A fotó Paul Mueller jóvoltából
Melyek a Föld legrégebbi kőzetei, és hogyan alakultak ki? Az anyag, amely a legnagyobb betekintést nyújtja ezekbe az alapvető kérdésekbe, mivel a Föld legkorábbi történetének egy részét tartalmazhatja, egy cirkon nevű ásvány. Az 1990-es évek elején egy nyugat-ausztráliai homokkőben talált néhány cirkonszemcse például 4,2-4,3 milliárd éves, és a meteoritokból tudjuk, hogy a Föld nem sokkal idősebb, 4,56 milliárd éves. Darrell Henry, a Louisiana Állami Egyetem geológus professzora és Paul Mueller, a Floridai Egyetem geológus professzora több olyan technika szakértője, amelyekkel a cirkonokból pontos korinformációkat lehet kinyerni. A kontinentális kéreg néhány legrégebbi kőzetét kutatják, a bennük lévő cirkonokat, és a cirkonok által tartalmazott nyomokat a bolygó kialakulásáról.
A cirkonok eredetileg magmából való kristályosodással vagy metamorf kőzetekben keletkeztek, a cirkonok olyan tartósak és ellenállnak a kémiai támadásoknak, hogy ritkán tűnnek el. Számos geológiai eseményt túlélhetnek, amelyeket további cirkonokból álló gyűrűkben lehet rögzíteni, amelyek az eredeti kristály körül nőnek, mint a fák évgyűrűi. Mint egy apró időkapszula, a cirkon rögzíti ezeket az eseményeket, amelyek mindegyike több százmillió évig is eltarthat. Eközben maga a cirkon magja változatlan marad, és megőrzi annak a kőzetnek a kémiai jellemzőit, amelyben eredetileg kikristályosodott.
A cirkon tartalmazza az urán radioaktív elemet, amelyet Dr. Mueller “órának nevez a cirkonban”, mivel hosszú időn keresztül meghatározott ütemben alakul át az ólom elemmé. Mueller szerint ez teszi a cirkont “a legmegbízhatóbb természetes kronométerré, amink van, amikor a Föld történetének legkorábbi szakaszát akarjuk vizsgálni”. A továbbiakban elmagyarázza, hogy a geológiában kétféleképpen lehet megmondani az időt. “Az egyik a relatív idő, ami azt jelenti, hogy ha van egy bizonyos fajta ásvány, és körülötte egy másik fajta ásvány nő, akkor tudjuk, hogy a belső ásvány alakult ki először, de nem tudjuk, hogy mennyi idő telt el a kettő között”. Henry értékeli az ilyen típusú ásványi kapcsolatokat a kőzetekben. Az ásványok típusaiból és a kőzetekben való eloszlásukból rekonstruál egy relatív eseménysort, amely tükrözi az olyan paraméterek időbeli változását, mint a nyomás, a hőmérséklet és a deformáció. “Ha van egy metamorf kőzetem – részletezi Dr. Henry -, akkor az ásványok típusai és kémiai összetételük alapján meg tudom határozni, hogy a kőzet milyen körülmények között élt a történelme egy bizonyos pontján. Például a 700 °C-os hőmérséklet és a magas, több ezerszeres légköri nyomás arra utal, hogy a kőzet geológiai története során valamikor mélyen a kéregben volt”. Arra következtet, hogy mi történt a kőzetekkel, de arra nem, hogy ez milyen régen történt. Itt jön a képbe a második fajta idő: az abszolút a relatívhoz képest. “Megpróbáljuk szolgáltatni a mikorot” – magyarázza Mueller. “Az én feladatom az, hogy megnézzem a kőzet kémiáját, beleértve az izotópokat is, és megpróbálom levezetni a kőzetben és a cirkonokban rögzített események abszolút idejét.”
Mennyire pontosak ezek a tényleges számok? “A kőzet történetétől függően manapság a korának néhány százados nagyságrendjéig tudjuk datálni a dolgokat” – válaszol Mueller. Ez például hárommilliárd évből plusz-mínusz egymillió évet jelent. A szén-14-es kormeghatározás nem mehet vissza 70 000 évnél korábbra, mivel a szén-14 felezési ideje mindössze 5730 év. (A felezési idő az az idő, amely alatt az eredeti radioaktív izotóp fele egy másik elemmé alakul át). Ehhez képest a radioaktív urán-238 izotóp felezési ideje 4,5 milliárd év, ami rendkívül régi anyagok datálására teszi alkalmassá.
A cirkon kronológiája a terepen kezdődik. “Kimegyünk, és relatív korviszonyokat keresünk, megnézzük, melyik kőzetegység alakult ki először” – mondja Henry. “Például lehet egy gránit, amely más típusú kőzetek darabjait tartalmazza a gránitba zárva. A helyzetük miatt tudjuk, hogy a gránitba zárt kőzeteknek régebbieknek kell lenniük”.” A geológusok feltérképeznek egy területet, hogy azonosítsák ezeket a relatív korbeli kapcsolatokat. Ezután mintákat gyűjtenek, amelyek súlya a kőzettípustól függően kettőtől több mint száz kilóig terjed. A cirkonok nem ritkák, sőt, gyakoriak a gránitos kőzetekben. De ezek apró szemcsék, amelyek egy adott mintának csak kis hányadát teszik ki, általában kevesebb mint egytized százalékát, és szétszóródnak a kőzetben. Ez teszi a cirkonok elkülönítését fáradságos folyamattá. A kőzetet felaprítják, hogy egyes ásványszemcsékre bontják. Ezután “mivel a cirkon szinte minden más ásványnál sűrűbb, az őrölt kőzetet egy nagyon nagy sűrűségű folyadékba tesszük, így csak a legsűrűbb ásványok esnek át az aljára” – magyarázza Henry. Más szóval, mondja Mueller, “a cirkonok süllyednek. A cirkonok mágneses tulajdonságait is felhasználjuk, hogy a legtisztábbakat elkülönítsük a többitől.”
Azután kezdődik a részletes geokronológiai munka. “Fogom ezeknek a cirkonoknak egy töredékét, vékony metszeteket készítek belőlük – harminc mikrométer vastag, nagyjából hajszálvastagságú ásványszeleteket, amelyeket üvegre szerelek -, és képet kapok arról, hogyan néznek ki a zónamintázat szempontjából, hogy több növekedési epizódon mentek-e keresztül, mennyire egyszerűek vagy összetettek” – mondja Henry. Ezeket az információkat továbbítja Muellernek, a minta geológiai kontextusával együtt. “Megnézem a kőzet egy vékony szelvényét is, hogy megtudjak valamit arról a keretről, amelyben a cirkon előfordul. Gránitban van? Vagy olyan metamorf kőzetben van, amelynek összetettebb története van? Vagy egy metamorfizált üledékes kőzetben? Ha ismerjük a történelmét, sokkal jobban tudjuk értelmezni a kőzet korát.”
“Egy kőzet relatív geológiai történetének megértéséhez Darrell vékonyszelvényeket használ, mert érdeklik a kőzetet alkotó összes ásvány közötti kapcsolatok” – magyarázza Mueller. “A geokronológiában azonban azok az ásványok érdekelnek minket, amelyek egy tized százalékot vagy annál kevesebbet alkotnak.” A cirkont különböző technikákkal vizsgálja – “a szemcsékről visszaverődő fény, a rajtuk áthaladó fény, a cirkonra egy elektronsugárral történő becsapódásból származó katodolumineszcens fény” -, hogy megállapítsa, milyen skálán kell elemezni a cirkonszemcséket. A cirkonban lévő elemek mennyiségi mikroelemzése elektronmikroszondával történik. “Ez lehetővé teszi számunkra, hogy egy vékony elektronsugár segítségével mikrométeres (a méter milliomod része) skálán elemezzük a dolgokat” – magyarázza Henry. “Az elektronok besugározzák a mintát, és a mintában lévő atomok röntgensugárzást bocsátanak ki. A mintában lévő különböző elemek atomjai jellegzetes hullámhosszúságú röntgensugarakat bocsátanak ki. Ezeket aztán össze lehet hasonlítani egy ismert elemkoncentrációjú standarddal, és meg lehet állapítani az adott kis folt pontos összetételét. Egy-egy cirkonszemcse sok különböző összetételű és korú zónából állhat. Az izotópos összetételeket ionszondával lehet meghatározni. Meg akarjuk vizsgálni az egész szemcsét, vagy egy apró, 300 mikrométer átmérőjű oxigénion-sugarat kell a cirkonszemcsék egyes részeire irányítanunk, hogy elemezzük az U (urán) és Pb (ólom) izotópokat, hogy datálni tudjuk azt a foltot, és fel tudjuk boncolni a cirkon egyedi történetét?”. Alternatív megoldásként az urán és az ólom kémiai úton is szétválasztható, ha az egyes cirkonszemcséket fluorvizes savban feloldjuk. “Ezután tömegspektrométerrel elemezzük őket, ami megadja az egyes urán- és ólomizotópok arányát, és ebből kiszámíthatjuk az időt” – magyarázza Mueller.
Végső soron, mondja Henry, “mindezek az adatok egy nagyobb képet alkotnak arról, hogyan működött a Föld évmilliárdokkal ezelőtt”. Mueller szavaival élve, “ez arra a tényre fut ki, hogy minél többet tudunk a legkorábbi kontinenseket alkotó kőzetek sokféleségéről, és arról, hogy ezek a kontinensek hogyan fejlődtek, annál jobban látjuk, hogyan alakult ki a Föld, és milyen korai folyamatok választották el a kérget a köpenytől, sőt valószínűleg még a köpenyt is a magtól”. Mueller az ő és Henry együttműködését párhuzamos utazásként írja le. “A kutatásaink ugyanazon az úton haladnak, és néha fogjuk egymás kezét, néha pedig külön utakon járunk”. Mindkét esetben folyamatosan cserélgetik a különböző megközelítéseikből származó információkat, és mindig van valami újdonság, amit megnézhetnek. Mueller összefoglalja: “Egy szikla rengeteg munka.”