Videnskabelige dateringsmetoder sætter alder på fortiden

Radioaktive ’ure’ måler tiden i millioner af år, men hvor nøjagtige er de?

Denne artikel og de to følgende beskriver og vurderer de forskellige radiometriske dateringsmetoder man anvender i den geologiske og arkæologiske forskning for at aldersbestemme bjergarter og rester af organismer der tidligere har levet. Artiklerne er udarbejdet af en kernefysiker der har mange års erfaring med radioaktive processer inden for både forskning og industri.

„Jordfaldshul indeholder rige arkæologiske fund. Forskere mener at 10.000 år gamle rester viser at der levede mennesker i istidens Florida.“

„Den ældste stenalderhytte i Japan er blevet udgravet i nærheden af Osaka. Arkæologer daterer hytten til at være omkring 22.000 år gammel.“

„For omkring en million år siden gennemstrømmedes det østlige Corona (Californien) af en flod på hvis bredder der færdedes kameler, heste, kaniner og forhistoriske dyr som mastodonter.“

PÅSTANDE som de ovennævnte fremsættes typisk når arkæologer og palæontologer har gjort nye, opsigtsvækkende fund. Det folk først og fremmest interesserer sig for ved et nyt fund er dets alder. Den forsker der udtaler sig til pressen har ofte et svar på rede hånd, uanset om det er baseret på beviser eller det blot er gætteri.

Når du læser sådanne meddelelser, tænker du så af og til: Hvor ved de det fra? Hvor sikkert er det at der levede mennesker i Florida for 10.000 år siden og i Japan for 22.000 år siden — eller at mastodonter og kameler strejfede om i Californien for en million år siden?

Forskerne har flere videnskabelige dateringsmetoder til deres rådighed når de vil aldersbestemme rester fra forhistorisk tid. Nogle af disse metoder er mere pålidelige end andre, men ingen af dem giver så sikre aldersbestemmelser som historiske optegnelser gør. For menneskets vedkommende rækker disse optegnelser dog allerhøjst 6000 år tilbage i tiden. Når man går ud over dette tidsrum har man kun de videnskabelige dateringsmetoder at støtte sig til.

Radiometrisk datering

De mest pålidelige dateringsmetoder videnskaben råder over er baseret på målinger af den hastighed hvormed radioaktive grundstoffer omdannes eller henfalder. Andre metoder bygger på ældningsprocesser der kan forløbe langsommere eller hurtigere under skiftende påvirkning fra omgivelserne, som for eksempel temperaturforandring. Forløbet af de radioaktive henfaldsprocesser har derimod vist sig at være upåvirkeligt af endog voldsomme forandringer i de ydre forhold.

Uran-bly-metoden

Som eksempel på hvordan radioaktive processer kan anvendes til aldersbestemmelse vil vi betragte den første metode man opfandt. Den er baseret på at grundstoffet uran spontant henfalder til grundstoffet bly. Radioaktive henfaldsprocesser forløber i nøje overensstemmelse med en lov om statistisk sandsynlighed. Mængden af uran der henfalder pr. tidsenhed er altid proportional med den tilbageværende mængde. Dette kan illustreres grafisk ved en kurve som den på side 19, der viser hvor meget uran der er tilbage på et givet tidspunkt. Den tid det tager før halvdelen af en vis mængde radioaktivt stof er omdannet, kaldes halveringstiden. Efter endnu en periode af tilsvarende længde vil den oprindelige mængde være reduceret til en fjerdedel. Efter tre halveringstider vil der være en ottendedel tilbage, og så videre. Halveringstiden for uran er 4,5 milliarder år.

Da uran omdannes til bly, forøges mængden af bly uophørligt. Den stiplede kurve viser den samlede mængde bly på et givet tidspunkt. Kurven for bly modsvarer kurven for uran, således at det samlede antal blyatomer og uranatomer altid er det samme — svarende til det antal der var i begyndelsen.

Lad os nu forestille os at vi har et klippestykke der indeholder uran men intet bly, og at vi forsegler det så intet kan slippe ind i eller ud af klippestykket. Efter nogen tid bryder vi forseglingen og måler mængden af begge grundstoffer. Vi kan nu bestemme hvor længe klippestykket har været forseglet. Hvis vi for eksempel finder lige mængder bly og uran, ved vi at der er forløbet én halveringstid, det vil sige 4,5 milliarder år. Hvis det viser sig at kun 1 procent af den samlede uranmængde er omdannet til bly, kan vi ved hjælp af den matematiske ligning for kurven beregne at der må være gået 65 millioner år.

Læg mærke til at vi ikke behøver at vide hvor meget uran klippestykket indeholdt fra begyndelsen. Vi behøver blot at bestemme forholdet mellem uran og bly — hvilket er meget bekvemt da ingen af os tænkte på at foretage målinger ved eksperimentets begyndelse.

Nu tænker du måske at det er ufatteligt lange tidsperioder vi taler om — millioner og milliarder af år. Til hvad nytte er en proces som tidsmåler når den forløber så langsomt? Jo, den fortæller os blandt andet at jordkloden er nogle få milliarder år gammel, og at der nogle steder findes klippestykker som tilsyneladende er næsten lige så gamle. En sådan tidsmåler er derfor meget anvendelig for geologerne i deres studium af jordens historie.

Hvor pålidelige er de?

Vi må indrømme at denne dateringsmetode ikke er helt så simpel som vi har beskrevet den. Vi antog at klippestykket ikke indeholdt bly ved forsøgets begyndelse. Men sådan forholder det sig almindeligvis ikke med prøver fra naturen; de har fra begyndelsen et vist indhold af bly, hvilket giver dem en såkaldt indbygget alder der ikke kan bestemmes. Vi forudsatte også at klippestykket var tæt forseglet, sådan at ingen stoffer kunne slippe ind eller ud. Lignende forhold kan forekomme i naturen, men gør det ikke altid. Over lange tidsperioder kan en del bly eller uran være blevet udvasket i grundvandet. Eller der kan være trængt uran eller bly ind, navnlig hvis det drejer sig om sedimentære bjergarter. Af denne grund fungerer uran-bly-processen bedst som tidsmåler i vulkanske bjergarter.

Aldersbestemmelsen kompliceres yderligere ved at prøven kan indeholde et andet grundstof, thorium, der også er radioaktivt og langsomt henfalder til bly. Dertil kommer at uran består af to isotoper der henfalder til bly. De er kemisk identiske men har forskellig atomvægt og halveringstid. Hvert af disse stoffer omdannes til forskellige blyisotoper. Derfor har vi ikke alene brug for en kemiker med sine reagensglas men også for en fysiker der med specialudstyr kan adskille de forskellige blyisotoper efter deres masse.

Uden at gå i detaljer med disse problemer kan vi se at når geologerne anvender uran-bly-processen som tidsmåler må de være på vagt over for en række faldgruber hvis de skal nå frem til et rimelig troværdigt resultat. Forskerne benytter sig derfor af andre metoder til radiometrisk aldersbestemmelse for at efterprøve deres målinger. Man har udviklet to metoder der ofte kan anvendes på den samme prøve.

Kalium-argon-metoden

Denne proces er den mest anvendte som tidsmåler. Grundstoffet kalium forekommer mere almindeligt end uran — kaliumklorid kan fås i handelen som erstatning for almindeligt salt (natriumklorid). Kalium består hovedsagelig af to isotoper med atomvægt 39 og 41. Men en tredje isotop med atomvægt 40 er svagt radioaktiv. Et af henfaldsprodukterne fra denne isotop er den ædle luftart argon, der udgør omkring 1 procent af den atmosfæriske luft. Kaliumisotopen med atomvægt 40 har en halveringstid på 1,4 milliarder år, hvilket gør den egnet som grundlag for bestemmelse af aldre fra ti millioner år op til flere milliarder år.

I modsætning til uran findes kalium vidt udbredt i jordskorpen. Det indgår som bestanddel i mange af de mineraler der findes i de mest almindelige bjergarter, hvad enten disse er vulkanske eller sedimentære. Men forudsætningerne for at kalium-argon-processen kan anvendes som tidsmåler er de samme som tidligere nævnt: Prøven må ikke have indeholdt argon da processen startede, det vil sige da mineralet blev dannet. Og systemet må have været forseglet i hele perioden, så hverken kalium eller argon kunne trænge ind eller slippe ud.

Hvor godt virker denne tidsmåler i praksis? Somme tider tilfredsstillende, men til andre tider dårligt. Den angiver i nogle tilfælde aldre der er meget forskellige fra dem man har bestemt ved hjælp af uran-bly-metoden. De er almindeligvis lavere — hvilket tilskrives udslip af argon. Men i nogle undersøgte bjergarter er der god overensstemmelse mellem aldrene fra kalium-argon- og uran-bly-metoderne.

En meget omtalt anvendelse af kalium-argon-metoden var dateringen af et klippestykke som astronauterne fra Apollo 15 bragte med tilbage fra månen. Forskerne målte forholdet mellem kalium og argon i et lille fragment af dette klippestykke. De bestemte dets alder til 3,3 milliarder år.

Rubidium-strontium-metoden

Man har senere udviklet endnu en dateringsmetode for mineraler, på grundlag af en radioaktiv proces hvor grundstoffet rubidium henfalder til en strontium-isotop. Rubidium omdannes yderst langsomt. Dets halveringstid er 50 milliarder år! Endog i de ældste klipper er der omdannet så lidt af dette stof at man må foretage særdeles omhyggelige målinger for at skelne henfaldsproduktet strontium-87 fra de oprindelige strontium-isotoper. I et givet mineral kan der findes hundrede gange mere strontium end rubidium. Selv over et tidsrum på en milliard år vil kun 1 procent af rubidiumatomerne henfalde. Trods disse vanskeligheder har man i nogle tilfælde været i stand til at måle de små mængder strontium der er dannet ved dette henfald. Denne metode er brugbar til kontrol af de aldersbestemmelser man har foretaget på andre måder.

Et interessant eksempel på denne dateringsmetodes anvendelse var undersøgelsen af en meteorit som astronomerne mente kunne være en rest af det ur-materiale hvoraf solsystemet opstod da klippestykker, ifølge en teori, trak sig sammen og dannede planeterne. Den anslåede alder på 4,6 milliarder år støttede disse antagelser.

Rubidium-strontium-metoden blev også anvendt med succes i forbindelse med det føromtalte klippestykke fra månen. Man undersøgte fem forskellige mineraler i klippestykket, og de viste alle — som ved kalium-argon-metoden — en alder på 3,3 milliarder år.a

Der er i nogle tilfælde nøje overensstemmelse mellem de aldre som hvert af disse geologiske „ure“ angiver — hvilket giver tillid til at aldersbestemmelserne højst sandsynligt er korrekte i disse tilfælde. Det bør imidlertid understreges at sådanne tilfælde viser hvilken grad af overensstemmelse det er muligt at opnå — under ideelle omstændigheder. Og omstændighederne er almindeligvis ikke ideelle. Der findes langt flere eksempler på tilfælde hvor resultaterne er modstridende.

Palæontologernes forsøg på at aldersbestemme fossiler

Palæontologerne har forsøgt at gentage den succes geologerne har haft med hensyn til at datere bjergarter som kun er få millioner år gamle. De mener at nogle af deres fossilfund hører til inden for dette tidsrum. Desværre fungerer kalium-argon-metoden ikke så godt i forbindelse med deres fund! Fossiler findes naturligvis ikke i vulkanske bjergarter men kun i sedimenter, for hvilke de radiometriske dateringsmetoder almindeligvis ikke giver pålidelige resultater.

Et eksempel på dette ses når fossiler er blevet begravet i et tykt lag af vulkansk aske der senere har antaget form af tuf. Det er egentlig et sedimentært lag, men det består af vulkansk stof der har antaget fast form i fri luft. Hvis man kan aldersbestemme dette lag vil man samtidig bestemme alderen på de fossiler det indeholder.

Man stod over for et forhold som dette i Olduvai-kløften i Tanzania, hvor fossiler af abelignende dyr tiltrak sig særlig opmærksomhed fordi forskerne hævdede at disse dyr var i slægt med mennesket. De første målinger af argon-indholdet i den vulkanske tuf hvori man fandt fossilerne, angav en alder på 1,75 millioner år. Men senere målinger foretaget på et andet kvalificeret laboratorium viste at fossilerne var en halv million år yngre. Det mest skuffende for evolutionisterne var at aldersbestemmelserne af over- og underliggende tuf-lag ikke stemte overens. I nogle tilfælde indeholdt det øverste lag mere argon end laget under. Men det passer ikke i geologisk sammenhæng — det øverste lag må være aflejret senere end det underste og skulle derfor indeholde mindre argon.

Man konkluderede at sedimentet må have indeholdt en vis mængde argon fra tidligere tider som ikke var fordampet fra den smeltede klippemasse. Tidsmåleren var ikke blevet nulstillet. Hvis blot én promille af det argon der tidligere var dannet ved henfald af kalium blev ladt tilbage i klippematerialet mens det smeltede i vulkanen, ville tidsmålingen begynde med en indbygget alder på omtrent en million år. Som en ekspert har udtrykt det: „Nogle af aldersbestemmelserne må være forkerte, og hvis nogle er forkerte er de det måske alle sammen.“

Uanset at visse eksperter betragter disse aldersbestemmelser som fuldstændig værdiløse, angives den oprindelige aldersbestemmelse på 1,75 millioner år for Olduvai-fossilerne fortsat i populærvidenskabelige tidsskrifter der støtter evolutionsteorien. Man undlader at oplyse lægfolk om at sådanne aldersbestemmelser i realiteten ikke er andet end gætteri.

[Fodnote]

[Tekstcitat på side 18]

Geologer der anvender uran-bly-metoden må tage sig i agt for en række fejlmuligheder

[Tekstcitat på side 20]

Man undlader at oplyse om at sådanne aldersbestemmelser ikke er andet end gætteri

[Grafisk fremstilling på side 19]

(Tekstens opstilling ses i den trykte publikation)

Mængden af uran aftager i samme grad som mængden af bly tiltager

100%

50%

25%

12,5%

Halveringstider 1 — 2 — 3

bly (argon)

uran (kalium)

[Diagram på side 18]

(Tekstens opstilling ses i den trykte publikation)

Uran

Bly

Hvor meget uran (eller bly) indeholdt dette klippestykke i begyndelsen?

Hvor meget uran (eller bly) er senere blevet optaget i klippestykket?

Hvor meget bly stammer fra henfald af thorium?