Radiometrinis datavimas: kaip veikia, metodai ir taikymai

Radiometrinis datavimas: sužinokite, kaip veikia, pagrindiniai metodai (radiokarbonas, kalis-argonas, uranas-švinas) ir taikymai geologijoje bei archeologijoje.

Radiometrinis datavimas (dažnai vadinamas radioaktyviuoju datavimu) - tai būdas nustatyti, kiek kam yra metų. Taikant šį metodą lyginamas natūraliai gamtoje esančio radioaktyvaus izotopo ir jo skilimo produktų kiekis mėginiuose. Taikant šį metodą naudojami žinomi skilimo greičiai. Tai dažniausiai naudojamas geochronologijos metodas, pagrindinis būdas sužinoti uolienų ir kitų geologinių elementų, įskaitant pačios Žemės amžių, amžių.

Jis naudojamas daugelio rūšių gamtinėms ir dirbtinėms medžiagoms datuoti. Fosilijos gali būti datuojamos paėmus uolienų mėginius iš aukščiau ir žemiau pirminės fosilijos vietos. Radiometrinis datavimas taip pat naudojamas archeologinėms medžiagoms, įskaitant senovinius artefaktus, datuoti.

Geologiniam laikui nustatyti naudojami radiometriniai datavimo metodai. Vieni iš žinomiausių metodų yra radiokarbono datavimas, kalio-argono datavimas ir urano-švino datavimas.

Kaip veikia radiometrinis datavimas

Radiometrinis datavimas remiasi radioaktyviųjų elementų savybe spontaniškai ir prognozuojamai skilti į kitus elementus. Kiekvienam radioaktyviajam izotopui būdingas tam tikras pusperiodis (angl. half-life) — laikas, per kurį suskyla pusė pradinio izotopo kiekio. Matavus pradinio izotopo ir skilimo produktų santykį bei žinant pusperiodį, galima apskaičiuoti, kiek laiko praėjo nuo momento, kai sistema tapo uždara (t. y. nuo tada, kai neliko reikšmingos izotopų apykaitos su aplinka).

Dažniausiai naudojami metodai ir jų taikymo sritys

• Radiokarbono datavimas (14C) — skiriamas organinei medžiagai (mediena, anglis, kaulai, audiniai). Tinka iki ~50 000 metų. Reikalauja kalibracijos naudojant dendrochronologiją ir kitus metodus, nes atmosferinis 14C kiekis kito per laiką.
• Kalio-argono (K–Ar) ir argono-argono (Ar–Ar) metodai — taikomi uolienoms ir vulkaniniams nuosėdiniams sluoksniams, ypač naudingi datuojant milijonus arba šimtus milijonų metų senumo įvykius.
• Urano-švino (U–Pb) datavimas — vienas tiksliausių ir plačiausiai naudojamų metodų, ypač datuojant zirkonų kristalus. Tinka seniausiems Žemės akmenims ir meteoritams (milijardai metų).
• Samariu-neodimio (Sm–Nd), rubidžio-stroncio (Rb–Sr), radiogeninės izotopų eilės — plačiai naudojami geologijoje, ypač tyrinėjant uolienų kilmę ir izotopines evoliucijas.
• Fisioninių takų, termoliuminescencijos ir optiškai stimuliuojamos luminescencijos (TL/OSL) — nors tai ne visada tiesiogiai radiometriniai izotopų metodai, jie naudojami datuoti mineralus ir dirvožemio sluoksnius remiantis radioaktyvių procesų paliktomis pėdomis arba spinduliuotei įkrautomis kristalinėmis medžiagomis.

Pagrindinės prielaidos ir ribotumai

Radiometrinis datavimas grindžiamas keliomis svarbiomis prielaidomis:

• Uždaroji sistema: per datavimo laikotarpį mėginys nebendradarbiauja su aplinka (nėra pritekėjimo ar ištekėjimo reikšmingų kiekių tiriamųjų izotopų).
• Žinomas pradinio izotopo kiekis: kai kuriais atvejais reikia žinoti arba apskaičiuoti, kiek buvo pradinių izotopų.
• Pusperiodio pastovumas: daroma prielaida, kad skilimo greitis nepasikeitė per geologinį laiką.

Praktikoje šios prielaidos gali būti pažeistos dėl kontaminacijos, izotopų migracijos, rezervuaro efektų (pvz., jūros organizmams 14C aktyvumas gali skirtis nuo atmosferinio) arba netinkamo mėginio pasirinkimo. Todėl rezultatai dažnai yra patikrinami naudojant kelis metodus ir stratigrafines nuorodas.

Mėginių ėmimas, paruošimas ir tikslumas

Teisingas mėginių ėmimas ir laboratorinis paruošimas yra esminiai tiksliam datavimui. Dažnai atliekami cheminiai išvalymai, izoliacija specifinių mineralų (pvz., zirkonų U–Pb metodo atveju) ir kelios nepriklausomos analizės. Radiometrinių amžių rezultatai pateikiami su neapibrėžtumo intervalais (pvz., ± % arba ± metų), kurie priklauso nuo metodo, mėginio ir instrumentinių sąlygų.

Praktiniai taikymai

• Geologija: uolienų amžiaus nustatymas, tektoninių įvykių chronologija, magminių procesų laiko nustatymas.
• Paleontologija: fosilijų amžiaus ribų nustatymas per datavimą šalia esančių sluoksnių.
• Archeologija: organinių radinių, pavyzdžiui, medienos, odos, kaulų, datavimas (ypač radiokarbonu).
• Paleoklimatologija: ledo gręžinių, sluoksniuotų nuosėdų ir koralų datavimas, leidžiantis rekonstruoti praeities klimato pokyčius.
• Planetologija: meteoritų ir Mėnulio uolienų datavimas, padedantis nustatyti Saulės sistemos amžių ir evoliuciją.

Kaip interpretuoti radiometrinius rezultatus

Vienas svarbiausių principų — naudoti kelis nepriklausomus datavimo metodus, kai įmanoma, ir sulyginti rezultatus su stratigrafija bei kitomis geocheminėmis ar biologinėmis nuorodomis. Dėl kalibracijos poreikio radiokarbono datavimai dažnai koreguojami pagal dendrochronologines ir kitų archyvų kalibracines kreives. Svarbu atkreipti dėmesį į pateiktus klaidų intervalus ir į bet kokius prielaidos pažeidimus, nurodytus tyrimo metodikoje.

Išvados ir geriausios praktikos

Radiometrinis datavimas yra galingas įrankis, leidžiantis nustatyti įvykių ir procesų laiką nuo kelių dešimčių tūkstančių iki kelių milijardų metų. Tačiau patikimi rezultatai reikalauja tinkamo mėginių ėmimo, supratimo apie metodo ribotumus, kryžminio patikrinimo su kitais metodais ir kruopščios interpretacijos. Atliekant tyrimus, dažnai rekomenduojama:

• naudoti tinkamą metodą pagal amžiaus intervalą ir medžiagos tipą,
• tikrinti mėginių uždarumą ir galimą kontaminaciją,
• taikyti kelis nepriklausomus datavimo metodus, kai tai įmanoma,
• atkreipti dėmesį į kalibracijos ir rezervuaro efektus.

Laikantis šių principų, radiometrinis datavimas išlieka pagrindiniu būdu suprasti Žemės, gyvenimo bei žmonijos praeitį.

Radioaktyvusis skilimas

Visą įprastą medžiagą sudaro cheminių elementų deriniai, kurių kiekvienas turi savo atominį numerį, nurodantį protonų skaičių atomo branduolyje. Egzistuoja įvairių izotopų, kurių kiekvienas skiriasi neutronų skaičiumi branduolyje. Konkretus tam tikro elemento izotopas vadinamas nuklidu. Kai kurie nuklidai yra natūraliai nestabilūs. Tai reiškia, kad tam tikru metu tokio nuklido atomas radioaktyvaus skilimo būdu savaime virsta kitu nuklidu. Skilimas gali vykti išspinduliuojant daleles (dažniausiai elektronus (beta skilimas), pozitronus arba alfa daleles) arba savaiminio branduolių dalijimosi ir elektronų pagavimo būdu.

Amžiaus lygtis

Matematinė išraiška, siejanti radioaktyvųjį skilimą su geologiniu laiku, yra tokia:

D = D ₀+ N(e^λt - 1)

kur

t - imties amžius,

D - dukterinio izotopo atomų skaičius mėginyje,

D₀ - dukterinio izotopo atomų skaičius pradinėje sudėtyje,

N - pradinio izotopo atomų skaičius bandinyje, ir

λ yra pradinio izotopo skilimo konstanta, lygi atvirkštinei pradinio izotopo radioaktyviojo pusėjimo trukmei, padaugintai iš natūraliojo logaritmo 2.

Šioje lygtyje naudojama informacija apie pirminius ir antrinius izotopus tuo metu, kai medžiaga sukietėjo. Tai gerai žinoma daugumai izotopinių sistemų. Norint amžiaus lygtį išspręsti grafiškai, naudojamas izochrono (tiesiaeigio grafiko) braižymas. Jis parodo mėginio amžių ir pradinę sudėtį.

Samario ir neodimio (Sm/Nd) izochronų diagrama pavyzdžiams iš Didžiojo pylimo, Zimbabvė. Amžius apskaičiuojamas pagal izochrono nuolydį (liniją), o pradinė sudėtis - pagal izochrono susikirtimą su y ašimi.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra radiometrinis datavimas?

K: Kokie yra medžiagų, kurias galima datuoti radiometriniu datavimu, pavyzdžiai?

K: Kaip veikia radiokarbono datavimas?

K: Kokie yra kai kurie įprasti radiometrinio datavimo metodai?

K: Kaip radiometrinis datavimas naudojamas geologinei laiko skalei nustatyti?

K: Ar galima naudoti radiometrinius duomenis gyviems organizmams?

Paieška pagal raidę