Fotografie prin amabilitatea lui Paul Mueller
Care sunt cele mai vechi roci de pe Pământ și cum s-au format? Materialul care deține cea mai mare perspectivă asupra acestor întrebări fundamentale, deoarece poate conține o înregistrare a unora dintre cele mai timpurii istorii ale Pământului, este un mineral numit zircon. De exemplu, câteva grăunțe de zirconiu găsite la începutul anilor 1990 într-o gresie din vestul Australiei datează de acum 4,2-4,3 miliarde de ani, iar noi știm de la meteoriți că Pământul nu este cu mult mai vechi, având 4,56 miliarde de ani. Profesorii de geologie Darrell Henry, de la Louisiana State University, și Paul Mueller, de la University of Florida, sunt experți în mai multe tehnici care pot extrage informații precise despre vârsta zirconului. Ei sunt în căutarea unora dintre cele mai vechi roci din scoarța continentală, a zirconilor din interiorul lor și a indiciilor pe care zirconii le conțin cu privire la formarea planetei.
Formați inițial prin cristalizare dintr-un magma sau în roci metamorfice, zirconii sunt atât de durabili și rezistenți la atacuri chimice încât rareori dispar. Ei pot supraviețui multor evenimente geologice, care pot fi înregistrate în inele de zirconiu suplimentar care cresc în jurul cristalului original, precum inelele copacilor. Ca o mică capsulă a timpului, zirconul înregistrează aceste evenimente, fiecare dintre ele putând dura sute de milioane de ani. Între timp, miezul zirconului în sine rămâne neschimbat și păstrează caracteristicile chimice ale rocii în care s-a cristalizat inițial.
Zirconul conține elementul radioactiv uraniu, pe care Dr. Mueller îl numește „ceasul din interiorul zirconului”, deoarece se transformă în elementul plumb la o rată specifică pe o perioadă lungă de timp. Potrivit lui Mueller, acest lucru face ca zirconul să fie „cel mai fiabil cronometru natural pe care îl avem atunci când vrem să ne uităm la cea mai timpurie parte a istoriei Pământului”. El continuă să explice că există două moduri de a spune timpul în geologie. „Unul este un timp relativ, ceea ce înseamnă că, dacă există un mineral de un anumit tip, iar în jurul său crește un mineral de un al doilea tip, știți că mineralul interior s-a format primul, dar nu știți cât timp a trecut între cele două.” Henry evaluează aceste tipuri de relații minerale în roci. Pornind de la tipurile de minerale și de la distribuția acestora în roci, el reconstruiește o secvență relativă de evenimente care reflectă schimbarea în timp a unor parametri precum presiunea, temperatura și deformarea. „Dacă am o rocă metamorfică”, detaliază Dr. Henry, „pot folosi tipurile de minerale și chimia lor pentru a determina condițiile pe care le-a experimentat roca la un moment dat în istoria sa. De exemplu, o temperatură de 700°C și o presiune ridicată de câteva mii de ori mai mare decât presiunea atmosferică implică faptul că a fost adânc în scoarță la un moment dat în istoria sa geologică.” El deduce ce s-a întâmplat cu rocile, dar nu și cu cât timp în urmă s-a întâmplat. Aici intervine cel de-al doilea tip de timp: cel absolut în comparație cu cel relativ. „Noi încercăm să furnizăm când”, explică Mueller. „Treaba mea este să mă uit la chimia rocii, inclusiv la izotopii săi, și să încerc să obțin timpii absoluți pentru evenimentele care sunt înregistrate în rocă și în zirconii săi.”
Cât de precise sunt aceste numere reale? „În funcție de istoria rocii, putem data lucrurile în zilele noastre până la ceva de ordinul a câteva sutimi de procent din vârsta ei”, răspunde Mueller. Asta se traduce, de exemplu, prin plus sau minus un milion de ani din trei miliarde. Datarea cu carbon 14 nu poate merge mai departe de aproximativ 70.000 de ani în urmă, deoarece timpul de înjumătățire al carbonului 14 este de numai 5.730 de ani. (Timpul de înjumătățire este timpul necesar pentru ca jumătate din izotopul radioactiv original să se transforme în alt element). În comparație, timpul de înjumătățire al izotopului radioactiv al uraniului 238 este de 4,5 miliarde de ani, ceea ce îl face util pentru datarea materialelor extrem de vechi.
Cronologia zirconului începe pe teren. „Ieșiți și căutați relații de vârstă relativă, vedeți ce unitate de rocă s-a format prima”, spune Henry. „De exemplu, poate exista un granit care conține bucăți de alte tipuri de roci înglobate în granit. Datorită poziției lor, știm că rocile înglobate în granit trebuie să fie mai vechi.” Geologii cartografiază o zonă pentru a identifica aceste relații de vârstă relativă. Apoi colectează eșantioane, care cântăresc de la două până la mai mult de o sută de kilograme, în funcție de tipul de rocă. Zirconii nu sunt rari; de fapt, ei sunt comuni în rocile granitice. Dar sunt granule mici care reprezintă doar o mică fracțiune din orice eșantion dat, de obicei mai puțin de o zecime de procent, și sunt împrăștiate în toată roca. Acest lucru face ca separarea zirconilor să fie un proces minuțios. Roca este măcinată pentru a o descompune în granule minerale individuale. Apoi, „deoarece zirconul este mai dens decât aproape orice alt mineral, punem roca măcinată într-un lichid cu o densitate foarte mare, astfel încât doar mineralele cele mai dense să cadă la fund”, explică Henry. Cu alte cuvinte, spune Mueller, „zirconii se scufundă. De asemenea, folosim calitățile magnetice ale zirconilor pentru a le separa pe cele mai imaculate de restul.”
Apoi începe munca detaliată de geocronologie. „Voi lua o fracțiune din acei zirconi, voi face secțiuni subțiri din ei – felii de mineral cu o grosime de treizeci de micrometri, aproximativ cât un fir de păr, care sunt montate pe sticlă – și îmi voi face o idee despre cum arată în ceea ce privește modelul de zonare, dacă au trecut prin mai multe episoade de creștere, cât de simple sau complexe sunt”, spune Henry. El îi transmite aceste informații lui Mueller, împreună cu contextul geologic al eșantionului. „De asemenea, mă uit la o secțiune subțire a rocii pentru a afla câte ceva despre cadrul în care apare zirconul. Este într-un granit? Sau este într-o rocă metamorfică care a avut o istorie mai complexă? Sau este o rocă sedimentară metamorfozată? Cunoscându-i istoria, putem interpreta mult mai bine vârsta rocii.”
„Pentru a înțelege istoria geologică relativă a unei roci, Darrell folosește secțiuni subțiri, deoarece este interesat de relațiile dintre toate mineralele, care alcătuiesc roca”, explică Mueller. „Cu toate acestea, pentru geocronologie, suntem interesați de mineralele care alcătuiesc o zecime de unu la sută sau mai puțin.” El examinează zirconul folosind diferite tehnici – „lumina reflectată de boabe, lumina transmisă prin ele, lumina catodoluminescentă rezultată din lovirea zirconului cu un fascicul de electroni” – pentru a stabili scara la care ar trebui să fie analizate boabele de zircon. Microanaliza cantitativă a elementelor din zircon se face cu ajutorul unei microsonde electronice. „Aceasta ne permite să analizăm lucruri la scară de microni (o milionime de metru) folosind un fascicul subțire de electroni”, explică Henry. „Electronii iradiază proba, determinând atomii din interiorul probei însăși să emită raze X. Fiecare dintre atomii diferitelor elemente din eșantion emite raze X cu lungimi de undă caracteristice. Apoi puteți compara aceste radiații cu un standard cu o concentrație cunoscută a elementului și puteți obține o compoziție exactă a acelui mic punct. Un grăunte de zirconiu individual poate fi alcătuit din mai multe zone cu compoziții și vârste diferite. Compozițiile izotopice pot fi determinate cu ajutorul unei sonde ionice. Vrem să ne uităm la întregul grăunte sau ar trebui să direcționăm un fascicul minuscul de ioni de oxigen, cu un diametru de 300 de micrometri, asupra unor părți ale grăuntelui de zirconiu pentru a analiza izotopii U (uraniu) și Pb (plumb), astfel încât să putem data acel punct și să disecăm istoria individuală a zirconiului?”. Alternativ, uraniul și plumbul pot fi separate chimic atunci când un grăunte de zirconiu individual este dizolvat în acid fluorhidric. „Apoi le analizăm pe un spectrometru de masă, care ne oferă rapoartele dintre izotopii individuali de uraniu și plumb, iar din acestea putem calcula timpul”, explică Mueller.
În cele din urmă, spune Henry, „toate aceste date sunt combinate într-o imagine mai largă a modului în care Pământul a funcționat cu miliarde de ani în urmă”. În cuvintele lui Mueller, „totul se reduce la faptul că, cu cât știm mai multe despre varietatea de roci care au alcătuit primele continente și despre modul în care au evoluat aceste continente, cu atât mai bună este fereastra noastră asupra modului în care s-a format Pământul și asupra proceselor timpurii care au separat crusta de mantaua și, probabil, chiar și mantaua de nucleu”. Mueller descrie colaborarea sa și a lui Henry ca pe o călătorie paralelă. „Cercetările noastre mărșăluiesc pe același drum, iar uneori ne ținem de mână și alteori mergem pe drumuri separate”. În oricare dintre cazuri, ei fac în mod constant schimb de informații rezultate din diferitele lor abordări și întotdeauna există ceva nou la care să ne uităm. Mueller rezumă totul: „O piatră înseamnă multă muncă.”
.