Radiometrinen ajoitus: määritelmä, käyttö ja tärkeimmät menetelmät

Radiometrinen ajoitus: opas määritelmään, käyttöihin ja keskeisiin menetelmiin—radiohiili, kalium-argon ja uraani-lyijy. Tutustu ikämäärityksen perusteisiin ja sovelluksiin.

Radiometrinen ajoitus (usein kutsutaan myös radioaktiiviseksi ajoitukseksi) on joukko menetelmiä, joilla määritetään materiaalin ikä mittaamalla luonnossa esiintyvien radioaktiivisten isotooppien ja niiden hajoamistuotteiden suhteita näytteissä. Menetelmä perustuu tunnettuun hajoamisnopeuteen (eli puolittumisaikaan) ja hajoamislakiin, joiden avulla voidaan laskea, kuinka kauan ajan mittaan tietty määrä vanhempaa isotooppia on hajonnut tietyksi määräksi tytärisotooppia. Radiometrinen ajoitus on geokronologian tärkein työkalu; sen avulla saadaan tietoja kivien, fossiilien ja maan prosessien iästä sekä ihmisen tekemien esineiden ajoituksista.

Periaate lyhyesti

Perusidea on yksinkertainen: jos näytteessä on tietty radioaktiivinen isotooppi, joka hajoaa tunnetulla nopeudella toiseen isotooppiin, voidaan ajan kuluessa syntyvän tytärisotoopin määrästä ja jäljellä olevan vanhemman isotoopin määrästä päätellä, kuinka kauan hajoaminen on kestänyt. Laskennassa käytetään eksponentiaalista hajoamislakia ja puolittumisaikaa (aika, jonka kuluessa puolet alkuperäisestä isotooppimäärästä on hajonnut).

Sovellukset ja yleiset käyttökohteet

Radiometrisia menetelmiä käytetään monenlaisissa tutkimuksissa:

• Geologian ja paleontologian aikaskaalojen rakentaminen ja kivien iän määrittäminen (geokronologia).
• Arkeologian ajoitukset, erityisesti orgaanisten materiaalien kohdalla (radiohiiliajoitus)—esimerkiksi muinaiset esineet ja asuinpaikat (arkeologiset tutkimukset).
• Fossiilien iän rajaaminen ottamalla näytteitä niiden ylä- ja alapuolisista kerroksista (fossiilit).
• Maapallon iän ja varhaisten geologisten tapahtumien tutkiminen (maapallon ikä).

Tavalliset radiometriset menetelmät

• Radiohiiliajoitus (14C) — soveltuu orgaanisille materiaaleille ja ikähaarukkaan ~300–50 000 vuotta; vaatii kalibrointia dendrokronologian ja muiden kalibrointiaineistojen avulla. Linkki mainittuun menetelmään: radiohiiliajoitus.
• Kalium-argon (K–Ar) ja argon-argon (40Ar/39Ar) — käytetään tuliperäisten kivien ja mineraalien, kuten mika- ja felsiininäytteiden ajoittamiseen; sopii miljoonista miljardeihin vuosiin. Katso: kaliumargonidatointi.
• Uraani-lyijy (U–Pb) — erityisen luotettava vanhojen kivien ajoittamiseen, käytetään usein zirkonimineraalissa; voi tuottaa ikäarvioita miljardeista vuosista alkaen. Lisätietoa: uraani-lyijy-datointi.
• Uraanisarjadatointi (U-series) — soveltuu mm. karbonaatitutkimukseen, koralleihin ja luuihin, ja kattaa nuorempia aikaskaaloja (satoja tuhansia vuosia).
• Fissioura / jälkiraiteet — havaitsee ydinreaktioiden synnyttämiä vaurioita mineraalirakenteissa; käytetään mm. kivien jäähdytys- ja denudaatiohistoriaan.
• Optinen stimuloitu luminesenssi (OSL) ja termoluminesenssi (TL) — mittaavat mineraalin viimeistä altistumista valolle tai lämmölle; käytetään erityisesti sedimenttien ajoituksessa.

Menetelmän keskeiset oletukset ja rajoitteet

Radiometrinen ajoitus perustuu useisiin tärkeisiin oletuksiin. Niiden rikkominen voi johtaa virheellisiin ikäarvioihin, joten tutkijoiden on arvioitava näytteiden historia huolellisesti.

• Suljettu systeemi: näyte ei saa päästää isotooppeja ulos tai sisään tutkimusajanjakson aikana. Jos esimerkiksi tytärisotooppia on lisätty ulkopuolelta tai poistunut systeemistä, laskelmat vääristyvät.
• Alkuperäisen tytärisotoopin tuntemus: joskus näyte on voinut sisältää tytärisotooppia jo alun perin; tähän korjaukseen on menetelmiä, kuten isokroni-menetelmä.
• Puolittumisajan tarkkuus: hajoamisvakioiden tuntemus on erittäin hyvä useimmille isotoopeille, mutta pienet epävarmuudet vaikuttavat lopulliseen ikäarvioon.
• Kontaminaatio: ulkopuoliset hiukkaset tai kemialliset prosessit voivat muuttaa mittaustuloksia (esim. maaperän argonin lateraalinen liike).
• Resetointi: geologiset tapahtumat (esim. uudelleen sulaminen, metamorfismi) voivat nollata isotooppisuhteita ja antaa nuoremman iän kuin syntyinen tapahtuma.

Menetelmien tarkkuus, ikärajoja ja kalibrointi

Jokaisella menetelmällä on oma käyttökelpoinen ikähaarukkansa ja tarkkuutensa. Esimerkiksi radiohiiliajoituksen luotettavuus heikkenee noin 50 000 vuoden jälkeen, kun taas U–Pb ja K–Ar soveltuvat hyvin miljoonien–miljardien vuosien ajoittamiseen. Tarkkuuteen vaikuttaa näytteen laatu, analyysitekniikka ja kalibrointi.

Radiohiili vaatii kalibrointia, koska ilmakehän 14C-pitoisuus on vaihdellut ajan myötä. Kalibrointikäyrät yhdistävät 14C-ajat todellisiin kalenterivuosiin käyttämällä esimerkiksi puun vuosilusto (dendrokronologia) ja merellisiä/ilmastollisia arkistoja. Lisäksi on ilmiöitä kuten reservoir-efekti, joka voi tehdä fossiilipohjaiset vesieliöt näyttämään vanhemmilta radiohiilen mukaan.

Näytteiden valinta ja laboratorioanalyysit

Hyvän iän määrittämisen perusta on huolellinen näytteenotto ja valmistelu. Näytevalinnassa huomioidaan:

• valitaan oikea materiaali menetelmälle (esim. orgaaninen materiaali 14C:lle, zirkoni U–Pb:lle);
• välttetään kontaminaatiota näytteenoton ja kuljetuksen aikana;
• standardien ja vertailunäytteiden käyttö laadunvarmistukseen;
• käytetään tarvittaessa useampaa menetelmää ja ristisuhdetta luotettavuuden varmistamiseksi (esim. K–Ar ja 40Ar/39Ar tai U–Pb ja fissioura).

Luotettavuuden parantaminen: isokroni- ja ristisuhdemenetelmät

Isokroni-menetelmä on tapa korjata alkuperäisen tytärisotoopin vaikutus ilman oletusta nollapitoisuudesta. Lisäksi eri menetelmien yhteiskäyttö ja stratigrafinen konteksti antavat parhaan mahdollisen iän. Usein geologit vertaavat radiometrisia tuloksia sedimenttikerrostumien, fossiilien ja muiden kronologisten merkkien kanssa.

Rajoitukset ja väärintulkinnat

Virheelliset tulkinnat syntyvät usein huonosti valituista näytteistä, geokemiallisesta uudelleenmuokkautumisesta tai kalibroinnin laiminlyönnistä. Esimerkiksi vulkaanisen tuhkan kerros, joka on ajoitettu K–Ar-menetelmällä, antaa luotettavan ajoituksen tapahtumalle, mutta samaa ei voi aina sanoa sedimentin sisältämistä frisistään tai pyöristyneistä mineraaleista, jotka voivat olla vanhempia ja edustaa lähteen iän eikä sedimentin kerrostumisen aikaa.

Lopuksi

Radiometrinen ajoitus on voimakas ja monipuolinen työkalu, joka on tuonut selkeyttä maan historiaan, elämän kehitykseen ja ihmisen menneisyyteen. Oikein käytettynä ja tulkittuna se tarjoaa luotettavia iänmäärityksiä eri aikaskaaloilla. Tulosten arviointi edellyttää ymmärrystä menetelmän oletuksista, mahdollisista häiriöistä ja analyysien tarkasta laadunvalvonnasta.

Radioaktiivinen hajoaminen

Kaikki tavallinen aine koostuu kemiallisten alkuaineiden yhdistelmistä, joilla kullakin on oma järjestyslukunsa, joka ilmaisee protonien lukumäärän atomiytimessä. Alkuaineita on olemassa eri isotooppeina, ja kukin alkuaineen isotooppi eroaa toisistaan ytimessä olevien neutronien lukumäärän suhteen. Tietyn alkuaineen tiettyä isotooppia kutsutaan nuklidiksi. Jotkin nuklidit ovat luonnostaan epävakaita. Toisin sanoen jossain vaiheessa tällaisen nuklidin atomi muuttuu spontaanisti radioaktiivisen hajoamisen kautta eri nuklidiksi. Hajoaminen voi tapahtua hiukkasten (yleensä elektronien (beetahajoaminen), positronien tai alfahiukkasten) emissiolla tai spontaanilla ydinfissiolla ja elektronin sieppauksella.

Ikäyhtälö

Matemaattinen lauseke, joka yhdistää radioaktiivisen hajoamisen geologiseen aikaan, on:

D = D₀ + N(e^λt - 1)

jossa

t on otoksen ikä,

D on näytteessä olevien tytärisotooppiatomien lukumäärä,

D₀ on tytärisotoopin atomien lukumäärä alkuperäisessä koostumuksessa,

N on emäisotoopin atomien lukumäärä näytteessä, ja

λ on emoisotoopin hajoamisvakio, joka on yhtä suuri kuin emoisotoopin radioaktiivisen puoliintumisajan käänteisluku kertaa luonnollinen logaritmi 2.

Tässä yhtälössä käytetään tietoja emo- ja tytärisotoopeista materiaalin jähmettymisajankohtana. Tämä tunnetaan hyvin useimpien isotooppijärjestelmien osalta. Isokronin (suoraviivainen kuvaaja) piirtämistä käytetään ikäyhtälön ratkaisemiseen graafisesti. Se osoittaa näytteen iän ja alkuperäisen koostumuksen.

 
Samarium-neodyymi (Sm/Nd) -isokronidiagrammi näytteistä. Great Dyke, Zimbabwe. Ikä lasketaan isokronin kaltevuudesta (viiva) ja alkuperäinen koostumus isokronin ja y-akselin leikkauspisteestä.  

Kysymyksiä ja vastauksia

Q: Mitä on radiometrinen ajoitus?

Kysymys: Mitkä ovat esimerkkejä materiaaleista, jotka voidaan ajoittaa radiometrisen ajoituksen avulla?

K: Miten radiohiiliajoitus toimii?

K: Mitä yleisiä tekniikoita käytetään radiometrisessä ajoituksessa?

K: Miten radiometristä datointia käytetään geologisen aikaskaalan määrittämiseen?

K: Voiko radiometristä dataa käyttää eläviin organismeihin?

Hae kirjaimella