Kaip mokslininkai nustato Žemės uolienų amžių?

Vakare ant stalo padėtas akmuo atrodo visiškai nejudrus ir nebylus. Jis nieko nepasako apie tai, ar susiformavo prieš kelis tūkstančius, ar prieš kelis milijardus metų. Tačiau geologui tokia uoliena – ne tuščias akmuo, o savotiškas archyvas, kuriame išlikę Žemės istorijos pėdsakai. Tereikia mokėti juos perskaityti.

Pirmiausia nustatoma uolienos vieta Žemės istorijoje

Dar prieš atliekant sudėtingus laboratorinius tyrimus mokslininkai vertina, kaip uoliena išsidėsčiusi tarp kitų sluoksnių. Šis būdas vadinamas santykiniu datavimu. Jo principas paprastas: jei vienas nepažeistas uolienų sluoksnis yra virš kito, viršutinis paprastai susidarė vėliau.

Tokie stebėjimai ypač svarbūs tiriant nuosėdines uolienas. Upės, vėjas, ledynai ir jūros per ilgą laiką sluoksnis po sluoksnio klodavo smėlį, molį, žvyrą ar organines liekanas. Kiekvienas sluoksnis išsaugo tam tikro laikotarpio aplinkos pėdsakus. Jei viename jų randama konkrečiam geologiniam laikotarpiui būdingų fosilijų, mokslininkai gali palyginti šį sluoksnį su panašiais radiniais kitose vietovėse.

Santykinis datavimas ne visada pateikia tikslų skaičių, tačiau padeda nustatyti įvykių seką. Pavyzdžiui, galima išsiaiškinti, kuri uoliena susidarė anksčiau, o kuri vėliau, net jei nė vienos jų amžius dar nėra žinomas. Tai tarsi istorijos dėlionė: pirmiausia sudedama įvykių tvarka, o tik tada ieškoma tikslesnių datų.

Radioaktyvieji izotopai veikia kaip gamtinis laikrodis

Tikslų uolienos amžių dažniausiai padeda nustatyti radiometrinis datavimas. Jo pagrindas – radioaktyviųjų izotopų skilimas. Kai kurių cheminių elementų atomų branduoliai yra nestabilūs ir laikui bėgant virsta kitų elementų atomais. Šis procesas vyksta pastoviu greičiu, nepriklausomai nuo temperatūros, slėgio ar to, ar mėginys laikomas laboratorijoje, ar giliai Žemės plutoje.

Svarbiausia sąvoka čia – pusėjimo trukmė. Tai laikas, per kurį suyra pusė konkretaus radioaktyviojo izotopo kiekio. Jei pradžioje mėginyje buvo daug pradinio izotopo, po vieno pusėjimo laikotarpio liks pusė jo, po dviejų – ketvirtadalis, po trijų – aštuntadalis. Išmatuodami, kiek pradinio izotopo liko ir kiek susidarė jo skilimo produktų, mokslininkai gali apskaičiuoti, kiek laiko praėjo nuo tam tikro geologinio įvykio.

Svarbu tai, kad dažnai datuojama ne pati uoliena apskritai, o jos mineralai. Kristalizuojantis mineralui, kai kurie elementai patenka į jo kristalinę gardelę, o vėliau joje lieka tarsi užrakinti. Jeigu sistema išlieka uždara, joje sukaupti izotopiniai duomenys leidžia gana tiksliai nustatyti kristalo susidarymo laiką.

Skirtingoms uolienoms taikomi skirtingi metodai

Vienas plačiausiai naudojamų būdų – urano ir švino datavimas. Ypač tinkami cirkono kristalai, randami daugelyje magminių uolienų. Cirkonas susidarydamas lengvai įtraukia uraną, tačiau beveik neįtraukia švino. Vėliau uranas palaipsniui skyla į šviną, todėl pagal abiejų elementų santykį galima nustatyti kristalo amžių.

Šis metodas leidžia datuoti uolienas, kurioms yra milijonai ar net milijardai metų. Būtent taip nustatyta, kad seniausi Žemės mineralai susiformavo daugiau kaip prieš keturis milijardus metų. Panašūs tyrimai padėjo apskaičiuoti ir pačios Žemės amžių – maždaug 4,54 milijardo metų.

Kitais atvejais naudojamos kalio ir argono, rubidžio ir stroncio, samario ir neodimio izotopinės poros. Kiekvienas metodas turi savą pritaikymo sritį. Vieni tinkamesni labai senoms magminėms uolienoms, kiti – mineralams, patyrusiems vėlesnius geologinius pokyčius.

Anglies-14 metodas visuomenėje gerai žinomas, tačiau uolienoms jis dažniausiai netinka. Anglis-14 skyla palyginti greitai, todėl šiuo metodu galima datuoti daugiausia keliasdešimties tūkstančių metų senumo organines liekanas – medieną, kaulus, durpes. Akmens amžiui ar senesniems geologiniams sluoksniams reikia kitų izotopų, kurių pusėjimo trukmė daug ilgesnė.

Kodėl vieno matavimo ne visada pakanka

Uoliena per savo gyvenimą gali būti įkaitinta, suslėgta, suskaldyta ar paveikta karštų skysčių. Tokie procesai kartais pakeičia mineralų cheminę sudėtį ir „perstato“ izotopinį laikrodį. Todėl gautas skaičius ne visuomet rodo pačią pirmąją uolienos susidarymo akimirką. Kai kuriais atvejais jis atspindi vėlesnį kaitinimą ar metamorfizmą.

Dėl to laboratorijose tiriami keli mineralai, keli tos pačios uolienos mėginiai arba naudojami skirtingi datavimo metodai. Rezultatai lyginami su uolienų sluoksnių seka, fosilijomis, vulkaninių pelenų sluoksniais ir kitais geologiniais duomenimis. Jei nepriklausomi metodai pateikia panašų rezultatą, pasitikėjimas nustatytu amžiumi gerokai padidėja.

Mokslininkai taip pat tikrina, ar mėginys nebuvo užterštas ir ar tyrimo metu nebuvo prarasta dalis pradinio izotopo arba skilimo produkto. Šiuolaikinės laboratorijos gali analizuoti nepaprastai mažus medžiagos kiekius, tačiau tikslumas priklauso ne vien nuo prietaisų. Ne mažiau svarbu tinkamai pasirinkti mėginį ir suprasti jo geologinę istoriją.

Todėl uolienos amžius nėra spėjimas, paremtas vien jos išvaizda. Tai kruopščiai tikrinamas skaičius, gimstantis iš mineralų, izotopų, sluoksnių ir daugybės tarpusavyje susijusių įrodymų. Akmuo, kuris žmogaus akiai atrodo nekintantis, iš tiesų saugo laiką – tik ne laikrodžio rodyklėmis, o atomų virsmu.