Aldursákvarðanir forsögulegra menja með aðferðum vísindanna

Geislavirkniklukkur mæla tímann í milljónum ára, en hve nákvæmlega mæla þær hann?

Þessi grein, og þær tvær sem á eftir fara, lýsa og leggja mat á hinar mismunandi aðferðir sem vísindamenn beita til að mæla aldur jarðlaga og leifar lifandi vera. Höfundur greinanna er kjarneðlisfræðingur sem á að baki áralanga starfsreynslu bæði við rannsóknir á sviði geislavirkni og notkun hennar í iðnaði.

„Merkur fornleifafundur í Sinkhole. Vísindamenn telja 10.000 ára gamlar menjar um mannavist í Florida á ísöld.“

„Elsti steinaldarkofi í Japan hefur verið grafinn upp nálægt Osaka. Fornleifafræðingar telja hann um 22.000 ára gamlan.“

„Fyrir um það bil milljón árum rann á um austurhluta Corona (Kaliforníu) og frumfílar, úlfaldar, hestar og kanínur voru meðal þeirra forsögulegu dýra sem vöndu komur sínar að árbakkanum.“

FULLYRÐINGARNAR hér að ofan, teknar úr nýlegum ritum, eru dæmigerðar fullyrðingar fornleifafræðinga og steingervingafræðinga sem segja frá nýjum uppgötvunum. Það fyrsta, sem menn vilja vita um nýjan fornleifafund, er hversu gamlar menjarnar séu. Vísindamaður, sem talar við fréttamann, er alltaf með svar á reiðum höndum, hvort sem það byggist á fyrirliggjandi gögnum eða hreinum ágiskunum.

Vaknar ekki stundum í huga þér sú spurning, þegar þú lest fréttir af þessu tagi, hvernig menn viti þetta? Hve öruggt er að menn hafi búið í Florida fyrir 10.000 árum og í Japan fyrir 22.000 árum, eða að frumfílar og úlfaldar hafi flakkað um Kaliforníu fyrir milljón árum?

Vísindin kunna nokkrar ólíkar aðferðir til að aldursgreina fornar menjar. Sumar eru öruggari en aðrar, en þó engar jafnöruggar og aldursákvörðun byggð á sögulegum heimildum. Skráðar heimildir ná þó í mesta lagi aðeins 6000 ár aftur í tímann. Þegar farið er lengra aftur í tímann höfum við ekkert til að byggja á nema aldursákvarðanir vísindanna.

Aldursgreining með hjálp geislavirkra efna

Af hinum ýmsum aðferðum vísindanna við aldursgreiningu eru geislavirkniklukkurnar taldar áreiðanlegastar. Þær byggja á sundrunarhraða geislavirkra efna. Sumar aðrar aldursgreiningaraðferðir byggjast á vissum breytingum efna, sem eru mishraðar eftir breytilegum umhverfisskilyrðum, svo sem hitastigi, en sundrunarhraði geislavirkra efna er óháður ytri skilyrðum.

Úran-blýklukkan

Við getum lýst þessu nánar með því að taka sem dæmi fyrstu geislavirkniklukkuna, sem fundin var upp, en hún byggist á kjarnasundrun úrans. Hægt er að reikna út sundrunarhraða geislavirks efnis með því að beita líkindareikningi. Það magn úrans, sem sundrast á hverri tímaeiningu, stendur alltaf í hlutfalli við það magn efnisins sem eftir er. Línuritið á blaðsíðu 12 lýsir þessu vel, en það sýnir hlutföll móðurefnis og dótturefnis á hverjum tíma. Sá tími sem það tekur ákveðið magn úrans að helmingast vegna kjarnasundrunar er nefndur helmingunartími þess. Helmingur þess efnis, sem þá er eftir, helmingast síðan á jafnlöngum tíma. Þá stendur eftir fjórðungur upprunalegs efnis. Þegar liðinn er þrefaldur helmingunartími stendur eftir einn áttundi og svo framvegis. Helmingunartími úrans er 4,5 milljarðar ára.

Þar eð úran breytist í blý við kjarnasundrun vex blýmagnið samtímis og úranmagnið minnkar. Samanlagt eru blýatómin og úranatómin alltaf jafnmörg og úranatómin voru í upphafi. Brotna línan á línuritinu sýnir hvernig blýið eykst um leið og úranið minnkar.

Setjum nú sem svo að við höfum í höndum bergsýni sem inniheldur úran en ekkert blý, og komum því fyrir í lokuðum umbúðum svo að ekkert komist út né inn. Einhvern tíma seinna tökum við sýnið fram og mælum hve mikið er af hvoru frumefni um sig. Við getum þá tilgreint hve lengi bergið hefur verið innilokað. Ef við finnum til dæmis jafnmikið magn blýs og úrans vitum við að liðinn er einn helmingunartími, það er að segja 4,5 milljarðar ára. Ef aðeins eitt prósent úransins hefur sundrast og breyst í blý getum við reiknað út að liðnar séu 65 milljónir ára.

Veittu því athygli að við þurfum ekki að vita hve mikið úran var í berginu í byrjun, því að okkur nægir að mæla hlutfall blýs og úrans við lok tímabilsins. Það er raunar heppilegt því að ekkert okkar gat skotist á vettvang til að mæla nokkurn skapaðan hlut við upphaf tilraunarinnar.

Þér kann að vera spurn hvaða gagn við höfum af klukku sem gengur svo hægt að hún dugir einungis til að mæla tugmilljónir eða milljarða ára. Þessi klukka segir okkur meðal annars að jörðin sjálf hafi verið til í nokkra ármilljarða, og til er berg sums staðar sem virðist hafa verið á sínum stað mestan hluta þess tíma. Jarðfræðingar hafa því mikil not af slíkri klukku við rannsóknir á sögu jarðarinnar.

Hve nákvæm er klukkan?

Við verðum að viðurkenna að aldursgreiningar eru ekki alveg jafneinfaldar og við höfum lýst þeim hér. Við gátum þess að ekkert blý mætti vera í berginu í byrjun. Venjulega er því öfugt farið; það er blý í berginu í byrjun. Það gefur berginu það sem kalla mætti innbyggðan aldur, líkt og að klukkan hafi ekki verið stillt á núll áður en hún var gangsett. Við gengum líka út frá því að úranið væri innilokað í berginu svo að ekkert slyppi burt eða kæmist inn. Stundum er það kannski þannig en ekki alltaf. Á löngum tíma getur hluti blýsins eða úransins lekið út í grunnvatnið. Hið gagnstæða gæti líka gerst, að meira úran eða blý kæmist inn í bergið, einkum ef um setberg er að ræða. Af þessum orsökum reynist úran-blýklukkan best til að mæla aldur storkubergs.

Það flækir málið enn frekar að annað frumefni, þóríum, sem líka getur verið í berginu, er einnig geislavirkt og breytist í blý á löngum tíma. Þar við bætist að til er önnur samsæta úrans — sama frumefni með ólíkan massa — sem sundrast með öðrum hraða en breytist líka í blý. Hvor samsæta úrans breytist í sitt hvora samsætu blýs, svo að okkur nægir ekki efnafræðingur með tilraunaglös til að mæla efnahlutföllin; við þurfum líka að leita hjálpar eðlisfræðings sem ræður yfir sérstökum búnaði til að henda reiður á hinum ýmsu samsætum efnanna.

Án þess að kafa dýpra í þessi vandamál má okkur ljóst vera að jarðfræðingar, sem nota úran-blýklukkuna til aldursgreininga, þurfa að gæta að ótalmörgu ef niðurstöður mælinganna eiga að vera sæmilega traustvekjandi. Þeir telja því verulegt öryggi í að ráða yfir öðrum geislunarmælingaaðferðum til að sannreyna aldursákvarðanir sínar. Tvær aðrar aðferðir hafa verið þróaðar sem oft má nota til að aldursgreina sama bergsýni.

Kalíum-argonklukkan

Sú aðferð, sem oftast hefur verið notuð, er kalíum-argon-aðferðin. Kalíum er algengara frumefni en úran. Samsætur þess eru aðallega tvær með massatölurnar 39 og 41, en þriðja samsætan, með massatöluna 40, er lítillega geislavirk. Við kjarnasundrun hennar verður meðal annars til argon, eðallofttegund sem er um einn af hundraði andrúmsloftsins. Helmingunartími kalíums með massatöluna 40 er 1,4 milljarðar ára. Það hentar því til aldursgreininga frá tugmilljónum upp í milljarða ára.

Ólíkt úrani er kalíum algengt efni í jarðskorpunni. Það er efnisþáttur fjölmargra steinefna í algengustu bergtegundum, bæði storku- og setbergi. Gangverk kalíum-argonklukkunnar er háð sömu skilyrðum og úran-blýklukkunnar — ekkert argon má vera í jarðefninu þegar klukkan er gangsett, það er að segja þegar jarðefnið verður til. Og kerfið þarf að vera lokað af meðan klukkan gengur, svo að hvorki kalíum né argon sleppi út né komi inn annars staðar frá.

Hve vel er þessari klukku treystandi? Stundum er hún mjög gangviss, stundum ekki. Stundum sýnir hún allt annan tíma en úran-blýklukkan. Yfirleitt gefur hún þá skemmri tíma sem þá er talið mega rekja til þess að argon hafi tapast. En stundum ber kalíum- og úrantímanum mjög vel saman.

Töluverða athygli vakti þegar kalíum-argonklukkan var notuð til að aldursgreina berg sem geimfararnir í Apollo 15. tóku með sér frá tunglinu. Vísindamenn mældu hlutfall kalíums og argons í þessu bergsýni og fengu þá út aldurinn 3,3 milljarðar ára.

Rúbidíum-strontíumklukkan

Ný mæliaðferð til að aldursgreina jarðefni var fundin upp ekki alls fyrir löngu. Hún er byggð á kjarnasundrun rúbidíums sem breytist í strontíum. Rúbidíum klofnar ótrúlega hægt. Helmingunartími þess er 50 milljarðar ára! Svo lítið magn efnisins hefur sundrast jafnvel í elstu berglögum að hárnákvæmar mælingar þarf til að greina það strontíum-87, sem til hefur orðið, frá hinu upprunalega strontíum. Verið getur hundraðfalt meira strontíum en rúbidíum í berginu, og jafnvel á milljón árum hefur lítið meira en 1 prósent hins upphaflega rúbidíums klofnað. Þrátt fyrir þetta hefur tekist í fáeinum tilvikum að mæla hið örlitla magn strontíums sem til hefur orðið við kjarnasundrun. Þessi klukka kemur að gagni við að sannreyna aldursgreiningar með öðrum aðferðum.

Skemmtilegt dæmi um notkun þessarar aðferðar var aldursgreining loftsteins sem stjarnfræðingar halda að geti líkst björgunum sem þeir ímynda sér að hafi þyrpst saman til að mynda reikistjörnurnar, leifar þess upprunalega efnis sem sólkerfið var myndað úr. Niðurstöðutalan, 4,6 milljarðar ára, kom heim og saman við þessa hugmynd.

Rúbidíum-strontíumklukkan virðist hafa sannað ágæti sitt við aldursgreiningu á tunglberginu sem nefnt var hér á undan. Mæld voru fimm mismunandi jarðefni í bergsýninu sem gáfu öll niðurstöðutöluna 3,3 milljarða ára, þá sömu og mælst hafði með kalíum-argonaðferðinni.a

Stundum ber niðurstöðutölum þessara þriggja geislavirkniklukkna mjög vel saman. Þá er aldursgreiningin líklega mjög nærri sanni. Þó ber að undirstrika að þessi dæmi sýna hvers konar samhljóðan er möguleg — en aðeins við hagstæðustu skilyrði. Og skilyrðin eru yfirleitt ekki hagstæð. Langtum fleiri dæmi mætti telja upp þar sem niðurstöður stangast á.

Steingervingafræðingar reyna að aldursgreina steingervinga

Steingervingafræðingar hafa reynt að feta í fótspor jarðfræðinga við að aldursgreina bergsýni sem eru aðeins nokkurra milljóna ára gömul. Þeir telja suma steingervinga í þeim aldurshópi. Því miður hefur kalíum-argonklukkan ekki reynst þeim sérlega vel! Auðvitað er steingervinga ekki að finna í storkubergi heldur aðeins í setlögum, og aldursgreiningum með geislunarmælingum er yfirleitt ekki treystandi þegar þau eiga í hlut.

Sem dæmi um þetta skulum við taka steingerving grafinn í djúpt gjóskulag sem ummyndast hefur í móberg. Hér er í raun um setlag að ræða, en það er myndað úr gosefnum sem hafa storknað uppi í loftinu. Sé hægt að aldursgreina þau ætti það að geta gefið til kynna aldur steingervinga sem í þau eru grafnir.

Slíkt dæmi kom upp í Olduvai-gilinu í Tanzaníu. Þar fundust steingervingar dýra lík mannapa sem vöktu sérstaka athygli fyrir það að finnendur fullyrtu að þeir tengdust þróun mannsins. Fyrstu mælingar á argoni í móberginu, sem steingervingarnir fundust í, gáfu meðalaldurinn 1,75 milljónir ára. Síðari mælingar annarrar rannsóknastofu gáfu hálfri milljón ára lægri tölu. Það olli þróunarfræðingum þó mestum vonbrigðum að aldri annarra móbergslaga, bæði efri og neðri, bar ekki saman. Stundum var meira argon í efra laginu en því neðra. Það er hins vegar þveröfugt við það sem vera á jarðfræðilega séð — efra lagið hlýtur að vera yngra en hið neðra og því ætti að mælast minna argon í því.

Niðurstaðan var sú að verið hefði argon fyrir í jarðefnunum sem spillti mælingum. Ekki hefði allt argon, sem áður var myndað, gufað upp úr bráðnu hraungrýtinu. Klukkan hafði ekki verið stillt á núll. Ef einungis einn tíundi úr prósenti þess argons, sem áður hafði myndast af kalíum, hefði verið eftir í berginu þegar það bráðnaði við eldvirknina, myndi það samsvara því að bergið væri nálega einnar milljón ára gamalt. Einn sérfræðingur orðaði það svo: „Sumar aldursákvarðanirnar hljóta að vera rangar, og ef sumar þeirra eru rangar eru þær kannski allar vitlausar.“

Enda þótt sérfræðingar haldi því fram að þessi aldursákvörðun kunni að vera marklaus tala vinsæl tímarit, sem aðhyllast þróunarkenninguna, stöðugt um Olduvai-steingervingana sem 1,75 milljóna ára gamla eins og þeir voru taldir í fyrstu. Þau gefa ólærðum lesanda enga aðvörun um að slík aldursgreining sé í rauninni hrein ágiskun.

[Neðanmáls]

[Innskot á blaðsíðu 11]

Jarðfræðingar, sem nota úran-blýklukkuna, þurfa að mörgu að gæta.

[Innskot á blaðsíðu 13]

Þeir gefa enga aðvörun um að slík aldursgreining sé hrein ágiskun.

[Skýringartafla á blaðsíðu 19]

(Sjá uppraðaðann texta í blaðinu)

Beint hlutfall er milli dvínandi úrans og vaxandi blýs.

100%

50%

25%

12,5%

Helmingunartími 1 2 3

blý (argon)

(kalíum) úran

[Skýringartafla á blaðsíðu 11]

(Sjá uppraðaðann texta í blaðinu)

Úran

Blý

Hve mikið úran (eða blý) var upphaflega í berginu?

Hve mikið úran (eða blý) síaðist inn í bergið síðar?

Hve mikið blý varð til við kjarnasundrun þóríums?