę­puje dalsze włącza­nie węgla. A z powodu rozpadu promie­nio­twór­czego udział radio­ak­tyw­nych izoto­pów w całko­wi­tej zawar­to­ści węgla w obiek­cie zaczyna spadać od tego momentu w prze­ciągu 5730 ± 40 lat do połowy pier­wot­nego stęże­nia. Izotop ¹⁴C rozpada się przez rozpad β na ¹⁴N, stabilny izotop azotu, a także elek­tron i antyneutrino.

Ponadto należy wziąć pod uwagę wpływ frak­cjo­no­wa­nia izoto­pów. Ozna­cza to efekt pole­ga­jący na tym, że trzy izotopy ¹²C, ¹³C i ¹⁴C, z powodu różnych mas, zacho­wują się nieco, ale mierzal­nie, inaczej w proce­sach fizycz­nych i chemicz­nych, co należy skory­go­wać przy okre­śla­niu wieku.

Przy­kład: dato­wa­nie szkie­letu ptaka metodą ¹⁴C (znacz­nie uprosz­czone!): Dopóki ptak spoży­wał pokarm, umiesz­czał izotopy węgla w swoich tkan­kach w propor­cji 1012. Jednak od momentu jego śmierci, w przy­kła­dzie nieco ponad 17 000 lat temu, nowy sup>14C nie zosta­wał wchła­niany, a obecny w tkance powoli się rozpa­dał. Dziś, po 4 okre­sach półtr­wa­nia, w skamie­nia­łych kościach jest znacz­nie mniej ¹⁴C niż za życia ptaka, więc stosu­nek stabil­nych izoto­pów do ilości ¹⁴C jest wielo­krot­nie wyższy.

Datowanie uranowo-torowe

Metoda uranowo-torowa opiera się na radio­ak­tyw­nym rozpa­dzie izoto­pów uranu, które podczas rozpadu prze­kształ­cają się w tor (²³⁰Th). Matoda ta szcze­gól­nie nadaje się do bada­nia obiek­tów nieorga­nicz­nych, takich jak osady wapienne (stalag­mity / stalak­tyty) i opiera się na fakcie, że radio­ak­tywne izotopy uranu ²³⁵U (T1/2 = 703,8 mln lat) i ²³⁸U (T1/2 = 4,47 miliarda lat). lat) są rozpusz­czalne w wodzie, ale produkt rozpadu ²³⁰Th już nie. Dzięki tej meto­dzie dato­wa­nia można okre­ślić wiek próbek znacz­nie powy­żej 500 000 lat.

Datowanie rubidowo-strontowe

Okres półtr­wa­nia rozpadu β ⁸⁷Rb (izotopu macie­rzy­stego) do stabil­nego izotopu potom­nego ⁸⁷Sr jest niezwy­kle długi i wynosi około 48,8 miliarda lat. Metodę rubi­dowo-stron­tową stosuje się zatem prawie wyłącz­nie do okre­śla­nia wieku starych skał meta­mor­ficz­nych i magmo­wych. Dolna granica, przy której ta metoda nadal pozwala na wiary­godne okre­śle­nie wieku, to wiek 10 milio­nów lat.

W celu dato­wa­nia okre­śla się stosunki ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr i ⁸⁷Rb/⁸⁶Sr poszcze­gól­nych mine­ra­łów w próbce i całej próbki. ⁸⁶Sr służy jako stabilny izotop odnie­sie­nia dla izotopu pochod­nego. Okre­śle­nie ilości nastę­puje przy pomocy fluore­scen­cji rent­ge­now­skiej, analizy akty­wa­cji neutro­nów (metody anali­tyczne) lub za pomocą spek­tro­me­trii mas.

Dato­wa­nie rubi­dowo-stron­towe jest ważną metodą, ponie­waż Rb i Sr mogą zastą­pić pospo­lite pier­wiastki, takie jak K i Ca. Jest stoso­wane szcze­gól­nie w przy­padku grani­tów, można również dato­wać sedy­menty na podsta­wie mine­ra­łów ilastych, które powstały na miej­scu znale­zi­ska, a także skały solne powstałe w wyniku odpa­ro­wa­nia wody.

Datowanie potasowo-argonowe

Dato­wa­nie pota­sowo-argo­nowe jest geo-kosmo­chro­no­lo­giczną metodą radio­me­trycz­nego okre­śla­nia wieku skał i mete­ory­tów, w której wyko­rzy­stuje się radio­ak­tywny rozpad potasu-40 (⁴⁰K) do argonu-40 (⁴⁰Ar). Emiter beta ⁴⁰K rozpada się z okre­sem półtr­wa­nia 1,28 miliarda lat w 11% przy­pad­ków do argonu-40, w 89% do wapnia-40. Potas wystę­puje w pospo­li­tych mine­ra­łach skal­nych, takich jak mika, skale­nie i horn­blenda, dlatego ta tech­nika dato­wa­nia jest często z powo­dze­niem stoso­wana przy okre­śla­niu wieku skał ziemskich.

Datowanie argonowo-argonowe

Bardziej precy­zyjną odmianą jest metoda ³⁹Ar-⁴⁰Ar. W niej próbka nie musi być dzie­lona na dwie, możli­wie niere­pre­zen­ta­tywne części, w celu oddziel­nego ozna­cze­nia argonu i potasu. Ponadto zakłó­ce­nia w ukła­dzie izoto­pów pota­sowo-argo­no­wych można wykryć bez koniecz­no­ści praco­chłon­nego oddzie­la­nia mine­ra­łów. Nawet jeśli argon częściowo się rozpro­szył, metoda ta może być nadal stoso­wana do pomiaru wiary­god­nego „wieku argonu”, nawet na stosun­kowo młodych skałach.

Badana próbka zostaje napro­mie­nio­wana szyb­kimi neutro­nami w reak­to­rze badaw­czym (akty­wa­cja neutro­nów), w wyniku czego część ³⁹K obec­nego w próbce jest prze­kształ­cana w ³⁹Ar. W celu kali­bra­cji znany stan­dard mine­ralny (np. horn­blenda) o znanym wieku zostaje napro­mie­nio­wy­wany jako próbka porów­naw­cza. Próbki są następ­nie stop­niowo podgrze­wane w okre­ślo­nych stop­niach tempe­ra­tury, przy czym przy pomocy spek­tro­me­trii maso­wej gazu obojęt­nego mierzony jest stosu­nek ³⁹Ar do ⁴⁰Ar w odga­zo­wa­nym argo­nie na poszcze­gól­nych pozio­mach temperatury.

Metoda ³⁹Ar-⁴⁰Ar umoż­li­wia dato­wa­nie znacz­nie nowszych wyda­rzeń niż trady­cyjne dato­wa­nie pota­sowo-argo­nowe. W między­cza­sie została dopra­co­wana do tego stop­nia, że w 1997 roku można było dato­wać pumeks z erup­cji Wezu­wiu­sza, która znisz­czyła Pompeje, na wiek 1925 ± 94 lat. Odpo­wiada to rokowi 72 ne, a zatem w ramach błędu odpo­wiada dacie histo­rycz­nej, którą Pliniusz Młod­szy podaje — po prze­li­cze­niu na kalen­darz grego­riań­ski — jako rok 79 ne. Jedno­cze­śnie jednak metoda ta umoż­li­wia również np. dato­wa­nie skamie­nia­ło­ści homi­ni­nów liczą­cych miliony lat — takich jak znale­zi­ska Ardi­pi­the­cus rami­dus — dla których metoda radio­wę­glowa nie ma już zastosowania.

Datowanie uranowo-ołowiowe

Dato­wa­nie uranowo-ołowiowe jest obec­nie najpow­szech­niej stoso­waną metodą bezwzględ­nego dato­wa­nia forma­cji geolo­gicz­nych. Oprócz długiego okresu półtr­wa­nia uranu, główną zaletą tej metody jest to, że można zasto­so­wać dwie serie rozpa­dów, każda zaczy­na­jąca się od izoto­pów uranu, a kończąca się kilkoma etapami pośred­nimi z izoto­pami ołowiu:

1. Seria uranowo-radowa: ²³⁸U →… → ²⁰⁶Pb (okres półtr­wa­nia: 4,5 miliarda lat)
2. Seria uran-aktyn: ²³⁵U →… → ²⁰⁷Pb (okres półtr­wa­nia: 704 milio­nów lat)

Różne niesta­bilne produkty rozpadu w tej serii są znacz­nie krót­ko­trwal­sze niż odpo­wiedni izotop uranu na początku serii. Dlatego tylko okresy półtr­wa­nia izoto­pów uranu odgry­wają zasad­ni­czą rolę w okre­śla­niu wieku.

Ze względu na różne szyb­ko­ści rozpadu stosu­nek tych dwóch izoto­pów zmie­niał się w sposób ciągły w ciągu histo­rii Ziemi. Na tej podsta­wie można obli­czyć ich stosu­nek w dowol­nym momen­cie histo­rii Ziemi. [KHB]