Foto: Paul Mueller
Jaké jsou nejstarší horniny na Zemi a jak vznikly? Materiálem, který do těchto základních otázek přináší největší vhled, protože může obsahovat záznam o nejstarší historii Země, je minerál jménem zirkon. Například několik zrnek zirkonu nalezených počátkem 90. let 20. století v pískovci ze západní Austrálie pochází z doby před 4,2-4,3 miliardami let a z meteoritů víme, že Země není o mnoho starší – 4,56 miliardy let. Profesoři geologie Darrell Henry ze Státní univerzity v Louisianě a Paul Mueller z Floridské univerzity jsou odborníky na několik technik, kterými lze ze zirkonů získat přesné informace o stáří. Pátrají po některých nejstarších horninách kontinentální kůry, po zirkonech v nich a po stopách, které zirkony obsahují o vzniku planety.
Původně vznikly krystalizací z magmatu nebo v metamorfovaných horninách, zirkony jsou tak trvanlivé a odolné vůči chemickým vlivům, že jen zřídkakdy zmizí. Mohou přežít mnoho geologických událostí, které mohou být zaznamenány v prstencích dalších zirkonů, které rostou kolem původního krystalu jako letokruhy stromů. Jako malá časová kapsle zaznamenává zirkon tyto události, z nichž každá může trvat stovky milionů let. Mezitím samotné jádro zirkonu zůstává nezměněno a zachovává si chemické vlastnosti horniny, ve které původně vykrystalizovalo.
Zirkon obsahuje radioaktivní prvek uran, který Dr. Mueller nazývá „hodiny v zirkonu“, protože se po dlouhou dobu specifickou rychlostí přeměňuje na prvek olovo. Podle Muellera to ze zirkonů dělá „nejspolehlivější přírodní chronometr, který máme k dispozici, když se chceme podívat na nejranější část historie Země“. Dále vysvětluje, že v geologii existují dva způsoby určování času. „Jedním z nich je relativní čas, což znamená, že pokud je zde minerál jednoho druhu a kolem něj roste minerál druhého druhu, víte, že vnitřní minerál vznikl jako první, ale nevíte, kolik času mezi nimi uplynulo.“ Henry hodnotí tyto druhy vztahů minerálů v horninách. Z typů minerálů a jejich rozložení v horninách rekonstruuje relativní sled událostí, který odráží změnu parametrů, jako je tlak, teplota a deformace, v čase. „Mám-li metamorfovanou horninu,“ upřesňuje doktor Henry, „mohu pomocí typů minerálů a jejich chemismu určit podmínky, které hornina v určitém okamžiku své historie zažila. Například teplota 700 °C a vysoký tlak několikatisícinásobku atmosférického tlaku naznačují, že se v určitém období své geologické historie nacházela hluboko v zemské kůře.“ Odvozuje, co se s horninami stalo, ale ne to, jak dávno se to stalo. Zde přichází na řadu druhý druh času: absolutní ve srovnání s relativním. „Snažíme se dodat kdy,“ vysvětluje Mueller. „Mým úkolem je podívat se na chemii horniny, včetně jejích izotopů, a pokusit se odvodit absolutní časy událostí, které jsou v hornině a jejích zirkonech zaznamenány.“
Jak přesná jsou tato skutečná čísla? „V závislosti na historii horniny můžeme v dnešní době datovat věci až někam do řádu několika setin procenta jejího stáří,“ odpovídá Mueller. To znamená například plus minus milion let ze tří miliard. Datování pomocí uhlíku 14 nemůže jít dále než asi 70 000 let zpět, protože poločas rozpadu uhlíku 14 je pouze 5 730 let. (Poločas rozpadu je doba, za kterou se polovina původního radioaktivního izotopu změní na jiný prvek.) Pro srovnání, poločas rozpadu radioaktivního izotopu uranu 238 je 4,5 miliardy let, což jej činí užitečným pro datování extrémně starých materiálů.
Chronologie zirkonu začíná v terénu. „Vyrazíte do terénu a hledáte relativní věkové vztahy, zjišťujete, která horninová jednotka vznikla jako první,“ říká Henry. „Například může existovat žula, která obsahuje kusy jiných typů hornin uzavřených v žule. Vzhledem k jejich poloze víme, že horniny uzavřené v žule musí být starší.“ Geologové mapují oblast, aby zjistili tyto relativní věkové vztahy. Poté odebírají vzorky, které v závislosti na typu horniny váží od dvou do více než sta kilogramů. Zirkony nejsou vzácné; ve skutečnosti jsou v žulových horninách běžné. Jsou to však drobná zrnka, která tvoří jen malou část daného vzorku, obvykle méně než desetinu procenta, a jsou rozptýlena po celé hornině. Proto je separace zirkonů náročný proces. Hornina se rozemele, aby se rozdělila na jednotlivá minerální zrna. Potom, „protože zirkon je hustší než téměř jakýkoli jiný minerál, vložíme rozemletou horninu do kapaliny s velmi vysokou hustotou, takže na dno propadnou pouze nejhustší minerály,“ vysvětluje Henry. Jinými slovy, říká Müller, „zirkony se potápějí. Využíváme také magnetických vlastností zirkonů, abychom oddělili ty nejčistší od ostatních.“
Poté začíná podrobná geochronologická práce. „Vezmu zlomek těchto zirkonů, udělám z nich tenké řezy – plátky minerálu o tloušťce třiceti mikrometrů, zhruba jako vlas, které se připevní na sklo – a získám představu o tom, jak vypadají z hlediska zónového uspořádání, zda prošly více epizodami růstu, jak jsou jednoduché nebo složité,“ říká Henry. Tyto informace předává Muellerovi spolu s geologickým kontextem vzorku. „Podívám se také na tenký řez horninou, abych se dozvěděl něco o rámci, ve kterém se zirkon vyskytuje. Je to v žule? Nebo je v metamorfované hornině, která má za sebou složitější historii? Nebo je to metamorfovaná sedimentární hornina? Když známe její historii, můžeme mnohem lépe interpretovat stáří horniny.“
„Aby Darrell pochopil relativní geologickou historii horniny, používá tenké řezy, protože ho zajímají vztahy mezi všemi minerály, které horninu tvoří,“ vysvětluje Mueller. „Pro geochronologii se však zajímáme o minerály, které tvoří jednu desetinu procenta nebo méně.“ Na zirkon se dívá různými technikami – „světlem odraženým od zrn, světlem procházejícím skrz ně, katodoluminiscenčním světlem vznikajícím při zásahu zirkonu elektronovým paprskem“ – aby určil měřítko, v němž by se zrna zirkonu měla analyzovat. Kvantitativní mikroanalýza prvků v zirkonu se provádí pomocí elektronové mikrosondy. „To nám umožňuje analyzovat věci v mikronovém měřítku (miliontina metru) pomocí tenkého svazku elektronů,“ vysvětluje Henry. „Elektrony ozařují vzorek a způsobují, že atomy uvnitř samotného vzorku vyzařují rentgenové záření. Každý z atomů různých prvků ve vzorku vyzařuje rentgenové záření s charakteristickou vlnovou délkou. Ty pak můžete porovnat se standardem se známou koncentrací prvku a zjistit přesné složení tohoto malého bodu. Jednotlivé zrno zirkonu se může skládat z mnoha zón různého složení a stáří. Izotopové složení lze určit pomocí iontové sondy. Chceme se podívat na celé zrno, nebo bychom měli nasměrovat malý paprsek iontů kyslíku o průměru 300 mikrometrů na části zirkonového zrna a analyzovat je na izotopy U (uranu) a Pb (olova), abychom mohli datovat toto místo a rozčlenit individuální historii zirkonu?“ Alternativně lze uran a olovo oddělit chemicky, když se jednotlivé zirkonové zrno rozpustí v kyselině fluorovodíkové. „Pak je analyzujeme na hmotnostním spektrometru, který nám poskytne poměry jednotlivých izotopů uranu a olova, a z toho můžeme vypočítat dobu,“ vysvětluje Mueller.
V konečném důsledku, říká Henry, „se všechna tato data spojují do většího obrazu toho, jak Země fungovala před miliardami let“. Podle Muellerových slov „se to redukuje na skutečnost, že čím více víme o rozmanitosti hornin, které tvořily nejstarší kontinenty, a o tom, jak se tyto kontinenty vyvíjely, tím lépe vidíme, jak Země vznikala a jaké rané procesy oddělovaly kůru od pláště a pravděpodobně i plášť od jádra“. Mueller popisuje svou a Henryho spolupráci jako paralelní cestu. „Náš výzkum kráčí po stejné cestě a někdy se držíme za ruce a někdy jdeme každý svou cestou.“ V obou případech si neustále vyměňují informace, které přinášejí jejich rozdílné přístupy, a vždy je co nového zkoumat. Mueller to shrnuje: „Jeden kámen je spousta práce.“