Foto med tillstånd av Paul Mueller
Vad är de äldsta stenarna på jorden och hur bildades de? Det material som har den största insikten i dessa grundläggande frågor, eftersom det kan innehålla ett register över en del av jordens tidigaste historia, är ett mineral som heter zirkon. Några få zirkonkorn som hittades i början av 1990-talet i en sandsten från västra Australien är till exempel 4,2-4,3 miljarder år gamla, och vi vet från meteoriter att jorden inte är mycket äldre, nämligen 4,56 miljarder år. Geologiprofessorerna Darrell Henry vid Louisiana State University och Paul Mueller vid University of Florida är experter på flera tekniker som kan extrahera exakt åldersinformation från zirkoner. De letar efter några av de äldsta stenarna i kontinentalskorpan, efter zirkonerna i dem och efter de ledtrådar som zirkonerna innehåller om planetens bildning.
Originellt bildas zirkonerna genom kristallisering från en magma eller i metamorfa bergarter, och de är så tåliga och motståndskraftiga mot kemiska angrepp att de sällan försvinner. De kan överleva många geologiska händelser, som kan registreras i ringar av ytterligare zirkon som växer runt den ursprungliga kristallen likt trädringar. Som en liten tidskapsel registrerar zirkonen dessa händelser, som var och en kan pågå i hundratals miljoner år. Under tiden förblir själva zirkonkärnan oförändrad och bevarar de kemiska egenskaperna hos den bergart i vilken den ursprungligen kristalliserade.
Zirkon innehåller det radioaktiva grundämnet uran, som dr Mueller kallar ”klockan inom zirkon” eftersom det omvandlas till grundämnet bly i en specifik takt under en lång tidsperiod. Enligt Mueller gör detta zirkoner till ”den mest tillförlitliga naturliga kronometer som vi har när vi vill titta på den tidigaste delen av jordens historia”. Han fortsätter med att förklara att det finns två sätt att ange tid inom geologin. ”Det ena är en relativ tid, vilket innebär att om det finns ett mineral av ett slag och det runt omkring växer ett mineral av ett annat slag, så vet man att det inre mineralet bildades först, men man vet inte hur mycket tid som förflöt mellan de två.” Henry utvärderar dessa typer av mineralrelationer i stenar. Utifrån mineraltyperna och deras fördelning i stenarna rekonstruerar han ett relativt händelseförlopp som återspeglar förändringen över tiden av parametrar som tryck, temperatur och deformation. ”Om jag har en metamorfisk sten”, utvecklar Henry, ”kan jag med hjälp av mineraltyperna och deras kemi fastställa de förhållanden som stenen hade upplevt någon gång under sin historia. En temperatur på 700 °C och ett högt tryck på flera tusen gånger det atmosfäriska trycket innebär till exempel att den har befunnit sig djupt inne i jordskorpan någon gång under sin geologiska historia.” Han drar slutsatser om vad som har hänt med stenarna, men inte hur länge sedan det hände. Det är där den andra typen av tid kommer in: absolut jämfört med relativ. ”Vi försöker att ange när”, förklarar Mueller. ”Mitt jobb är att titta på stenens kemi, inklusive dess isotoper, och försöka härleda de absoluta tiderna för de händelser som registrerats i stenen och dess zirkoner.”
Hur exakta är de faktiska siffrorna? ”Beroende på stenens historia kan vi datera saker och ting nuförtiden ner till något i storleksordningen några hundradelar av en procent av dess ålder”, svarar Mueller. Det motsvarar till exempel plus eller minus en miljon år av tre miljarder. Kol-14-datering kan inte gå längre tillbaka än cirka 70 000 år, eftersom halveringstiden för kol-14 bara är 5 730 år. (Halveringstiden är den tid det tar för hälften av den ursprungliga radioaktiva isotopen att övergå till ett annat grundämne). Som jämförelse är halveringstiden för den radioaktiva isotopen uran 238 4,5 miljarder år, vilket gör den användbar för att datera extremt gamla material.
Zirkonkronologin börjar i fält. ”Man går ut och letar efter relativa åldersförhållanden, ser vilken bergart som bildades först”, säger Henry. ”Det kan till exempel finnas en granit som innehåller bitar av andra typer av bergarter som är inneslutna i graniten. På grund av deras placering vet vi att de stenar som är inneslutna i graniten måste vara äldre.” Geologer kartlägger ett område för att identifiera dessa relativa åldersförhållanden. Sedan samlar de in prover, som väger från två till mer än hundra pund, beroende på bergarten. Zirkoner är inte sällsynta; de är faktiskt vanliga i granitsten. Men de är små korn som bara utgör en liten del av ett visst prov, vanligtvis mindre än en tiondels procent, och de är utspridda i hela berget. Detta gör att det är en mödosam process att separera ut zirkonerna. Stenen mals sönder för att bryta upp den i enskilda mineralkorn. Sedan, ”eftersom zirkon är tätare än nästan alla andra mineral, lägger vi den malda stenen i en vätska med mycket hög densitet så att endast de tätaste mineralerna faller igenom till botten”, förklarar Henry. Med andra ord, säger Mueller, ”zirkoner sjunker”. Vi använder också zirkonernas magnetiska egenskaper för att skilja de mest orörda från resten.”
Därefter börjar det detaljerade geokronologiska arbetet. ”Jag tar en del av dessa zirkoner, gör tunna sektioner av dem – skivor av mineral som är trettio mikrometer tjocka, ungefär lika tjocka som ett hårstrå, som monteras på glas – och får en uppfattning om hur de ser ut när det gäller zonindelningsmönster, om de genomgått flera tillväxtepisoder, hur enkla eller komplexa de är”, säger Henry. Han skickar denna information vidare till Mueller, tillsammans med provets geologiska sammanhang. ”Jag tittar också på ett tunt snitt av berget för att lära mig något om den ram i vilken zirkonen förekommer. Är det i en granit? Eller är det i en metamorf bergart som har haft en mer komplex historia? Eller är det en metamorfoserad sedimentär bergart? Genom att känna till dess historia kan vi tolka stenens ålder mycket bättre.”
”För att förstå den relativa geologiska historien för en sten använder Darrell tunna snitt eftersom han är intresserad av relationerna mellan alla mineraler som utgör stenen”, förklarar Mueller. ”Men för geokronologi är vi intresserade av de mineraler som utgör en tiondels procent eller mindre.” Han tittar på zirkonet med hjälp av olika tekniker – ”ljus som reflekteras av kornen, ljus som genomstrålar dem, katodoluminescerande ljus som uppstår när man träffar zirkonet med en elektronstråle” – för att fastställa i vilken skala zirkonkornen ska analyseras. Kvantitativ mikroanalys av grundämnena i zirkon görs med en elektronmikrosond. ”Detta gör det möjligt för oss att analysera saker på en mikronskala (en miljondels meter) med hjälp av en tunn elektronstråle”, förklarar Henry. ”Elektronerna bestrålar provet, vilket gör att atomer i själva provet avger röntgenstrålar. Varje atom av de olika grundämnena i provet avger röntgenstrålar med karakteristiska våglängder. Man kan sedan jämföra dessa med en standard med en känd koncentration av grundämnet och få fram den exakta sammansättningen av den lilla fläcken. Ett enskilt zirkonkorn kan bestå av många zoner med olika sammansättning och ålder. Isotopsammansättningar kan bestämmas med en jonsond. Vill vi titta på hela kornet eller ska vi rikta en liten stråle av syrejoner, 300 mikrometer i diameter, mot delar av zirkonkornet för att analysera för U (uran) och Pb (bly) isotoper så att vi kan datera den fläcken och dissekera zirkonens individuella historia?” Alternativt kan uran och bly separeras kemiskt när ett enskilt zirkonkorn löses upp i fluorvätesyra. ”Sedan analyserar vi dem på en masspektrometer som ger oss förhållandet mellan de enskilda uran- och blyisotoperna och utifrån det kan vi beräkna tiden”, förklarar Mueller.
I slutändan, säger Henry, ”kombineras alla dessa data till en större bild av hur jorden fungerade för miljarder år sedan”. Med Muellers ord ”kokar det ner till det faktum att ju mer vi vet om de olika bergarter som utgjorde de tidigaste kontinenterna och hur dessa kontinenter utvecklades, desto bättre blir vårt fönster till hur jorden bildades och de tidiga processer som separerade jordskorpan från manteln och förmodligen även manteln från kärnan”. Mueller beskriver sitt och Henrys samarbete som en parallell resa. ”Vår forskning marscherar på samma väg, och ibland håller vi varandra i handen och ibland går vi skilda vägar.” I båda fallen utbyter de ständigt information som deras olika tillvägagångssätt ger, och det finns alltid något nytt att titta på. Mueller sammanfattar det hela: ”En sten är mycket arbete.”