Med radioaktivitet som klokke

Daglig arbeider geologer ved universitetene i Norge med spørsmål som disse. Svarene er grunnleggende for geologenes forståelse av geologiske prosesser, for biologenes forståelse av evolusjon, og astronomenes forståelse av dannelsen av planeter og solsystemer. De forteller oss også noe om menneskets plass i verden og om vårt forhold til planeten vi bor på. Vi er nykommere på jorda! Det å bestemme alderen til geologiske gjenstander har derfor tidvis vært (og er til dels fortsatt) kontroversielt.

Med oppdagelsen av at radioaktive grunnstoffer etter hvert ble omdannet til radiogene (dvs. dannet fra radioaktiv nedbrytning) grunnstoffer skjønte forskerne at de hadde funnet en «geologisk klokke», et verktøy for å beregne alderen på både jorda og på forskjellige bergarter og mineraler.

Halveringstiden til et radioaktivt stoff bestemmes ved å måle hvor mye radiogent stoff som dannes fra en gitt mengde radioaktivt stoff over tid. For hver halveringstid forsvinner halvparten av det radioaktive stoffet, og tilsvarende mengde av det radiogene stoffet dannes. Med denne kunnskapen kan vi måle radioaktive og radiogene stoffer i mineraler i naturen for å finne deres alder. Ill.: Mattias Lundmark

Det gikk raskt å vise at nedbrytning av et radioaktivt grunnstoff skjer med en bestemt hastighet uansett hva som skjer i omgivelsene. For eksempel blir uran etter hvert brutt ned til bly. I 1911 publiserte Arthur Holmes (1890–1965) den første geologiske alderen ut fra presise målinger av uran og bly, en aldersbestemmelse av en nefelinsyenitt i Osloriften til 370 millioner år. Ettersom nefelinsyenitten var ansett å være av devonisk alder ble dette kontrollpunktet til perioden devon i Holmes første geologiske tidsskala som kom ut i 1913. De eldste aldrene i tidsskalaen strakk seg 1,5 milliarder år tilbake i tiden!

Den første geologiske tidsskalaen basert på radiometriske aldersbestemmelser (uran/bly-aldre til høyre). Fra Arthur Holmes’ The age of the Earth fra 1913 (s.157).

Det samme året som Holmes gav ut sin banebrytende tidsskala basert på radiometriske aldre, ble oppdagelsen av isotoper publisert. Alle atomer av et gitt grunnstoff inneholder samme antall protoner, men antallet nøytroner kan variere. Dette gir forskjellige isotoper av grunnstoffet, der noen isotoper kan være stabile og andre radioaktive. De radioaktive isotopene har forskjellige halveringstider, dvs. den tiden det tar for halvparten av det radioaktive stoffet å omdannes til andre grunnstoffer. Et mål som fortsatt er i bruk for radioaktivitet er curie etter Marie Curie (1867–1934) som gjorde banebrytende innsatser for vår forståelse av radioaktivitet og mottok to Nobelpriser for sitt arbeid, først i fysikk i 1903 og så i kjemi i 1911! I 1975 ble måleenheten curie offisielt erstattet med becquerel som mål på radioaktivitet.

Etter hvert ble det klart at uran bestod av to isotoper som brytes ned til to forskjellige bly-isotoper. Isotopen ²³⁸U omdannes til ²⁰⁶Pb med en halveringstid på ca. 4,5 milliarder år, og ²³⁵U omdannes til ²⁰⁷Pb med en halveringstid på ca. 700 millioner år. De tidlige radiometriske alderne måtte gjøres om. Det var ikke nok å måle konsentrasjonen av uran og bly, man ble nødt til å måle hver isotop for seg. Den gode nyheten var at uran inneholdt to «geologiske klokker», noe som gir enda bedre muligheter for radiometrisk datering. Med dette var grunnlaget for presise og korrekte geologiske aldersbestemmelser på plass. En mer umiddelbar følge av oppdagelsen av uranets isotoper var ulykkeligvis utviklingen av den første atombomben under andre verdenskrig.

Nedbryting av uran til bly er fortsatt et av de viktigste verktøyene for radiometriske dateringer, men i tillegg brukes mange andre systemer.

Mange ulike radioaktive isotoper kan brukes for aldersdateringer, derfor kan mange bergarter og mineraler også dateres med forskjellige metoder. Noen geologiske prosesser påvirker ett isotop-system, men ikke et annet, hvilket muliggjør datering av forskjellige geologiske hendelser fra en og samme bergart. Ill.: Mattias Lundmark

Systemene har forskjellige styrker og svakheter. Uran anrikes for eksempel i mineralet zirkon, som dannes når granittiske bergarter størkner eller omdannes ved høye temperaturer. Mange størk-ningsaldrer til granitter og omdanningsaldrer til lyse gneiser i det norske grunnfjellet er derfor fra måling av uran- og bly-isotoper i zirkoner. Kalium finner vi for eksempel i mørk og lys glimmer. Glimmer vokste i norske skifre under kollisjonen med Laurentia (Nord-Amerika), og måling av kalium og argon fra glimmeren daterer når innskyvingen av de kaledonske skyvedekkene fant sted.

Muskovitt er en lys glimmer som også kalles kråkesølv. Mineralet på bildet er ca. 15 cm langt og kommer fra pegmatitt på Spro, Nesodden. Den generelle kjemiske formelen er KAl₂(AlSi₃O₁₀)(OH)₂. Noe av kaliumet som tas opp når muskovitten dannes er radioaktivt 40K som etter hvert blir til ⁴⁰Ar. Rubidium-ionet likner på kalium-ionet i ladning og størrelse. Derfor vil noe rubidium tas opp i strukturen til muskovitten istedenfor kalium. En del av rubidiumet er ⁸⁷Rb som etter hvert blir til ⁸⁷Sr. Muskovitten kan derfor aldersbestemmes ved hjelp av to forskjellige systemer. Foto: Mattias Lundmark

Isotop-dateringer er i dag et standardverktøy i den geologiske verktøykassen, og flere universiteter i Norge har massespektrometere som blir brukt til aldersdateringer. Med moderne dateringsmetoder kan vi redusere usikkerheten i aldersbestemmelsene til promillenivå, som i aldersbestemmelsen i 2015 av vulkanske bergarter i Sibir i Russland til 251,904 ± 0,061 millioner år. Meget presise aldrer lar oss undersøke mulige korrelasjoner mellom forskjellige hendelser, som vulkanismen i Sibir og den største masseutryddelsen i jordas historie i overgangen fra perm til trias, et tema som det blir forsket på ved Universitetet i Oslo.

Forskjellige isotoper av et grunnstoff har de samme kjemiske egenskapene. For å skille dem fra hverandre, må vi måle den ørlille forskjellen i masse mellom isotopene som kommer av forskjellig antall nøytroner. Dette gjøres med svært presise instrumenter, massespektrometre. På bildet bruker stipendiaten Magnus Kristoffersen et massespektrometer ved Institutt for geofag i Oslo. Foto: Mattias Lundmark

Gjennom å tallfeste geologiske hendelser får vi en bedre forståelse for jordas historie, og bedre muligheter til å utforske prosessene som virker i og på jorda. Den geologiske tidsskalaen er et resultat av nær 100 års arbeid med radiometriske dateringer. Den representerer en fantastisk vitenskapelig prestasjon, og er etterkommer i rett nedstigende linje av Arthur Holmes’ arbeid fra 1913. Fortsatt forandres og forbedres aldrene på tidsskalaen, men forandringene blir mer og mer marginale etter hvert.

Hva med jordas alder da? De eldste mineralene vi kjenner alderen til, er zirkoner fra Jack Hills i Australia. De er ca. 4,4 milliarder år gamle! For å finne materiale helt fra jordas og solsystemets dannelse må vi bruke radiometriske dateringer av meteoritter – disse gir en alder på 4,54 milliarder år!

Og nefelinsyenitten til Arthur Holmes? Den ble dannet sammen med larvikittene i Osloriften for knapt 300 millioner år siden.

Siste versjon av Internasjonal kronostratigrafisk tabell er tilgjengelig på www.stratigraphy.org.