Photo dzięki uprzejmości Paula Muellera
Jakie są najstarsze skały na Ziemi i jak się uformowały? Materiałem, który posiada największy wgląd w te fundamentalne pytania, ponieważ może zawierać zapis niektórych z najwcześniejszych dziejów Ziemi, jest minerał o nazwie cyrkon. Na przykład, kilka ziaren cyrkonu znalezionych na początku lat 90. w piaskowcu z zachodniej Australii datuje się na 4,2-4,3 miliarda lat, a z meteorytów wiemy, że Ziemia jest niewiele starsza – 4,56 miliarda lat. Profesorowie geologii Darrell Henry z Uniwersytetu Stanowego Luizjany i Paul Mueller z Uniwersytetu Florydy są ekspertami w stosowaniu kilku technik, które pozwalają wydobyć z cyrkonów precyzyjne informacje o wieku. Poszukują oni jednych z najstarszych skał w skorupie kontynentalnej, cyrkonii znajdujących się w nich oraz wskazówek, które cyrkonie zawierają na temat formowania się naszej planety.
Oryginalnie uformowane przez krystalizację z magmy lub w skałach metamorficznych, cyrkonie są tak trwałe i odporne na ataki chemiczne, że rzadko odchodzą. Mogą przetrwać wiele wydarzeń geologicznych, które mogą być zapisane w pierścieniach dodatkowych cyrkonów, które rosną wokół oryginalnego kryształu jak słoje drzewa. Jak maleńka kapsuła czasu, cyrkon rejestruje te wydarzenia, z których każde może trwać setki milionów lat. Tymczasem sam rdzeń cyrkonu pozostaje niezmieniony i zachowuje właściwości chemiczne skały, w której pierwotnie skrystalizował.
Cyrkon zawiera radioaktywny pierwiastek uran, który dr Mueller nazywa „zegarem w cyrkonie”, ponieważ przekształca się on w element ołowiu w określonym tempie w długim okresie czasu. Według Muellera czyni to cyrkony „najbardziej wiarygodnym naturalnym chronometrem, jaki mamy, gdy chcemy przyjrzeć się najwcześniejszej części historii Ziemi”. Wyjaśnia on dalej, że w geologii istnieją dwa sposoby określania czasu. „Jeden z nich to czas względny, co oznacza, że jeśli mamy minerał jednego rodzaju, a wokół niego rośnie minerał drugiego rodzaju, to wiemy, że wewnętrzny minerał powstał jako pierwszy, ale nie wiemy ile czasu upłynęło pomiędzy nimi”. Henry ocenia tego rodzaju relacje minerałów w skałach. Na podstawie rodzajów minerałów i ich rozmieszczenia w skałach rekonstruuje względną sekwencję zdarzeń, która odzwierciedla zmiany w czasie takich parametrów jak ciśnienie, temperatura i deformacja. „Jeśli mam skałę metamorficzną,” mówi dr Henry, „mogę użyć rodzajów minerałów i ich składu chemicznego, aby określić warunki, jakich doświadczyła skała w pewnym momencie swojej historii. Na przykład, temperatura 700°C i wysokie ciśnienie kilkadziesiąt tysięcy razy większe od ciśnienia atmosferycznego sugerują, że skała znajdowała się głęboko w skorupie ziemskiej w pewnym okresie swojej geologicznej historii. Wnioskuje on, co stało się ze skałami, ale nie jak dawno temu to się stało. Tu właśnie pojawia się drugi rodzaj czasu: absolutny w porównaniu do względnego. „Staramy się określić kiedy”, wyjaśnia Mueller. „Moim zadaniem jest przyjrzenie się chemii skały, w tym jej izotopom, i próba określenia absolutnych czasów dla wydarzeń zapisanych w skale i cyrkoniach.”
Jak dokładne są te liczby? „W zależności od historii skały, możemy datować rzeczy w dzisiejszych czasach z dokładnością do kilku setnych procenta jej wieku” – odpowiada Mueller. Oznacza to, na przykład, plus lub minus milion lat z trzech miliardów. Datowanie węglem-14 nie może sięgać dalej niż około 70 000 lat wstecz, ponieważ okres półtrwania węgla-14 wynosi tylko 5 730 lat. (Okres połowicznego rozpadu to czas potrzebny do zmiany połowy oryginalnego izotopu radioaktywnego na inny pierwiastek). Dla porównania, okres połowicznego rozpadu radioaktywnego izotopu uranu 238 wynosi 4,5 miliarda lat, co czyni go przydatnym do datowania bardzo starych materiałów.
Chronologia cyrkonu zaczyna się w terenie. „Wychodzisz na zewnątrz i szukasz względnych relacji wiekowych, zobacz, która jednostka skalna powstała jako pierwsza” – mówi Henry. „Na przykład, może być granit, który zawiera kawałki innych rodzajów skał zamkniętych w granicie. Ze względu na ich położenie wiemy, że skały zamknięte w granicie muszą być starsze.” Geolodzy mapują obszar, aby zidentyfikować te względne relacje wiekowe. Następnie zbierają próbki, które ważą od dwóch do ponad stu funtów, w zależności od rodzaju skały. Cyrkony nie są rzadkie; w rzeczywistości, są powszechne w skałach granitowych. Są to jednak maleńkie ziarenka, które stanowią jedynie niewielką część danej próbki, zazwyczaj mniej niż dziesiątą część jednego procenta, i są rozproszone w całej skale. To sprawia, że wyodrębnienie cyrkonów jest żmudnym procesem. Skała jest mielona w celu rozbicia jej na pojedyncze ziarna mineralne. Następnie, „ponieważ cyrkon jest bardziej gęsty niż prawie każdy inny minerał, umieszczamy zmieloną skałę w cieczy o bardzo dużej gęstości, tak by tylko najgęstsze minerały opadły na dno”, wyjaśnia Henry. Innymi słowy, mówi Mueller, „cyrkony toną”. Używamy również właściwości magnetycznych cyrkonii, aby oddzielić te najbardziej dziewicze od reszty.”
Wtedy zaczyna się szczegółowa praca geochronologiczna. „Wezmę ułamek tych cyrkonów, zrobię z nich cienkie przekroje – plasterki minerału o grubości trzydziestu mikrometrów, mniej więcej tak grube jak włos, które są montowane na szkle – i zorientuję się, jak wyglądają pod względem podziału na strefy, czy przeszły wiele epizodów wzrostu, jak proste lub złożone są”, mówi Henry. Przekazuje te informacje Muellerowi, wraz z kontekstem geologicznym próbki. „Patrzę również na cienki przekrój skały, by dowiedzieć się czegoś o strukturze, w której cyrkon występuje. Czy jest to granit? Czy może w skale metamorficznej, która miała bardziej złożoną historię? A może jest to zmetamorfizowana skała osadowa? Znając jej historię, możemy znacznie lepiej zinterpretować wiek skały.”
„Aby zrozumieć względną historię geologiczną skały, Darrell używa cienkich przekrojów, ponieważ interesują go relacje pomiędzy wszystkimi minerałami, z których składa się skała,” wyjaśnia Mueller. „Jednak dla geochronologii interesują nas minerały, które stanowią jedną dziesiątą jednego procenta lub mniej”. Ogląda on cyrkon przy użyciu różnych technik – „światło odbite od ziaren, światło przepuszczone przez nie, światło katodoluminescencyjne wynikające z uderzenia w cyrkon wiązką elektronów” – aby ustalić skalę, w której ziarna cyrkonu powinny być analizowane. Ilościowa mikroanaliza pierwiastków w cyrkonie wykonywana jest za pomocą mikroprobówki elektronowej. „Pozwala nam to na analizę elementów w skali mikronowej (milionowej części metra) przy użyciu cienkiej wiązki elektronów,” wyjaśnia Henry. „Elektrony napromieniowują próbkę, powodując, że atomy w samej próbce zaczynają emitować promieniowanie rentgenowskie. Każdy z atomów różnych pierwiastków w próbce emituje promieniowanie rentgenowskie o charakterystycznej długości fali. Można je następnie porównać z wzorcem o znanym stężeniu danego pierwiastka i uzyskać dokładny skład tej małej plamki. Pojedyncze ziarno cyrkonu może składać się z wielu stref o różnym składzie i wieku. Skład izotopowy może być określony za pomocą sondy jonowej. Czy chcemy przyjrzeć się całemu ziarnu, czy też powinniśmy skierować niewielką wiązkę jonów tlenu o średnicy 300 mikrometrów na części ziarna cyrkonu w celu analizy izotopów U (uranu) i Pb (ołowiu), abyśmy mogli datować to miejsce i prześledzić indywidualną historię cyrkonu?”. Alternatywnie, uran i ołów mogą zostać oddzielone chemicznie, gdy pojedyncze ziarno cyrkonu zostanie rozpuszczone w kwasie fluorowodorowym. „Następnie analizujemy je na spektrometrze masowym, który daje nam stosunek poszczególnych izotopów uranu i ołowiu, a na tej podstawie możemy obliczyć czas,” wyjaśnia Mueller.
Ultimately, says Henry, „all of these data are combined into a larger picture of how the Earth worked billions of years of years ago.” Według słów Muellera, „sprowadza się to do tego, że im więcej wiemy o różnorodności skał, które tworzyły najwcześniejsze kontynenty i jak te kontynenty ewoluowały, tym lepiej widzimy, jak formowała się Ziemia i jak przebiegały wczesne procesy, które oddzielały skorupę od płaszcza i prawdopodobnie nawet płaszcz od jądra”. Mueller opisuje współpracę swoją i Henry’ego jako równoległą podróż. „Nasze badania maszerują tą samą drogą i czasami trzymamy się za ręce, a czasami idziemy swoimi drogami”. W obu przypadkach nieustannie wymieniają się informacjami uzyskanymi dzięki różnym podejściom i zawsze jest coś nowego, na co można zwrócić uwagę. Mueller podsumowuje to następująco: „Jedna skała to dużo pracy”
.