GEOLOGIJA

Dr Gordana Jovanović

Radiometrijsko datiranje

Koliko je stara ova stena?

Pre nego što je otkrio energiju, čovek je za rad hiljadama godina koristio energiju sopstvenih mišića. Da bi život učinio kvalitetnijim, danas više nego ikada koristi razne vidove energije. Nuklearna energija ima veliku primenu u mirnodopske svrhe, mada u realnom životu postoje brojne opasnosti vezane za nju. Kao deo prirodnog procesa, izvesna količina radioaktvinosti se nalazi svuda oko nas, u svakom predmetu koji nas okružuje i svim živim bićima. Radioaktivni elementi koji su ugrađeni u Zemlju potiču još iz vremena nastanka Sunčevog sistema. Oni se neprestano razgrađuju, odnosno radioaktivno raspadaju, dajući pri tom druge elemente.

Sa nastankom geološke nauke započete su česte rasprave o starosti naše planete, koje traju i danas. Među naučnicima su se naročito isticali Charles Liell, Charles Darvin, Villiam Thomson, Thomas Huklei i dr. Kada je Bekerel 1896. otkrio radioaktivna svojstava uranijuma, nove metode su dokazale da je Zemlja starija nego što se ranije mislilo, približno 4,6 milijardi godina. Otkrivanjem radioaktivnosti, pre nekoliko decenija počelo se sa preciznijim određivanjem starosti stena, a postalo nam je i jasnije kada su počela ili se završila pojedina geološka razdoblja. Za paleozojsku eru, na primer, možemo reči da je počela pre 541 miliona godina, dok je era kenozoik počela pre 66 miliona godina. Takođe, radiometrijsko datiranje je pokazalo da prekambrijum zauzima najveći deo geološkog vremena (87%). Ovo su samo neki od primera gde su naučnici uspeli da definišu događaje iz geološke prošlosti Zemlje, koristeći kombinaciju podataka dobijenih radiometrijskim merenjem sa podacima dobijenim drugim metodama (stratigarfska korelacija, princip superpozicije i indeks fosili).
Starost stena može biti relativna (indirektna) i apsolutna (starost stena izražena u godinama). Indeks fosili i princip superpozicije - neporemećen sled sedimentnih i/ili izlivnih vulkanskih stena, gde se najstarije nalaze na dnu a najmlađe na vrhu, mogu nam reći relativnu starost stena, tj. pokazati koje su starije a koje mlađe. Međutim, geolozima to nije dovoljno,već su im potrebne i druge vrste dokaza za određivanje apsolutne starosti, što je zasnovano na radioaktivnom raspadu izotopa. Radioaktivno dаtiranje је metod datiranja stena i minerala korišćenjem radioaktivnih izotopa koji mogu biti nestabilni tj. radioaktivni i stabilni. U upotrebi je veći broj metoda radioaktivnog datitranja. Koncentracije nekoliko radioaktivnih izotopa kao što su: ugljenik-14, kalijum-40, uran-235 i -238 i njihovi proizvodi (u upotrebi su često termini roditelji i “ćerke”, tj. “ćerke proizvodi”), pogodni su za određivanje starosti stena i nekih fosila.

Zemlja nam priča

Radioaktivni elementi su ugrađeni u Zemlju i potiču iz vremena nastanka Sunčevog sistema. Oni se neprestano razgrađuju, odnosno radioaktivno raspadaju, dajući druge elemente. Pri tome se otpuštaju nevidljivi zraci (alfa, beta i gama) koji imaju različitu prodornost i brzinu. Na ovaj prirodni proces se ne može uticati, ne može se ni ubrzati ni usporiti.

Stene se sastoje od jednog ili više minerala, а svaki od njih sadrži nekoliko hemijskih elementa kao što su: gvožđe, magnezijum, ugljenik i dr. Minerali mogu da sadrže i male količine radioaktivnih elemenata koji su nestabilni i spontano se vremenom raspadaju u stabilnije atome. Atomi s istim brojem protona u jezgru i različitim brojem neutrona nazivaju se izotopi. Većina atoma ima stabilne i radioaktivne izotope. Raspadom radioaktivnih izotopa, nastaju njihova nova jezgra (potomci ili ćerke proizvodi), prema unapred predviđenoj stopi raspada, a pri tom se oslobađa energija. Način na koji se ovaj proces odvija, tj, pomoću koga se "roditeljski" izotop menja u izotope "ćerke", koristi se kao sredstvo za određivanje apsolutne starosti stena.Stope radioaktivnog raspada su konstantne i merene su u terminima poluvremena - vreme koje je potrebno da se pola roditeljskog izotopa raspadne u stabilne izotope ćerke, tj. početni broja atoma nekog radioaktivnog elementa smanji za polovinu. Poluvreme ili poluživot ovih izotopa i odnos roditelja-kćerka u datom uzorku kamena se može izmeriti, i zatim i dgovarajućim proračunima dobiti apsolutni (radiometrijski) datum kada je roditelj počeo da se raspada, tj. starost stene. Pošto postoje velike razlike u dužini perioda poluraspada između pojedinih izotopa, od posebne važnosti je proveriti da li je odabrani uzorak pogodan za odredbu starosti, pošto na neki način može biti kontaminiran. Radi što preciznijeg datiranja, na jednom istom uzorku se koristi više različitih metoda, a potom upoređuju rezultati.

Satovi u stenama

Poslednjih nekoliko decenija, geolozi koriste radioaktivne elemente kao Zemljine prirodne "satove" za određivanje numeričke starosti određenih vrsta stena. To su elementi čijim raspadanjem vremenom nastaju drugi elementi, a mogu poslužiti kao satovi jer im je za raspadanje potrebno uvek isto vreme. Ovi satovi se ne mogu ni čuti ni videti, čak ni pod mikroskopom, oni zapravo ni vreme ne pokazuju. Međutim, koristeći laboratorijsku opremu i matematičke formule, oni mogu pomoći da geolozi sagledaju pre koliko vremena je stena formirana. Najpodesnije su magmatske stene koje su nekad bile usijane a kasnije su se ohladile; radioaktivni atomi su ostali zarobljeni unutra, da bi se kasnije raspadali sa predvidljivom stopom. Radioaktivna metoda topljenjem stena postavlja “sat“ za odredbu starosti na nulu. Sat počinje da kuca kada su radioaktivni elementi “uhvaćeni” u novo kristalisanom mineralu - vreme u kojem dolazi do raspada radioaktivnog elementa je poznato. Izračunava se pre koliko vremena je kristalisao mineral dobijen ovom metodom i pokazuje vreme koje je proteklo od hlađenja stene pa do danas.
Sedimentne stene mogu imati radioaktivne elemente, ali su oni pretaloženi iz drugih stena, što znači da se radiometrijski sat ne može postaviti na nulu. Za primer se može uzeti jedan od izotopa kalijuma, kalijum -40 koji је radioaktivan i raspada se u dva različita elementa ćerke (kalijum -40 u argon 40) u odnosu 11,2% prema 88,8%. Argon je gas koji može da “pobegne “iz stene dok je u rastopljenom stanju, i tek nakon očvršćavanja stene može ostati “zarobljen” u njoj. Taj trenutak se može uzeti kao početak otkucavanja kalijum-argonskog sata.

Vulkanski pepeo i njegova moć

Jezgra atoma radioaktivnih elemenata sadrže veliki broj protona i neutrona, zbog čega nuklearne sile ne uspevaju da zadrže njihovu stabilnost. Posledica nestabilnosti ovih jezgara je da se počnu sama raspadati, emitujući pri tom alfa, beta i gama zračenja. Emitovanjem alfa i beta zraka, jezgra atoma se menjaju, pri čemu nastaju novi atomi sa manjim rednim i masenim brojem. Alfa i beta zračenje imaju tako malo energije da ne oštećuju minerale, za razliku od gama zračenja koja ima dovoljno energije da ošteti minerale.
Radioaktivno dаtiranje је korisna metoda za proučavanje mаgmatskih i metamorfnih stena koje ne mogu biti datirane metodom stratigrafske korelacije - metodom pogodnom za sedimentne stene. Magmatske stene su najpogodnije za određivanje starosti radiometrijskom metodom zato što imaju najmanju mogućnost gubitka novonastalih elemenata (“ćerki elemenata”). Za odredbu starosti sedimentnih stena, mogu se iskoristiti neki podaci otkriveni na geološkom lokalitetu, ako su na primer u njima utisnute “žice” neke magmatske stene ili kada u sedimentnim stenama sa fosilima pronađemo i proslojke vulkanskog pepela. Vulkanski pepeo koji se formira tokom vulkanskih erupcija može se, u vidu tanjih slojeva, deponovati u sedimentnim stenama; daje najčešće podatke za datiranje sedimentnih stena. Na osnovu fosila i odnosa primarnog radioaktivnog minerala i potomaka - ćerki proizvoda, možemo saznati stvarnu starost kada su deponovane čestice u sedimenetima. Ako se, na primer, deset metara ispod i iznad sloja sa fosilima nalaze slojevi sa vulkanskim pepelom (tuf) radioaktivnom metodom možemo odrediti starost slojeva sa tufom i zaključiti da su fosili živeli u vreme između ove dve starosti koje pokazuje nekadašnji vulkanski pepeo.

Od azota do uranijuma

Dužina poluvremena raspada je jedinstvena za svaki radioaktivni izotop. Na primer, poluvreme raspadanja atoma kalijuma - 40 u atome argona - 40 je oko 1,3 milijarde godina, a poluvreme za raspad uranijuma - 238 u olovo - 206 je oko 4,5 milijardi godina, dok poluvreme raspada ugljenika - 14 u azot - 14 iznosi 5730 godina. Kad je poznata brzina raspadanja radioaktivne supstance, starost uzorka se može odrediti iz relativnih proporcija preostalog radioaktivnog materijala i proizvoda njegovog raspada. Pošto se definiše brzina radioaktivnog raspada u poluvremenu, to bi na radioaktivnom izotopu koji, na primer, ima vreme poluraspada od 5.000 godina, značilo da će posle 5.000 godina tačno polovina biti raspadnuta iz roditeljskog izotopa u izotope ćerke. Nakon još 5.000 godina, polovina ostatka izotopa će se raspasti.
Metoda ugljenik C-14 je najpoznatija metoda, ali se ne može primenjivati za datiranje starijih stena. Ugljenik -14 se koristi samo za datiranje objekata mlađih od 50.000 godina (biljaka, životinjskih ostataka, ljudskih artefakata). Živi organizmi uzimaju ugljenik-12 i ugljenik-14 iz okoline u relativno istom odnosu. Posle smrti, organizam prestaje da uzima ugljenik, a ukupna količina ugljenika-14 polako nestaje. Merenjem količine ugljenika-14 u odnosu na ugljenik-12, može se dobiti pre koliko vremena je nastupila smrt. Ugljenik-14 ima kratko poluvreme raspadanja i iznosi 5730 godina, zbog čega se koristi samo za mlađe organizme, a geolozi uglavnom proučavaju starije stene. Za to su im potrebni elementi sa dužim poluvremenom raspada. Na primer, poluvreme za raspad uranijuma-238 u olovo-206 je oko 4,5 milijardi godina, za kalijum-40 koji se raspada na argon i-40, poluvreme raspada izmosi 1,26 milijardi godina.
Američki hemičar Bertram Boltvod je 1907. pokazao da može odrediti starost stene koja sadrži uranijum-238 koji prelazi u olovo-206, kao krajnji stabilan proizvod. Proučavanjem stena sa uranijumom-238 može se odrediti starost stena merenjem preostale količine uranijuma-238 i relativne količine olova-206. Što stena sadrži više olova, to je starija. Dug period poluraspada urana-238 omogućava da se pronađu samo najstarije stene, ali metoda nije pouzdana za stene koje su mlađe od 10 miliona godina zbog toga što se samo malo uranijuma može raspasti u tom vremenskom periodu. Pored toga, uranijum se retko nalazi u sedimentnim ili metamorfnim stenama, a nije pronađen ni u svim magmatskim stenama.

Procesi tokom kojih se oslobađa energija

Mnogi od nas ne samo da žele da znaju ne samo koliko su stare neke stene ili fosili, već i kako je to tako precizno određeno i izraženo u godinama, ili kako na pr. znamo koliko jr dugo živela određena grupa fosilizovanih organizama. U geološkoj nauci postoje vrlo jasni principi i metode koji omogućavaju bolje upoznavanje i razumevanje planete na kojoj živimo. Neke prirodne procese kojima se oslobađa se energija, kao što je radioaktivni raspad izotopa, geolozi su iskoristili za proučavanje istorije naše planete. Korišćenje uporedo različitih metoda, tokom poslednjih nekoliko decenija, doprinelo je da se geologija u javnosti posmatra kao egzaktna nauka koja se dokazuje u praksi. I ako se postavlja pitanje: kako su izmereni periodi poluraspada, naročito onih koji pokazuju milione i milijarde godina ili kako znamo da je je brzina radioaktivnog raspada bila ista tokom vremena, metode radioaktivnog raspada su sve više u upotrebi prilikom datiranja stena.

Iako nije jednostavno razumeti kako su izmereni brzina svetlosti i rastojanja nebeskih tela i kako su objašnjene mnoge prirodne pojave kojih čovek donedavno nije bio svestan, geolozi smatraju da se stopa raspada nije menjala za vreme kada preciznija merenja nisu bila moguća. Ali, kada je poznata brzina raspadanja radioaktivne supstance, starost uzorka se može odrediti merenjem broja atoma elementa ćerke i roditeljskog elementa u uzorku koji je originalno sadržavao samo roditeljski element. Početkom 20. veka, učinjeni su prvi pokušaji da se radioaktivno datiranje upotrebi za određivanje starosti stena; koraci na tom polju su bili dosta spori, sve do četrdesetih godina prošlog veka. Zadnjih nekoliko decenija, obavljena su brojna merenja vremena poluraspada različitih elemenata, a same metode merenja su neprestano usavršavane.
Metode radiometrijskog datiranja se primenjuju ne samo pri odredbama starosti stena i fosila na Zemlji već i za proučavanje Meseca, meteorita, starosti mineralnih naslaga, vremena glacijacija i dr., što znači da se koriste u mnogim naučnim oblastima kao što su: geologija, arheologija, paleoklimatologija, atmosferske nauke, okeanografija, hidrologija i biomedicina. Pored procene starosti prirodnih, ove metode su našle primenu i kod proučavanja umetničkih predmeta, a naročito su zapažene kod predmeta koji izazivaju veliku pažnju javnosti kao što su egipatske grobnice, drevni rukopisi i dr.

Dr Gordana Jovanović

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"