Foto venligst udlånt af Paul Mueller
Hvad er de ældste bjergarter på Jorden, og hvordan er de dannet? Det materiale, der giver den største indsigt i disse grundlæggende spørgsmål, fordi det kan indeholde en optegnelse af noget af Jordens tidligste historie, er et mineral ved navn zircon. For eksempel daterer nogle få korn af zirkon, der blev fundet i begyndelsen af 1990’erne i en sandsten fra det vestlige Australien, 4,2-4,3 milliarder år tilbage i tiden, og vi ved fra meteoritter, at Jorden ikke er meget ældre, nemlig 4,56 milliarder år. Geologiprofessorerne Darrell Henry fra Louisiana State University og Paul Mueller fra University of Florida er eksperter i flere teknikker, der kan udtrække præcise aldersoplysninger fra zirkoner. De leder efter nogle af de ældste bjergarter i den kontinentale skorpe, efter zirkoner i dem og efter de spor, som zirkonerne indeholder om planetens dannelse.
Originalt dannet ved krystallisering fra en magma eller i metamorfe bjergarter, er zirkoner så holdbare og modstandsdygtige over for kemiske angreb, at de sjældent forsvinder. De kan overleve mange geologiske hændelser, som kan registreres i ringe af yderligere zirkoner, der vokser omkring den oprindelige krystal ligesom træringe. Som en lille tidskapsel registrerer zirkonerne disse begivenheder, som hver især kan vare flere hundrede millioner år. I mellemtiden forbliver selve zirkonkernen uændret og bevarer de kemiske egenskaber ved den bjergart, hvori den oprindeligt udkrystalliserede sig.
Zircon indeholder det radioaktive grundstof uran, som Dr. Mueller kalder “uret i zirconen”, fordi det omdannes til grundstoffet bly med en bestemt hastighed over et langt tidsrum. Ifølge Mueller gør dette zirkoner til “det mest pålidelige naturlige kronometer, som vi har, når vi ønsker at se på den tidligste del af Jordens historie”. Han fortsætter med at forklare, at der er to måder at fortælle tiden på i geologien. “Den ene er en relativ tid, hvilket betyder, at hvis der er et mineral af en slags, og der vokser et mineral af en anden slags omkring det, så ved man, at det indre mineral blev dannet først, men man ved ikke, hvor lang tid der er gået mellem de to.” Henry evaluerer disse former for mineralrelationer i bjergarter. Ud fra typerne af mineraler og deres fordeling i bjergarterne rekonstruerer han en relativ rækkefølge af begivenheder, der afspejler ændringen over tid af parametre som tryk, temperatur og deformation. “Hvis jeg har en metamorfisk sten”, uddyber Dr. Henry, “kan jeg bruge typerne af mineraler og deres kemi til at bestemme de forhold, som stenen har været udsat for på et tidspunkt i sin historie. En temperatur på 700 °C og et højt tryk på flere tusinde gange det atmosfæriske tryk antyder f.eks., at den har ligget dybt nede i jordskorpen på et tidspunkt i dens geologiske historie.” Han udleder, hvad der er sket med stenene, men ikke hvor længe siden det er sket. Det er her, den anden slags tid kommer ind i billedet: absolut i forhold til relativ tid. “Vi forsøger at levere hvornår,” forklarer Mueller. “Mit job er at se på stenens kemi, herunder dens isotoper, og forsøge at udlede de absolutte tidspunkter for de begivenheder, der er registreret i stenen og dens zirkoner.”
Hvor præcise er de faktiske tal? “Afhængigt af stenens historie kan vi i dag datere ting ned til noget i størrelsesordenen et par hundrededele af en procent af dens alder”, svarer Mueller. Det svarer f.eks. til plus eller minus en million år ud af tre milliarder. Kulstof-14-dateringer kan ikke gå længere tilbage end ca. 70.000 år, fordi kulstof-14’s halveringstid kun er 5.730 år. (Halveringstiden er den tid, det tager for halvdelen af den oprindelige radioaktive isotop at ændre sig til et andet grundstof). Til sammenligning er halveringstiden for den radioaktive uran 238-isotop 4,5 milliarder år, hvilket gør den nyttig til datering af ekstremt gamle materialer.
Zirkon-kronologien begynder i felten. “Man går ud og leder efter relative aldersforhold og ser, hvilken bjergart der blev dannet først”, siger Henry. “Der kan f.eks. være en granit, som indeholder stykker af andre typer bjergarter, der er indkapslet i granitten. På grund af deres placering ved vi, at de bjergarter, der er indkapslet i granitten, må være ældre.” Geologer kortlægger et område for at identificere disse relative aldersforhold. Derefter indsamler de prøver, som vejer fra to til mere end 100 pund, afhængigt af bjergartstypen. Zirkoner er ikke sjældne; faktisk er de almindelige i granitsten. Men de er bittesmå korn, der kun udgør en lille del af en given prøve, typisk mindre end en tiendedel af en procent, og de er spredt ud over hele bjergarten. Det gør det til en besværlig proces at udskille zirkonerne. Stenen males for at bryde den op i de enkelte mineralkorn. Derefter “fordi zirkon er mere tæt end næsten alle andre mineraler, lægger vi den findelte sten i en væske med meget høj massefylde, så kun de tætteste mineraler falder ned på bunden”, forklarer Henry. Med andre ord, siger Mueller, “zirkoner synker”. Vi bruger også zirkonernes magnetiske egenskaber til at adskille de mest uberørte fra resten.”
Derpå begynder det detaljerede geokronologiske arbejde. “Jeg tager en brøkdel af disse zirkoner, laver tynde snit af dem – skiver af mineralet, der er 30 mikrometer tykke, omtrent lige så tykke som et hår, som monteres på glas – og får en idé om, hvordan de ser ud med hensyn til zoneinddeling, om de har gennemgået flere vækstperioder, hvor enkle eller komplekse de er,” siger Henry. Han giver disse oplysninger videre til Mueller sammen med prøvens geologiske kontekst. “Jeg ser også på et tyndt snit af bjergarten for at få noget at vide om de rammer, som zirkonerne forekommer i. Er det i en granit? Eller er det i en metamorf bjergart, der har haft en mere kompleks historie? Eller er det en metamorfoseret sedimentær bjergart? Ved at kende dens historie kan vi fortolke bjergartens alder meget bedre.”
“For at forstå en bjergarts relative geologiske historie bruger Darrell tyndsnit, fordi han er interesseret i forholdet mellem alle de mineraler, som bjergarten består af,” forklarer Mueller. “Men til geokronologi er vi interesseret i de mineraler, der udgør en tiendedel af en procent eller mindre.” Han ser på zirconen ved hjælp af forskellige teknikker – “lys, der reflekteres af kornene, lys, der transmitteres gennem dem, katodoluminescerende lys, der opstår ved at ramme zirconen med en elektronstråle” – for at fastslå, i hvilken skala zirconkornene skal analyseres. Kvantitativ mikroanalyse af grundstofferne i zirkon foretages med en elektronmikrosonde. “Det giver os mulighed for at analysere ting på en mikronskala (en milliontedel af en meter) ved hjælp af en tynd stråle af elektroner”, forklarer Henry. “Elektronerne bestråler prøven, hvilket får atomerne i selve prøven til at afgive røntgenstråler. Hvert af atomerne af de forskellige grundstoffer i prøven afgiver røntgenstråler med karakteristiske bølgelængder. Man kan derefter sammenligne disse med en standard med en kendt koncentration af grundstoffet og få en nøjagtig sammensætning af den lille plet. Et enkelt zirkonkorn kan være sammensat af mange zoner med forskellig sammensætning og alder. Isotopsammensætninger kan bestemmes med en ion-sonde. Vil vi se på hele kornet, eller skal vi rette en lillebitte stråle af ilt-ioner, 300 mikrometer i diameter, mod dele af zirkonkornets for at analysere for U- (uran) og Pb- (bly) isotoper, så vi kan datere dette punkt og dissekere zirkonens individuelle historie?” Alternativt kan uran og bly adskilles kemisk, når et enkelt zirkonkorn opløses i flussyre. “Derefter analyserer vi dem på et massespektrometer, som giver os forholdet mellem de enkelte uran- og blyisotoper, og ud fra det kan vi beregne tidspunktet,” forklarer Mueller.
I sidste ende, siger Henry, “kombineres alle disse data til et større billede af, hvordan Jorden fungerede for milliarder af år siden.” Med Mueller’s ord: “Det går ud på, at jo mere vi ved om de forskellige bjergarter, der udgjorde de tidligste kontinenter, og hvordan disse kontinenter udviklede sig, jo bedre er vores vindue til, hvordan Jorden blev dannet og de tidlige processer, der adskilte jordskorpen fra kappen og sandsynligvis endda kappen fra kernen.” Mueller beskriver sit og Henrys samarbejde som en parallel rejse. “Vores forskning går den samme vej, og nogle gange holder vi hinanden i hånden, og andre gange går vi hver til sit.” I begge tilfælde udveksler de konstant oplysninger, der stammer fra deres forskellige tilgange, og der er altid noget nyt at se på. Mueller opsummerer det: “En sten er en masse arbejde.”