Metody określania wieku

Istnieje wiele metod określa­nia wieku obiek­tów, takich jak arte­fakty (tj. przedmioty wytwor­zone przez czło­wieka), złoża minerałów lub subs­tancji orga­nicz­nych lub skami­e­niałości. Zasad­niczo dzieli się je na względne i bezwz­ględne okreś­le­nia wieku. Przy każdym okreś­le­niu wieku wyniki są wery­fi­kowane innymi meto­dami w celu wykrycia sprzecz­ności, a tym samym wykluc­ze­nia błędów.

Stra­ty­gra­fia

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)

Dendro­chro­no­lo­gia

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) 

Radio­me­tryczne wyznac­za­nie wieku

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

Zasada radiometrycznego wyznaczania wieku

Każda subs­tancja składa się z atomów pier­wiast­ków chemicz­nych. Każdy pier­wias­tek jest z kolei scha­rak­tery­zowany przez jego liczbę porząd­kową. Odpo­wiada to licz­bie protonów w jądrze atomów. Jądro atomowe składa się z protonów i neutronów. Pier­wiastki chemiczne o różnej licz­bie neutronów nazy­wane są izoto­pami. Czy izotop jest stabilny, czy radio­ak­tywny, zależy od liczby neutronów w jądrze atomo­wym. Stabilny węgiel może mieć 6 protonów i 6 neutronów (12C), ale stabilna jest również kombi­nacja 6 protonów i 7 neutronów (13C). Najob­fi­ciej wystę­pu­ją­cym izoto­pem węgla w przy­rod­zie jest 12C z udzałem 98,9%. Całko­wita liczba protonów i neutronów w jądrze atomo­wym odpo­wiada licz­bie maso­wej odpo­wied­niego izotopu. Izotopy węgla z mniej niż 6 neutro­nami (10C, 11C) i te z więcej niż 7 neutro­nami (14C, 15C) są radio­ak­tywne i rozpa­dają się na inny pier­wias­tek z okre­sem półtrwa­nia specy­ficz­nym dla danego izotopu (patrz poniżej). Przy­kłady: β+-rozpad: 11C → 11B und β--rozpad: 14C → 14N.

Izotop radio­ak­tywny 14C odgrywa ważną rolę w określa­niu wieku subs­tancji orga­nicz­nych (patrz poniżej). Izotopy radio­ak­tywne o bardzo długim okre­sie półtrwa­nia służą do określa­nia wieku starożyt­nych formacji ziems­kich i wieku naszego Układu Słonecznego.

Dwa izotopy węgla: Jądro 12C składa się z 6 protonów i 6 neutronów. 14C ma również 6 protonów, ale o 2 więcej neutronów, co daje w sumie 8 neutronów. 12C jest stabilny, podc­zas gdy 14C łatwo się rozpada.

Czas, w którym pewna począt­kowa ilość izotopu jest przeksz­tał­cana do połowy, nazy­wany jest okre­sem półtrwa­nia. Na przy­kład okres półtrwa­nia 14C wynosi 5730 lat. Okresy półtrwa­nia są znane dla wszyst­kich (!) natu­ral­nych izotopów promie­niot­wórc­zych. Szcze­gólną cechą rozpadu radio­ak­tyw­n­ego jest to, że zachodzi on całko­wi­cie nieza­leż­nie od masy, tempe­ra­tury, ciśni­enia lub innych wpły­wa­ją­cych zmien­nych i zawsze ze stałą pręd­kością dla każdej wyst­ar­c­za­jąco dużej ilości izotopu promieniotwórczego.

Okres półtrwa­nia: Okres półtrwa­nia niesta­bil­n­ego izotopu opisuje przedział czasu, w którym dokład­nie połowa ilości izotopu obec­n­ego na początku tego przedziału zanika.

Jeśli znany jest stos­unek ilościowy między stabil­nym i radio­ak­tywnym izoto­pem w momen­cie powsta­nia subs­tancji, i porówna się go z aktu­al­nie stwierd­zonym stosun­kiem ilości izotopu promie­niot­wórc­zego do ilości zwią­za­n­ego z nim stabil­n­ego izotopu w tej subs­tancji, można okreś­lić wiek substancji.

Okreś­le­nie stosunku ilościo­wego isotopów, który istniał w pewnym momen­cie począt­ko­wym, nazywa się kali­bracją. Dziś wiadomo, że tempo twor­ze­nia się izotopów podle­gało znacz­nym waha­niom w ciągu histo­rii Ziemi. Jest to brane pod uwagę podc­zas kali­bracji. Oczy­wiście ważne jest również, aby upew­nić się, że żadne późnie­jsze wzbog­a­ce­nie (lub zuboże­nie) obiektu bada­nia izoto­pem promie­niot­wórc­zym nie zosta­nie przeoczone.

Metoda datow­a­nia radio­lo­gicz­n­ego działa nieza­wod­nie do wieku 9–10 okresów półtrwa­nia. Później resz­t­kowe ilości izotopu promie­niot­wórc­zego w próbce są tak małe, że czas pomi­aru musiałby być niepro­por­c­jo­nal­nie długi. Na szczęście istnieją jednak pier­wiastki promie­niot­wórcze o niezwykle długim okre­sie półtrwa­nia, których seria rozpadu jest również znana bardzo dokład­nie. Istnieją nawet izotopy, których okres półtrwa­nia jest dłuższy niż wiek naszego Wszechś­wiata (87Rb, T1/2=48,8 mili­arda lat).

Największą zaletą metody radio­me­trycz­nej jest jednak to, że badany obiekt można mier­zyć równo­le­gle przy pomocy szere­gów rozpadu różnych izotopów, co musi prowad­zić do porów­ny­wal­nych wyni­ków, jeśli nie ma błędu w podsta­wo­wych założeniach.

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]

Komentowanie jest wyłączone.