Radioaktiivisista ajoitusmenetelmistä

 

 

Radioaktiivisten alkuaineiden kuten uraanin, kaliumin ja strontiumin puoliintumisaikoihin perustuvat ajoitusmenetelmät näyttävät osoittavan, että elämää olisi esiintynyt maan päällä satoja miljoonia, jopa miljardeja vuosia. Näiden menetelmien - joita on useita erilaisia - kerrotaan antavan tarkkoja tuloksia vain muutaman prosentin virhemarginaalilla, ja poikkeavia mittaustuloksia sanotaan olevan vain muutaman prosentin verran. Tämä antaa vaikutelman, että muutamaa prosenttia lukuunottamatta radiometriset ajoitukset vahvistavat kallioiden oletetut pitkät iät ja että eri menetelmät antavat lähes aina toisiaan tukevia tuloksia. Koska niissä ei näytä olevan systemaattisia virheitä, ei siis näyttäisi olevan syytä epäillä niiden luotettavuuttakaan.

Tarkempi asiaan perehtyminen johtaa kuitenkin epäilemään, että näiden menetelmien näennäiset tarkkuudet saattavatkin johtua mittaustulosten väärästä tulkinnasta. Toisaalta joutuu toteamaan, etteivät eri menetelmät ole niin yhtäpitäviä kuin ajatellaan; harvoin ne antavat samoja tuloksia, eivätkä usein myöskään tue oletettua ikää.

Erään esteen mittausmenetelmien luotettavuudelle asettaa jo se, ettemme varmuudella tiedä, miten Maa, Kuu tai Aurinkokunta on syntynyt. Monet ajoitusmenetelmät näyttävät antavan meteoriiteille yhtäläisen pitkät iät, minkä katsotaan todistavan että sekä Maa että meteoriitit ovat vanhoja. Tälle ilmiölle voi kuitenkin olla muita selityksiä. Ehkä maa on muodostunut vanhemmasta, olemassa olleesta materiasta tai ehkä radioktiivinen hajoaminen oli aiemmin jostain syystä merkittävästi nopeampaa. Maapallon ikää tärkeämpi kysymys on kuitenkin se, kauanko elämää on ollut olemassa.

Geologinen aika jaetaan oletetun kehityksen mukaisiin kausiin (kuva oikealla). Esikambrisista kerrostumista on löytynyt vain muutama fossiili, kaikki muut ovat löytyneet kambrisesta ja myöhemmistä kerrostumista. Voidaan siten olettaa esikambristen kallioiden olleen olemassa kun elämä alkoi, joten niiden ikä ei välttämättä liity kysymykseen siitä, milloin elämä alkoi. Kambrisen kauden oletetaan tavallisesti alkaneen noin 550 miljoonaa vuotta sitten. Kambrikaudella elämä ilmestyi äkkiä niin runsaslukuisena, että tiedemiehet puhuvat kambrikauden räjähdyksestä. Jos kambrikauden kalliot todella ovat 550 miljoonaa vuotta vanhoja, siloin myös elämä on ainakin yhtä vanhaa. Siksi näiden ja myöhempien kallioiden iän määrittely on tärkeää.

Miten ajoitusmenetelmät toimivat?

Radioaktiiviset alkuaineet hajoavat vaiheittain toisiksi alkuaineiksi. Alkuperäistä kutsutaan emoalkuaineeksi ja hajoamistuotteita tyttäriksi. Ajan myötä tytäralkuaineita syntyy lisää ja eri isotooppien pitoisuudet muuttuvat. Jos alkuperäistä ainetta on jäljellä hyvin vähän tai ei lainkaan ja tytärainetta runsaasti, se merkitsee periaatteessa, että näyte on hyvin vanha.

Radioaktiivisten alkuaineiden puoliintumisajat vaihtelevat suuresti. Kalium-40 esimerkiksi hajoaa niin hitaasti, että sen määrä puolittuu 1.3 miljardin vuoden välein. Jos siis varmuudella tiedettäisiin näytteen alkuperäinen K40 - pitoisuus ja nykyiset mittaukset osoittaisivat sen puolittuneen, tiedettäisiin näytteen olevan 1.3 miljardia vuotta vanhan.

Uraani-lyijy -menetelmä

Radioaktiiviset torium-232, uraani-235 ja uraani-238 hajoavat lyijyisotoopeiksi Pb208, Pb207 ja Pb206. Luonnossa on lisäksi isotooppi Pb204, joka ei ole radiogeeninen (radioaktiivinen hajoamistuote), ja jonka määrän uskotaan olevan aina vakio. Uraani-lyijy-menetelmässä lähdetään siitä, että alunperin muodostunut lyijy sisälsi kaikkia neljää isotooppia, mutta kolmen raskaan isotoopin pitoisuus on kasvanut uraanin ja toriumin hajoamisen seurauksena. Analysoimalla näytteen uraani-, torium- ja lyijyisotooppien pitoisuudet, voidaan sen ikä määrittää. Isotooppien suhteelliset määrät maankuoren muodostuessa perustuvat tietenkin arviolaskelmiin, koska kukaan ei ollut paikan päällä niitä mittaamassa.

 

Uraani-lyijy -menetelmän periaate

 

Uraani-torium -menetelmä

Tätä menetelmää käytetään pääasiassa orgaanisen materiaalin ajoitukseen. Esim valtameren simpukankuoriin kertyy uraania, ja vähitellen myös sen hajoamistuotteita, kuten torium-230. Näiden pitoisuuksia vertaamalla voidaan laskea simpukankuorien ikä.

Kalium-argon -menetelmä

Kalium-40 on kaliumin radioaktiivinen isotooppi, jota esiintyy luonnossa. Se hajoaa argon-40 -jalokaasuksi sekä kalsiumiksi. Kaliumia on useimmissa maaperä-aineissa, mikä tekee kalium-argon ajoitusmenetelmästä hyvin sopivan ja käyttökelpoisen, edellyttäen, että se todella toimii. Kaliumia on maaperässä noin 1/40 (0,025%) josta n. 1/10 000 on radioaktiivista K40 - isotooppia. Kaliumia sisältävän mineraalin ikä voidaan määrittää mittaamalla kalium- ja argon -pitoisuuksien suhde. Näytteen käsittely vaatii huolellisuutta, koska kevyt argon-kaasu karkaa helposti.

Rubidium-strontium-menetelmä

Rubidium hajoaa strontiumiksi, joten rubidium-strontium (Rb-Sr) -menetelmässä näytteen aika määritetään niiden pitoisuuksien perusteella.

Hiili-14 -menetelmä

Radioaktiivista C14 -hiiltä syntyy ilmakehässä kosmisen säteilyn ja typen reaktiona. Syntynyt hiili reagoi jokseen heti hapen kanssa, jolloin syntyy hiilidioksidia. Kasvit imevät itseensä hiilidioksidia saaden sen mukana myös radiohiiltä C14. Niiden elinaikana syntyy tietty tasapaino niiden ottaman hiilen ja niissä hajoavan radioaktriivisen hiilen välillä. Sama tasapaino syntyy myös ihmisissä ja eläimissä, jotka suoraan tai epäsuoraan saavat ravintonsa kasveista. Määrittämällä radiohiilen osuus, saadaan arvioitua näytteen ikä.
 Koska C14:n puoliintumisaika on vain n. 6000 vuotta, kivihiili ei sisällä sitä juuri lainkaan. Siksi viime vuosisadalla yleistynyt kivihiilen käyttö polttoaineena on vähentänyt ilman suhteellista C14-pitoisuutta vaikuttaen myös kasvien hiili-isotooppien suhteeseen. Toisaalta ydinkokeissa syntyy C14:a, ja eräät muutkin tekijät sekoittavat kuviota, joten iänmääritykset eivät ole kovin luotettavia. Standardiksi onkin tästä syystä otettu 1800 -luvun pitoisuudet, mutta ei ole mitään takeita, että nekään vastaisivat vuosituhansia sitten vallinneita oloja.

Ovatko menetelmät luotettavia?

Ajoitusmenetelmien luotettavuus riippuu siitä, miten tarkoin tutkijat pystyvät arvioimaan tutkittavan kerrostuman geologisen historian ja sen aikana vallinneet olosuhteet. Menetelmä edellyttää siten tiettyjen ehtojen täyttymistä. Eräs tietoteos kuvailee näitä ehtoja:

"Jos iänmäärityksessä pyritään jonkinlaiseen tarkkuuteen, täytyy tutkittavaan esineeseen jonakin tiettynä hetkenä kiinnittyneen nuklidin puoliintumisajan olla sopivan suuruinen verrattuna esineen ikään. Kysymyksessä olevan radionuklidin pitoisuuden täytyy voida edellyttää olleen vakio luonnossa määritettävää ajanjaksoa pitempänä aikana. Edellytyksenä on myös se, etteivät muut ilmiöt, kuten esim. tutkittavan aineen kemialliset muutokset tai mekaaniset uudelleenkerrostumiset ole häirinneet radioaktiivista hajoamista." (Fokus Tekniikka 2, Otava)

Juuri tässä piilee näiden menetelmien suurin heikkous. Jos lähtöoletuksena on, ettei näytteessä ole alunperin ollut radioaktiivisia hajoamistuotteita ja etteivät yllämainitut ilmiöt ole päässeet vaikuttamaan asiaan, ja näin kuitenkin on käynyt, mittaustulos antaa väärän vaikutelman näytteen iästä. Se, että näiden menetelmien tulosten sanotaan olevan varmoja yhden tai kahden prosentin tarkkuudella, ei merkitse, että lasketut ajat olisivat oikein tällä tarkkuudella. Se merkitsee vain, että mittaustulokset ovat riittävän tarkkoja, jotta niihin voidaan luottaa laskennan perusteena. Kyse on lähinnä siitä, miten tarkasti laitteet kykenevät rekisteröimään ja mittaamaan näytteen sisältämät pitoisuudet. Lähtöoletuksissa olevien virhetulkintamahdollisuuksien yliolkainen sivuuttaminen voi johtaa tutkimustyön kannalta laajavaikutteiseen virheeseen.

Tuloksia väärentävien seikkojen minimoimiseksi ajanmäärityksiin käytetäänkin usein vulkaanisia kivilajeja, kuten graniittia ja laavaa. Fossiilien ikää ei yleensä voi määrittää suoraan. Laavan ollessa kuumaa, K40:n hajoamistuote, argon-kaasu, haihtuu pois, joten yleensä lähdetään oletetuksesta, ettei argonia ole enää yhtään jäljellä laavan jähmettyessä. Laavan ikä pitäisi siten voida määrittää luotettavasti K-Ar -menetelmällä. On myös huomattu, että jotkut mineraalit ottavat argonia rakenteeseensa vastahakoisesti, toiset taas herkemmin. Tämä on tietenkin yksi ongelma ajoituksessa.

Kiilteet hylkivät strontiumia, mutta hyväksyvät runsaasti rubidiumia, mikä sekoittaa Rb-Sr -ajoituksia. U-Pb -ajoitusten yhteydessä taas on todettu mineraalin sisältämän zirkoniumin voivan karkoittaa alkuperäisen lyijyn lähes täydellisesti. (Britannica Online, "Geochronology: The Interpretation and Dating of the Geologic Record.")

Laavan jäähtyessä erilaiset mineraalit yleensä kiteytyvät erilaisissa lämpötiloissa antaen viitteitä siitä, mitä alkuaineita ne pyrkivät sisältämään tai hylkimään kiderakenteissaan. Laavasta voidaan siten periaatteessa nähdä eri mineraalien kiteytymisjärjestys. Laavan koostumus on kuitenkin altis jatkuville muutoksille. Maan pinnalle tai veteen purkautuessaan se jäähtyy nopeasti eikä kiteytymiselle jää juurikaan aikaa, jolloin siitä tulee basalttia. Syvemmällä oleva laava eli magma jäähtyy paljon hitaammin ja voi muodostaa sellaisia laajoja kiteytyneitä kivilajeja kuten graniitti ja kvartsi.

 
 

Sedimenttikerrosten väliin työntyvän magman synnyttämiä muodostumia.

 

Miksi menetelmät ovat yleensä epätarkkoja?

Voi näyttää siltä, että radiometrisen ajoituksen ongelmat on selvitetty, eikä mitään poikkeavuuksia ole. Näin ollen, kun ajoitetaan jostakin laavaesiintymästä otettuja mineraalinäytteitä, joiden syntyprosessi tiedetään samaksi, pitäisi kaikille näytteille saada tarkalleen sama ikä (joka siten olisi myös kyseisen geologisen kauden ikä). Mutta onko asia käytännössä näin? Jos radiometriset ajoitukset olisivat luotettavia, miksi tarvitaan ns. isokroneja , joiden sanotaan olevan paljon tarkempia?

On koko joukko vaatimuksia, jotka radiometrisen ajoituksen tulisi täyttää. Jotta esim. kalium-argon -menetelmää voisi käyttää 'kellona', sen edellytetään täyttävän ainakin seuraavat kriteerit:

  1. Kalium-40 alkuaineen hajoamisnopeus on tiedettävä tarkasti
  2. On oltava varmuus siitä, ettei argon-40:ä ole kiteytymisvaiheessa tai sen jälkeen sitoutunut muihin mineraaleihin tai vuotanut ulos.
  3. On oltava varmuus siitä, että järjestelmä on kiteymisen jälkeen pysynyt suljettuna niin kaliumin kuin argoninkin suhteen.
  4. Mittaustulosten suhde tiettyihin geologisiin tai muihin erityistapahtumiin pitäisi tuntea.

Sekä alkuperäiset radioaktiiviset atomit että niiden hajoamistuotteet voivat kuitenkin siirtyillä paikoiltaan kallioissa. Tähän voi johtaa mm. kuumuus tai kerrostumien uudelleen muotoutuminen. Myös kerrostumien läpi virtaava tai suodattuva vesi voi kuljettaa aineita eri kohteisiin. Nämä 'metamorfiset' prosessit vaativat aina menetelmän osoittaman ajan 'käsivaraista' tarkistamista, mikä luonnollisesti ei voi olla kovin tarkkaa eikä objektiivista.

Asiantuntijoiden mukaan on myös mahdollista, että altistuminen netronien, neutriinojen ja muun kosmisen säteilyn vaikutukselle olisi jolloinkin menneinä aikoina suuresti muuttanut isotooppien suhteita. On tunnettua, että neutriinot vaikuttavat atomien ytimiin, joten niiden suurempi esiintymistiheys olisi saattanut kiihdyttää radioaktiivista hajoamista saaden siten aineen näyttämään nopeasti vanhalta.

Uraani-lyijy -menetelmässä ongelman muodostaa se, että lyijy höyrystyy ja haihtuu jo suhteellisen alhaisessa lämpötilassa. On myös arveltu vapaiden neutronien voivan muuttaa Pb-206:n ensin Pb-207:ksi ja sitten Pb-208:ksi mikä 'resetoisi' kellot ja tekisi ajanmääritykset täysin kelvottomiksi. Kaiken lisäksi U-238:n hajoamisnopeudesta on olemassa kaksi tutkijoiden käyttämää arvoa.

Kalium-argon -menetelmässä argon on kaasu, joka haihtuu helposti ja kulkeutuu kivikerrostuman läpi. Tietyissä olosuhteissa myös kalium haihtuu herkästi, suodattuu veteen ja kulkeutuu kallioiden läpi. Sen hajoamisnopeuskin on kiistanalainen, vaikkakin tiedeyhteisöissä on päästy siitä jonkinlaiseen yhteisymmärrykseen. Historiallisesti katsoen eri menetelmien edellyttämät hajoamisnopeudet ovat suurelta osin tulos käytännön mittaustulosten yleisestä hyväksymisestä. Kalium-argon -menetelmän toinen 'vakio' , ns. haarautumissuhde (branching ratio), ei myöskään ole tarkoin tunnettu, joten se on kalibroitu vastaamaan hyväksyttyjä tuloksia.

Ilmakehä sisältää argon-40 kaasua noin yhden prosentin verran, joten se on mahdollinen saastumisen lähde. Tätä mahdollisuutta on pyritty korjaamaan vertaamalla Ar40/Ar36 -suhdetta tutkittavassa kivilajissa ja ilmakehässä. On kuitenkin mahdollista, että argon-36:tta voi syntyä kallioissa myös kosmisen säteilyn vaikutuksesta, joten myös tämä korjaus voi olla virheellinen. Paineen ja äkillisen jäähtymisen seurauksena magma voi imeä itseensä argonia ympäristöstä, saaden siten aikaan suuren virheen ajanmäärityksessä. Nämä ongelmat huomioon ottaen ei ole yllättävää, että kalium-argon -menetelmä antaa hyvin vaihtelevia tuloksia, jopa tutkittaessa saman kallioperustan eri mineraaleja.

Strontium-rubidium -menetelmän kohdalla ongelmana on Sr87 -tytäratomien runsas esiintyminen maaperässä, mikä saattaa johtua siitä, että ne voivat veden mukana tai kuumuuden seurauksena kulkeutua pois alkuperäisistä kivilajeistaan.

On siis koko joukko mekanismeja, jotka voivat saada aikaan ristiriitaisia ja virheellisiä tuloksia erilaisissa radiometrisissä ajoitusmenetelmissä. Kuumuus voi saada argonin haihtumaan laavasta, minkä johdosta se vaikuttaa nuoremmalta kuin on. Yleisesti ottaen, jos aiemmin purkautunut laava kuumenee uuden purkauksen johdosta, se näyttää todellista nuoremmalta. Jos mineraalit eivät sula laavan mukana, niiden ajoitus näyttää liian vanhaa ikää. Myös suodattuminen ja vesivirtaukset voivat muuttaa radiometristä ikää.

Jokainen mittauksessa saatu aika on siis 'järkeistettävissä'. Jos ikä näyttää liian vanhalta, voidaan sanoa, ettei kyseinen mineraali ole sulanut laavan mukana, tai että se ehkä sisältää ympäristöstä tarttunutta materiaalia. Jos ikä vaikuttaa liian nuorelta, voidaan sanoa sen myöhemmin uudestaan kuumentuneen tai että siinä on muusta syystä tapahtunut haihtumista.

Usein väitetään, ettei kuumentumista, haihtumista tai imeytymistä voida todeta. Tämä väite perustuu olemassa olevaan käsitykseen kalliomuodostelman historiasta. Ellei sitä ole perusteellisesti tutkittu, väite on huteralla pohjalla. Ongelmat ovat sidoksissa toisiinsa, koska mineraalien sisältämät radioaktiiviset alkuaineet ja niiden hajoamistuotteet ovat tietyssä määrin paikasta toiseen kulkeutuvia. Varsinkin kaasumaiset hajoamistuotteet saattavat helposti kulkeutua johonkin kalliossa olevaan suureen onkaloon, josta ne maaperässä tapahtuvien mullistusten seurauksena sekoittuvat veteen, toisiin mineraaleihin tai haihtuvat ilmaan.

Samoin argonia voi imeytyä mineraaleihin ilmasta tai muusta ympäristöstä, jolloin ne näyttävät todellista ikäänsä vanhemmilta. Tämäkin prosessi voi tapahtua kallioissa olevien halkeamien ja rakojen ja niissä kiertävän veden välityksellä. Suhteellisen pienetkin konsentraatiot voivat vuosituhansien aikana saada aikaan suuria muutoksia radiometrisiin ajanmäärityksiin.

Jos esim. päivässä haihtuisi 1/300 000 kallioiden sisältämästä argonista, sitä olisi 1000 vuoden kuluttua jäljellä enää vajaa 1/3 alkuperäisestä. 5000 vuoden kuluttua sitä olisi enää alle 1/15 alkuperäisestä. Täten pieni vuosittainen hävikki vaikuttaisi verrattain paljon lopputulokseen. Vastaavasti argonin vähäinen vuosittainen kertyminen ympäristöstä kallioperustaan lisäisi ajan myötä suuresti kivilajien argon-pitoisuutta, mikä saisi ne näyttämään hyvin vanhoilta.

Toisaalta ei ole varmaa, etteikö argonia hylkiviinkin mineraaleihin voisi myöhemmin - olosuhteiden muuttuessa - kerääntyä argonia. Geologit sanovat usein liian vanhoilta vaikuttavien näytteiden sisältävän jostain syystä ylimääräistä argonia. Liikakertymä on siis mahdollista huolimatta siitä, että näiden mineraalien oletetaan hylkivän argonia. Aiemmin mainitussa Online Encyclopedia Britannican artikkelissa todetaan:

"Kaikkien ajoitusmenetelmien tuloksiin voivat vaikuttaa perittyjen tytärelementtien tuotokset. Eräissä tapauksissa maapallon ikää vanhempia ja selvästi paikallisia suhteellisia ikämalleja rikkovia argon-aikoja on määritetty jopa biotiittimineraaleista. Tällaisia tapauksia ilmenee pääasiassa siellä, missä vanhat kalliot ovat paikallisesti kuumentuneet ja vapauttaneet argon-40:tä samanaikaisesti uusien mineraalien muodostumisen kanssa."

Toisen ongelman muodostavat kiderakenteissa tyypillisesti olevat viat ja epäpuhtaudet. Esimerkkinä tästä erilaiset kvartsilajit, joiden värit johtuvat juuri niiden kiteissä olevista epäpuhtauksista. Siispä, vaikka mineraalin kiteet itsessään hylkisivät radioaktiivisia tytäratomeja, niitä voi sisältyä näihin epäpuhtauksiin. Näin ollen kiteiden muodostuessa niiden vähäiset rakenneviat voivat saada aikaan sen, että ne hyväksyvät emo- ja tytärtuotteet samassa suhteessa kuin ne esiintyvät laavassa. Ne siis perivät radiometrisen ikänsä laavasta. On myös mahdollista, että emo- ja tytärelementtejä voisi esiintyä säännöllisten kiteiden välisillä raja-alueilla. Toisaalta emme varmuudella tiedä, miksi tai millä tavoin kiteet normaalitilassa 'karkoittavat' argonia tai muita hajoamistuotteita, mikäli ne sitä tekevät.

 
Seuraava osa
Seuraava osa




13.08.04