Radiometriskā datēšana: kas tā ir, metodes un pielietojumi

Uzziniet visu par radiometrisko datēšanu: metodes (radioglekļa, kālija-argona, urāna‑svina), pielietojumi ģeoloģijā un arheoloģijā, precīza fosiliju un artefaktu datēšana.

Radiometriskā datēšana (bieži dēvēta par radioaktīvo datēšanu) ir veids, kā noskaidrot, cik vecs ir kāds priekšmets. Ar šo metodi salīdzina dabā sastopamā radioaktīvā izotopa un tā sabrukšanas produktu daudzumu paraugos. Metode izmanto zināmus sabrukšanas ātrumus. Tā ir visbiežāk izmantotā metode ģeohronoloģijā, kas ir galvenais veids, kā noskaidrot iežu un citu ģeoloģisko objektu, tostarp pašas Zemes, vecumu.

To izmanto, lai datētu daudzus dabiskus un mākslīgus materiālus. Fosilijas var datēt, paņemot iežu paraugus no iežiem virs un zem fosilijas sākotnējās atrašanās vietas. Radiometrisko datēšanu izmanto arī arheoloģisko materiālu, tostarp senu artefaktu, datēšanai.

Lai noteiktu ģeoloģisko laika skalu, tiek izmantotas radiometriskās datēšanas metodes. Vispazīstamākās metodes ir radioglekļa datēšana, kālija-argona datēšana un urāna-svina datēšana.

Kas ir pamatprincips?

Radiometriskā datēšana balstās uz radioaktīvo izotopu spontāno sabrukšanu laika gaitā. Katram radioaktīvajam izotopam ir raksturīgs sabrukšanas ātrums, ko parasti izsaka kā pusperiodu (half-life) — laiku, kurā puse sākotnējā daudzuma sabrūk līdz dēliņu izotopam. Matemātiski datēšanu var aprakstīt ar eksponenciālās sabrukšanas vienādojumu; ja zināms sākotnējais vecums N0 un atlikušais daudzums N(t), tad laiku t iegūst, izmantojot t = (1/λ) ln(N0/N), kur λ ir sabrukšanas konstante (λ = ln 2 / pusperiods).

Galvenās metodes un to robežas

• Radioglekļa (14C) datēšana — piemērota organiskajiem materiāliem (koks, ogles, kauli, audumi) un efektīva līdz aptuveni 50 000 gadiem. 14C pusperiods ≈ 5730 gadi. Lai iegūtu kalibrētus datumus, radioglekļa rezultātus salīdzina ar dendrokronoloģijas un citu avotu datiem (IntCal kalibrācijas līknes). Jāņem vērā arī rezervuāra efekti (piem., jūras rezerve), kas var ietekmēt rezultātus.
• Kālija-argona (K–Ar) un 40Ar/39Ar — piemērota vulkaniskiem iežiem un minerāliem, datēšanas diapazons no daudziem tūkstošiem līdz miljardiem gadu. 40K pusperiods ≈ 1,25 miljardu gadu. Argona-argona (40Ar/39Ar) variants ļauj precīzāk noteikt relatīvās koncentrācijas un izmantot vienu paraugu vai sadalīt to frakcijās.
• Urāna-svina (U–Pb) — ļoti precīza metode senākajām iežu vecuma noteikšanai (miljardi gadu). U-238 pusperiods ≈ 4,47 miljardu gadu, U-235 pusperiods ≈ 704 miljoni gadu. Parasti izmanto svina attiecības minerālos kā cirtainā zircona (zircon) minerālā.
• Pakāpes un citas sistēmas — piemēram, rubīdijs-stroncijs (Rb–Sr), samārijs-neodīms (Sm–Nd) un kosmogēniskie izotopi (piem., 10Be, 26Al) — tiek izmantotas specifisku problēmu risināšanai, piemēram, erozijas ātruma vai pēdējo amplifikāciju datējumiem.

Pielietojumi

Radiometriskā datēšana tiek plaši izmantota:

• ģeoloģijā — iežu vecuma noteikšanai, tektonisko un vulkānisko notikumu hronoloģijai;
• arheoloģijā — kultūru un artefaktu vecuma noteikšanai;
• paleontoloģijā — fosiliju relatīvā un absolūtā datēšanā;
• paleoklimatoloģijā — nogulumu analīzē un vides pārmaiņu atšifrēšanā;
• meteoritikā — Saules sistēmas un Zemes vecuma noteikšanai (piem., meteoru izcelsmes datumi liecina, ka Zeme ir ~4,54 miljardus gadu veca);
• mākslas un muzeju zinātnē — autentiskuma pārbaudēs un restaurācijas datēšanā;
• forenzikā — pēdējo desmitgažu notikumu datēšanā (piem., oglekļa isotopi).

Ierobežojumi, kļūdu cēloņi un precizitāte

Radiometriskā datēšana var būt ļoti precīza, taču rezultātiem jāpieiet kritiski. Galvenie ierobežojumi un kļūdu avoti:

• Kontaminācija — paraugu piesārņojums ar vecāku vai jaunāku materiālu var izkropļot rezultātus;
• Sākotnējā attiecība — dažām metodēm jāzina vai jāpieņem sākotnējā vecā vai jaunā izotopu attiecība; uz to virza isohrona metodes, kas samazina šo nezināmo ietekmi;
• Termiska/ķīmiska atvēršanās (closure temperature) — minerāli var atbrīvot vai uzkrāt dēliņu izotopus, ja temperatūra pārsniedz "slēgšanas" punktu, tādēļ datējot jāņem vērā minerāla termālā vēsture;
• Rezervuāra efekti — piemēram, jūras ogļskābā rezerve var padarīt radioglekļa datumu vecāku nekā patiesībā;
• Metodoloģiskas un laboratorijas kļūdas — instrumentu kalibrācija, mērīšanas kļūdas un paraugu sagatavošana ietekmē precizitāti.

Parasti datējuma precizitāte tiek norādīta ar kļūdas robežu (piem., ± gadi vai ± %). Lai palielinātu ticamību, zinātnieki bieži salīdzina vairākas neatkarīgas metodes vai veic atkārtotus mērījumus.

Paraugu iegūšana un laboratorijas prakse

Lai iegūtu uzticamus rezultātus, svarīga ir pareiza paraugu ņemšana un dokumentācija: tīri instrumenti, izvairīšanās no piesārņojuma, precīza parauga stratigrafiskā pozīcijas reģistrācija un datu ierakstīšana. Paraugi tiek sagatavoti speciālās laboratorijās, kur ar maspektrometriju, šķidruma hromatogrāfiju vai citām metodēm nosaka izotopu daudzumus. Lai rezultāti būtu ticami, laboratorijas bieži piedalās ārējā kvalitātes kontrolē un starplaboratoriju salīdzinājumos.

Praktiski padomi un piemēri

• Ja datējat ar radioglekli, pārbaudiet, vai materiāls nav piesārņots un vai saglabāta organiskā matērija; ja iespējams, izmantojiet vairākas daļas no viena objekta vai blakus esošus paraugus.
• Vulkānu slāņi bieži kalpo kā labs “laikmeta zīmogs” — datēšana ar K–Ar vai Ar–Ar var sasaistīt fosiliju slāņus ar absolūtiem laikiem.
• Urāna-svina datējums uz zirconu ir viens no stabilākajiem veidiem senāko iežu vecuma noteikšanai, jo zirconi iztur termālo un ķīmisko iedarbību.

Sekas un nākotne

Radiometriskā datēšana joprojām attīstās: pilnveidojas instrumenti, metodes kļūst jutīgākas un parādās jauni izotopu marķieri. Tā turpinās būt būtisks rīks, lai saprastu Zemes un cilvēces vēsturi, savienojot ģeoloģisko notikumu secību ar dzīves procesiem un klimata pārmaiņām.

Ja jums ir konkrēts paraugs vai interese par konkrētu metodi (piem., radioglekļa datēšana vai kālija-argona datēšana), varu sniegt detalizētāku ceļvedi par paraugu sagatavošanu, ierobežojumiem un rezultātu interpretāciju.

Radioaktīvā sabrukšana

Visa parastā matērija sastāv no ķīmisko elementu kombinācijām, un katram no tiem ir savs atomu numurs, kas norāda protonu skaitu atoma kodolā. Elementiem ir dažādi izotopi, un katrs elementa izotops atšķiras ar neitronu skaitu kodolā. Konkrēta elementa izotopu sauc par nuklīdu. Daži nuklīdi ir dabiski nestabili. Tas nozīmē, ka kādā brīdī šāda nuklīda atoms, radioaktīvi sadaloties, spontāni pārvērtīsies citā nuklīdā. Sadalīšanās var notikt, emitējot daļiņas (parasti elektronus (beta sabrukšana), pozitronus vai alfa daļiņas) vai spontāni sadaloties kodoliem un uztverot elektronus.

Vecuma vienādojums

Matemātiskā izteiksme, kas saista radioaktīvo sabrukšanu ar ģeoloģisko laiku, ir šāda:

D = D ₀+ N(e^λt - 1)

kur

t ir izlases vecums,

D ir meitas izotopa atomu skaits paraugā,

D₀ ir meitas izotopa atomu skaits sākotnējā sastāvā,

N ir mātes izotopa atomu skaits paraugā, un

λ ir izejas izotopa sabrukšanas konstante, kas vienāda ar izejas izotopa radioaktīvā pusperioda apgriezto vērtību, reizinātu ar dabisko logaritmu 2.

Šajā vienādojumā izmanto informāciju par mātes un meitas izotopiem laikā, kad materiāls sacietēja. Tas ir labi zināms lielākajai daļai izotopu sistēmu. Lai grafiski atrisinātu vecuma vienādojumu, izmanto izohrona (taisnlīnijas grafika) attēlošanu. Tas parāda parauga vecumu un sākotnējo sastāvu.

Samārija-neodīma (Sm/Nd) izohrona diagramma paraugiem no Lielā dīķa, Zimbabve. Vecums aprēķināts pēc izohrona slīpuma (līnija), bet sākotnējais sastāvs - pēc izohrona krustošanās ar y asi.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir radiometriskā datēšana?

J: Kādi ir daži piemēri materiāliem, kurus var datēt, izmantojot radiometrisko datēšanu?

J: Kā darbojas radioglekļa datēšana?

J: Kādi ir daži radiometriskajā datēšanā izmantotie paņēmieni?

J: Kā radiometrisko datēšanu izmanto, lai noteiktu ģeoloģisko laika skalu?

J: Vai ir iespējams izmantot radiometriskos datus dzīviem organismiem?

Meklēt pēc burta