Gamtos tyrimų centro mokslo darbuotojas ir „Mokslo sriubos“ savanoris dr. Laurynas Šiliauskas

Viljamas Rentgenas 1895 metais sudrebino visuomenę ir mokslo pasaulį atradęs rentgeno spindulius. Šio atradimo rezonansas buvo didžiulis, atsirado visiškai nežinomas energijos šaltinis, naujas laukas tyrimams ir atradimams. Vienas iš jų, visiškai atsitiktinis, buvo atliktas prancūzų mokslininko Henrio Bekerelio. Jis 1896 metais pastebėjo, jog urano junginiai savaime skleidžia spindulius panašius į rentgeno. Pradžioje Bekerelio „urano spinduliai“ nesusilaukė tokio didelio tarptautinio dėmesio kaip rentgeno spinduliai. Ironiška, bet Lordas Kelvinas, kurio Žemės amžiaus skaičiavimai geologams ilgą laiką kišo koją, buvo vienas iš pirmųjų patvirtinusių Bekerelio atradimą. Tačiau Kelvino susidomėjimas čia ir baigėsi. Taip jau nutiko, kad jis buvo geras Pjero Kiuri bičiulis. Tikėtina, kad Kelvino tolimesnis nesidomėjimas „urano spinduliais“, ir draugystė su Pjeru, paskatino Mari Kiuri atlikti doktorantūros darbą šia tema. Darbo laboratorijoje metu ji atskyrė uraną iš urano rūdos bei tyrė liekanas. Šiose liekanose Mari Kiuri atrado du naujus radioaktyvius elementus: radį (nuo lotyniško žodžio reiškiantį spinduliuoti) bei polonį (pavadintą jos tėvynės garbei). Termino „radioaktyvumas“ atsiradimas siejamas su Pjeru ir Mari Kiuri. 1903 metais kartu su kolegomis, jie išleido straipsnį apie radžio radioaktyvaus skilimo skleidžiamą šilumą. Jų atradimas ne tik pelnė Nobelio premiją, bet ir sulaukė didžiulio visuomenės dėmesio. Netrukus radis buvo pradėtas naudoti įvairiose kasdienėse prekėse, mat jis skleidė šilumą. Gydytojai paskirdavo pacientams vandenį su radžiu nuo įvairiausių ligų. Atradimas buvo svarbus ir iš geologinės pusės, nes radžio skleidžiama šiluma reiškė, jog Žemės šiluma nėra vien sukaupta energija, sklindanti nuo jos susidarymo, kaip teigė Lordas Kelvinas, ir jo apskaičiuotas 20-40 milijonų metų Žemės amžius yra klaidingas.

Radioaktyvumo atradimas sulaukė didžiulio susidomėjimo mokslo visuomenėje, o vėliau ir karo pramonėje. Stebėtinai greitai buvo suvokta, jog šis fenomenas gali būti pritaikytas ir geologijoje, nustatant uolienų, jose esančių mineralų, o taip pat ir visos Žemės amžių. Laikui bėgant, buvo nustatyta, kad vienodi elementai turi skirtingas mases. Jiems suteiktas izotopų pavadinimas. Pagrindinės šiuolaikinėje geologijoje naudojamos izotopų sistemos yra Sm-Nd, Rb-Sr, Lu-Hf, K-Ar, Ar-Ar ir, kone plačiausiai naudojama, U-Pb sistema, kuri buvo pirmoji sėkmingai pritaikyta geologinėse sistemose ir jos pagrindu pradėtos taikyti kitos. Šiame straipsnyje trumpai aptarsiu U-Pb metodo raidą, sukėlusią revoliuciją geologijoje, bei kodėl cirkonas (Pav. 1) yra taip mėgstamas geologų.

Cheminis datavimas: U-Pb izotopinio metodo preliudas

Ernestas Ruferfordas ir Frederikas Sodi 1902 metais publikavo keletą straipsnių, kuriuose jie įrodė, jog radioaktyvumą sukelia nestabilaus elemento kitimas į stabilią būseną. Jie nustatė, kad vienas iš urano skilimo produktų yra helis bei aprašė šį kitimą matematiškai. Panašiu metu, Bertramas Boltvudas tyrinėdamas U-turinčius mineralus iš skirtingų pasaulio vietų nustatė, kad radis taip pat susidaro urano skilimo metu. Kartu su Ruferfordu jis nustatė Ra/U santykio standartą 3.4∙10^-7 g Ra viename grame U (Kovarik, 1929). Netrukus Ruferfordas suvokė, jog He/U santykis gali būti panaudotas mineralų amžiui įvertinti. Jo prielaida buvo tai, kad uždaroje sistemoje (mineralo kristalinėje gardelėje) per tam tikrą laiko tarpą, tai yra, skilimo pusperiodį, pusė esančio urano taps heliu. Praėjus dar vienam tokiam skilimo pusperiodžiui, pusė likusio urano vėlgi suskils. Susikaupęs helis gali būti perskaičiuojamas į urano ekvivalentą, tad helio kaupimosi greitį aprašanti urano skilimo konstanta gali būti panaudota apskaičiuojant kiek laiko truko helio kaupimasis. Pirmuosius cheminio datavimo amžius jis paskelbė dar 1904 metais (Mattinson, 2013), atliktus fergusonite (YNbO; pav. 2a), siekusius 500 milijonų metų (Rutherford, 1906). Tačiau Ruferfordas greitai suvokė, jog gautas amžius yra minimalus, nes dalis helio galėjo pasprukti iš tirto mineralo per mikroplyšius (Rutherford, 1906).

Bertrandas Boltvudas tyrinėdamas U turinčius mineralus pastebėjo, jog kartu visada randamas ir švinas. Jam iš karto kilo įtarimas, jog šis elementas gali būti galutinis U skilimo produktas. Straipnsyje apie urano skilimo produktus jis rašo: „Atlikus daugybę analizių su tikslu nustatyti ar mėginyje yra švino ar jo nėra, man nepavyko surasti nei vieno mineralo kuriame U kiekis yra didesnis nei 2 procentai be išmatuojamo kiekio švino“ (Boltwood, 1905). Kadangi urano atominė masė yra 238.5, praradus tris α daleles (He branduoliai), likusi masė bus 238.5-12=226.5, artima radžio masei (225). Radis išspinduliuoja penkias α daleles, tad galutinė masė bus 238.5-32=260.5, artima švino atominei masei 206.9. Ruferfordas įžvelgė švino potencialą uolienų datavime, nes švinas, ne taip kaip He, nėra lakus. Jo paskatintas, Boltvudas paskelbė pirmuosius U-Pb (cheminius) datavimus daugiau kaip 50 mėginių iš skirtingų pasaulio vietų. Jų amžius svyravo nuo 410 iki 2200 milijonų metų (Boltwood, 1907). Pats autorius atkreipia dėmesį, jog gautų amžių patikimumas priklauso nuo Ra skilimo konstantos tikslumo, be to, dar nebuvo žinoma apie izotopų egzistavimą. Negana to, mineralai naudoti tyrime buvo tokie kaip uraninitas ir torianitas (pav. 2b,c), kurie turi itin aukštus radioaktyvių elementų kiekius, kurių skilimo metu išmetama energija ir α dalelės suardo mineralų kristalinę struktūrą, sukuria mikroplyšiavimą, pro kurį, ne taip kaip tuometiniai mosklininkai galvojo, gali pasišalinti švinas. Nepaisant daugybės trūkumų, šio metodo potencialas geologijos moksle buvo greitai pripažintas.

Boltvudas netrukus nustojo datuoti uolienas ir grįžo prie U skilimo eilės tyrinėjimo. Laboratorijose jis bandė atkartoti gamtoje randamo Ra/U sąryšį. 390 dienų trukmės eksperimento metu jis stebėjo radžio pokyti urane. Jo prielaida buvo tai, kad jeigu Ra yra tiesioginis U skilimo produktas, laboratorijos sąlygomis švariame urane turi būti įmanoma „užauginti“ naują radį. Laikas nuo laiko jis matuodavo Ra kiekį radžio emanacijos metodu, kuriuo galima aptikti itin mažus šio elemento kiekius, tačiau Ra mėginiuose nerado. Boltvudas suprato, jog egzistuoja kitas skilimo produktas, tarpinis, tarp U ir Ra, kurio skilimo pusperiodis yra daug ilgesnis. Šį elementą jis pavadino „joniu“ (angl. Ionium), ir tik praėjus 4 metams nuo 390 dienų eksperimento pabaigos mėginyje buvo užfiksuotas mažytis kiekis Ra, o „jonis“ galiausiai identifikuotas kaip tuo metu jau žinomas elementas toris.

Boltvudo U-Pb amžiai, nors šiandien ir žinome, kad nebuvo tikslūs, buvo svarbūs tolimesnėje metodo raidoje. Tačiau gauti amžiai neturėjo vieno svarbaus dalyko: geologinio konteksto. Boltvudas datuotus mineralus tiesiog skirstė į „pirminius“ ir „antrinius“ (su mineraloginiais pakitimais), nekreipdamas dėmesio kokiose uolienose jie susidarė, kokį kūną sudaro uolienos, kuriose yra datuotas mineralas, koks to kūno sąryšis su aplinkinėmis uolienomis, ar kaip vieni gauti amžiai dera su kitais gautais amžiais, bei uolienų susidarymo sąlygomis. Tai yra dalis klausimų, kuriuos uždavinėja geologai šiandien. Juos pradėjo uždavinėti Britas Artūras Holmsas. Universitete, vienas iš jo dėstytojų buvo Robertas Strutas, vos metais vėliau nei Boltvudas paskelbęs U-He amžius gautus cirkonuose (Strutt 1910a,b). Strutas suvokė, kad He produkuoja tiek uranas, tiek toris, o He yra prarandamas laikui bėgant dėl jo lakumo, tad gautus amžius laikė minimaliomis vertėmis bei juos vadino U/He santykiais (Strutt 1910a,b). Strutas žinojo, jog U-He amžiai negali būti patikimi, o kai pas jį atėjo dirbti fiziką baigęs Holmsas, šios problemos išsprendimas tapo pagrindine Holmso užduotimi. Tad 1910 metais Holmsas pradėjo ten kur baigė Boltvudas – ties U-Pb datavimais. Kadangi Bolvudas tyrimus atlikinėjo daug U turinčiuose mineraluose, kurie dėl radioaktyvumo buvo plyšiuoti, Holmsas nusprendė tyrimus atlikti cirkonuose, kuriuose urano yra žymiai mažiau (milijoninės dalys). Tuo tikslu Holmsas išvystė didesnio jautrumo cheminės ir radiocheminės analizės metodus (Mattinson, 2013). Pirmieji jo matavimai buvo atlikti cirkonuose iš uranu praturtintų nefelininių sienitų randamų Norvegijoje, kurie susidarė Devono laikotarpiu. Sutrupinus šimtus kilogramų uolienų, buvo atrinkta 17 mėginių po 0.3-2.0 g cirkonų grūdelių, sudarančių mažiau kaip 0.1 % uolienos tūrio (Lewis, 2001). Kiekvienas mėginys buvo analizuotas nuo dviejų iki penkių kartų siekiant užtikrinti duomenų patikimumą, o galutiniuose amžiaus skaičiavimuose naudoti tik 8 mėginiai, kilus įtarimui jog kituose mėginiuose buvo švino perteklius (švino buvo mineralams jau susidarius, arba mėginiai buvo užteršti laboratorijoje). Gautas 370 Ma (mega anum, milijonai metų) amžius buvo pirmą kartą geologijos istorijoje surištas su konkrečia uoliena ir Devono sistema (Lewis, 2001). Holmsas tęsdamas savo darbus perskaičiavo ir Boltvudo paskelbtus amžius, susiedamas gautą skaičių su geologine aplinka taip priskirdamas amžių geologinei sistemai. Holmso nuomone, absoliutūs uolienų datavimai buvo papildomas kontrolinis taškas geologijoje, mat iki tol magminės uolienos kertančios nuosėdines uolienas, būdavo priskiriamos tam tikrai sistemai pagal nuosėdose randamas fosilijas (o tai pasendindavo magmines uolienas). Absoliučios magminių uolienų amžiaus vertės dėl to „rodydavo“, kad supančios nuosėdos yra priskirtos ne tam geologiniam periodui, tad atsirado poreikis sukurti vieningą geologinio laiko skalę, paremtą cheminiais, o vėliau ir izotopiniais datavimais, ties kuria Homsas dirbo visą gyvenimą. Ironiška, bet dauguma geologų, teigusių, jog Lordo Kelvino Žemės amžius (20-40 Ma) yra pernelyg jaunas, kritikavo Holmso skalę teigdami, jog Žemė yra jaunesnė (seniausia Holmso data siekė 1640 Ma).

Izotopai ir masių spektrometrija

Rentgeno spinduliai, radioaktyvumas bei vienų elementų virsmas kitais sukėlė rezonansą mokslininkų tarpe. Šių fenomenų paaiškinti tuometinėmis žiniomis tiesiog nebuvo įmanoma neišsiaiškinus kaip atrodo patys elementai. Visa eilė mokslinių darbų buvo paskirta atomo struktūrai išnagrinėti. Ruferfordas 1911 metais bombarduodamas metalų plėves α-spinduliuote atrado atomo branduolį, o 1920 metais pasiūlė neutroną kaip vieną iš branduolį sudarančių ir masę turinčių dalelių. Tada manyta, kad branduolys turintis teigiamą krūvį yra apsuptas neigiamais elektronais, o branduolys sudarytas iš vandenilio branduolių, tai yra, teigiamų vandenilio jonų, tais pačiais 1920 pervadintų į protonus. Tad jau 1920 metais buvo žinomos pagrindinės atomą sudarančios dalelės. Jozefas Tomsonas 1913 metais sukonstravo „teigiamų spindulių“ (angl. positive ray) aparatą, kurio pagalba nustatė dvi skirtingas neono mases, 20 ir 22 (Mattinson, 2013). Tai buvo savotiškas masių spektrometro prototipas, o to paties elemento skirtingos masės pavadintos izotopais. Vėliau, 1921-aisiais Frederikas Soddy sudėliojo taškus ant „i“, bei 1922 metais pelnė Nobelio premiją už izotopų atradimą. Savo kalboje 1922 metais jis sako: „Idėja buvo tai, kad cheminiai elementai iš tiesų yra skirtingi, tik chemiškai homogeniški. Kai kuriais atvejais jie sudaryti iš skirtingų sudedamųjų dalių mišinio, identiškų tik chemiškai. Paprastai tariant, jų atomai turi identišką išorę, bet skiriasi vidumi. Cheminė analizė elementus klasifikuoja pagal išorinę elektronų sistemą, supančią mažą ir sunkų branduolį. Tuo tarpu radioaktyvumo sukelti pakitimai, dėl kurių gali pakisti ir pats elementas, susijęs su viduje esančiu branduoliu. Tokia pati išorė gali slėpti labai skirtingą vidinę atomo struktūrą. Šie elementai, chemiškai identiški, ir neatskiriami jokiais cheminiais metodais, vadinami izotopais“ (Soddy, 1922).

Atradus izotopus, pradėta tirti įvairiausius elementus ir ieškoti iš kokių izotopų jie sudaryti, ar jie stabilūs ar ne. Ne išimtis ir uranas bei švinas. Francis Astonas 1919 metais patobulinęs Tomsono teigiamų spindulių aparatą, sukūrė „masių spektrografą“ (1922 metų Nobelio premiją), kuriuo patvirtino Tomsono nustatytus neono izotopus, o vėliau ėmėsi švino (Mattinson, 2013). Jis tyrinėjo „paprastą“ švino izotopinę sudėtį švino rūdose, ir „radiogeninį“ šviną randamą urano rūdoje. Čia jis nustatė iki tol nežinomą ²⁰⁷Pb izotopą. Buvo suvokta, jog egzistuoja ne tik ²³⁸U izotopas, skylantis į ²⁰⁶Pb, bet taip pat lengvesnis ir daug retesnis izotopas ²³⁵U, kurio galutinis skilimo produktas yra ²⁰⁷Pb. Deja, vienintelis ²³⁵U įrodymas, kurį Astonas tada turėjo buvo maža dėmė ant fotoplokštelės (Grayson ir Krick, 1989).

Žinant, kad du skirtingi urano izotopai skirtingu greičiu suskyla į du skirtingus švino izotopus, buvo sudėlioti visi pagrindai šiuolaikiniam U-Pb datavimo metodui. Uždaroje urano sistemoje, radioaktyvumas veikia lyg skaitliukas: du skirtingi urano izotopai, kaip du smėlio laikrodžiai, pro kuriuos skirtingu greičiu teka skirtingi švino izotopai. Žinant kokiu greičiu teka smėlis, bei kiek jo pratekėjo, galima sužinoti kada laikrodis buvo apverstas. Cirkonas greitai buvo pripažintas kaip vienas iš tinkamiausių mineralų šiam metodui taikyti. Šio mineralo struktūra leidžia cirkoniu paprastai užpildytą vietą dalinai užpildyti uranu, bet į vidų neįsileidžia švino. Tad šiame minerale randamas švinas yra tik radiogeninis. Cirkonas taip pat pasižymi aukšta lydymosi temperatūra bei itin lėta difuzija (Cherniak ir Watson, 2003), tad susidaręs mineralas išlaiko švino ir urano izotopus savo viduje. Kitas didžiulis cirkono privalumas yra tai, kad jis nėra retas mineralas: uolienose jo randama nedaug, bet jis aptinkamas beveik visose uolienose. Tačiau prireikė dar nemažai laiko, kad metodas būtų išvystytas ir prieinamas mokslinei visuomenei; tokie matavimai buvo vykdomi tik pavienėse laboratorijose.

Žemės amžius (beveik)

Atradus izotopus iškilo būtinybė įvertinti ne tik jų masę, bet ir koncentraciją. Didžiausią indėlį masių spektrometro tobulinime įdėjo amerikiečių fizikas Alfredas Nieras. Jis tęsė urano bei švino tyrimus. Tirdamas „paprastą“ šviną, švino rūdose, Nieras 1938 metais pastebėjo, kad švino izotopinė sudėtis yra itin kaiti. Ankstesni, vidutinės Pb masės vertinimai tokiose rūdose prieštaravo jo duomenims, tai yra, gautos praktiškai identiškos vidurkinės švino masės, dėl to buvo klaidingai manyta, kad „paprastas“, ne radiogeninis švinas yra izotopiškai vienodas. Niero duomenimis, ²⁰⁶Pb ir ²⁰⁸Pb kiekiai rūdose koreliavosi, o vidurkinės masė išliko tokia pati (Mattinson, 2013). Jo išvada buvo tai, kad gamtoje randamas „paprastas“ švinas yra pirmykščio švino (radiogeninio ir ne radiogeninio), menančio Žemės susidarymą bei radiogeninio švino, susidariusio skylant uranui ir toriui po Žemės susidarymo, mišinys (Mattinson, 2013). Nieras 1939 metais tyrė urano rūdas. Čia jis atliko tikslius ²³⁸U/²³⁵U ir ²³⁴U/²³⁸U santykių matavimus ir įvertino ne taip senai atrasto ²³⁵U izotopo skilimo konstantą (Mattinson, 2013).

Šie atradimai yra itin svarbūs tolimesnėje izotopų geologijos istorijoje, nes suradus pirmykščio švino izotopinę sudėtį, bei palyginus ją su jaunose uolienose esančio švino sudėtimi, galima apskaičiuoti kiek laiko truko urano skilimas, dėl kurio pirmykštė sudėtis kito nuo Žemės, kaip planetos susidarymo pradžios, tai yra, rasti Žemės amžių. Pirmasis tą pabandė padaryti Erikas Gerlingas. Jis kaip pirmykščio švino izotopinę sudėtį pateikė Ivigtut miestelyje (Grenlandija) kasto galenito (švino sulfidas, švino rūda) sudėtį, pasižymėjusia itin žemais ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb ir ²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb izotopų santykiais, tai yra radiogeninių ²⁰⁶Pb ir ²⁰⁷Pb izotopų joje buvo itin nedaug (Gerling, 1942). Kaip šiuolaikinį izotopų santyki jis priėmė septynių daug radiogeninio švino turinčių galenitų sudėtį iš skirtingų vietų vidurkinę sudėtį. Gautas amžius siekė 3.1 Ga (giga annum, milijardai metų). Suvokęs, kad Grenlandijos galenito sudėtis negali būti pirmykštė sudėtis, jis pakartojo skaičiavimus su 1.25 Ga Didžiojo Lokių ežero (Kanada) galenitu, taip gavęs 3.95 Ga amžių. Kiek vėliau, 1947-1948 metais, nežinodami apie vienas kitą, ar Gerlingą (kuris rašė rusiškai, o jo darbai nebuvo prieinami), panašius skaičiavimus atliko Artūras Holmsas ir Fritzas Houtermanas bei gavo panašias vertes (Dalrymple, 2001). Šis modelis žinomas Holmso-Houtermano vardu, nors turėtų būti Gerlingo- Holmso-Houtermano. Tačiau tirtose rūdose, vis dėlto, buvo radiogeninio švino, tad gautas Žemės amžius yra minimalus.

Branduolių skaldymas, izotopų separacija ir skiedimas

Mari Kiuri dukra Irene su vyru Frederiku 1933 metais apšvitino aliuminio plokštelę α spinduliais bei nustatė, jog aliuminis pasikeitė į sunkesnį, radioaktyvų elementą. Daugybė laboratorijų pradėjo bombarduoti įvairias medžiagas skirtingomis dalelėmis ir gavo sunkesnius atomus. Irene Jolton-Kiuri su kolega Pavelu Savitch vieno eksperimento metu, bombardavo U neutronais. To rezultatas, elementas pasižymintis lantano cheminėmis savybėmis, t.y., elementas turintis mažiau nei pusę urano masės. Urano atomas skilo. Šis atradimas paskatino galybę tyrimų, o prasidėjęs antrasis pasaulinis karas iniciavo „Manheteno“ projektą. Šio įslaptinto karinio projekto tikslas buvo rasti būdą kaip išgryninti ²³⁵U izotopą, kuris skyla ganėtinai lengvai veikiant jį neutronais (Einšteino garsioji formulė E=mc²). Bet kaip visa tai susiję su izotopiniais datavimais?

Grupė mokslininkų prisidėjusių prie Manheteno projekto, vadovaujamų Harisono Brauno Čikagos universitete, po karo pradėjo meteoritų tyrimus. Jie tyrinėjo mikroelementų koncentracijas bei jų izotopinę sudėtį. Manyta, kad meteoritai gali tiksliau atspindėti elementų kiekius Saulės sistemoje, nei žemiškos kilmės uolienos, kurios buvo paveiktos daugybės geologinių procesų. Braunas taip pat tikėjosi, jog geležiniai meteoritai turės labai nedaug urano ir torio, tad randamas švino izotopinė sudėtis juose gali būti Gerlingo, Holmso ir Houtermano ieškota pirmykštė sudėtis, leidžianti nustatyti Žemės amžių. Svarbiausi šios grupės mokslinikai – Kleras Patersonas ir Džordžas Tiltonas. Patersono užduotis buvo naujo, jautresnio masių spektrometro išradimas, kuriuo būtų galima išmatuoti itin mažus švino kiekius meteorite. Tiltono užduotis buvo atlikti itin tikslius urano ir torio izotopų matavimus. Pradžioje darbas su meteoritais nejudėjo iš vietos, nes itin mažus švino izotopų kiekius turintys mėginai yra lengvai užteršiami aplinkoje esančiu švinu. Tačiau sukurta metodika buvo pritaikyta žemiškos kilmės uolienoms. Petrsonas ir Tiltonas išanalizavo praktiškai visus granito mėginio mineralus ir atliko pirmus tikrus izotopinius datavimus (cirkone, apatite ir titanite), siekusius 1 Ga (Mattinson, 2013).

Jų sukurtas metodas ganėtinai paprastas: Patersonas ir Tiltonas panaudojo urano gryninimo metodiką iš Manheteno projekto. Jie pasirinko itin retą ²³⁵U izotopą, ir padarė tirpalą su žinoma šio izotopo koncentracija. Pridėjus žinomą masę šio tirpalo į kitą tirpalą, kuriame yra nežinomas ²³⁸U kiekis, užtenka nustatyti šių izotopų santykius siekiant apskaičiuoti nežinomąjį. Toks principas buvo taikomas ir švinui, naudojant ²⁰⁵Pb izotopą. Toris kėlė šiek tiek sunkumų, bet sekdami Mari Kiuri pėdomis, Patersonas ir Tiltonas išskyrė ir išgrynino ²³⁰Th izotopą, kažkada vadintą „joniu“ (tarpinis U-Pb skilimo produktas). Šiems matavimams naudotas jų sukurtas prietaisas plačiai žinomas kaip „ID-TIMS“, izotopų skiedimo (angliškai, dilution) terminės jonizacijos masių spektrometras, naudojamas ir dabar.

Išgryninus ²⁰⁵Pb izotopą, 1953 metais geležinių meteoritų tyrimai pasistūmėjo į priekį. Velnio kanjono (Canyon Diablo; pav. 2d) geležiniame meteorite Patersonas sėkmingai nustatė U ir Pb koncentracijas tiek Fe-Ni lydinyje, tiek rastame minerale troilite (FeS). Troilto ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb ir ²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb izotopų santykiai buvo žemesni nei bet kurioje žemiškos kilmės uolienoje, o U ir Th praktiškai nebuvo (Dalryple, 2001). Žemas urano ir švino santykis reiškė, kad izotopinė Pb sudėtis negalėjo pakisti dėl radioaktyvaus U skilimo po mineralo susidarymo. Gautas meteorito, o taip pat ir Žemės, amžius siekė 4.5 Ga metų. Šis amžius bei anksčiau minėti 1 Ga granito datavimai viešai paskelbti 1955 metais, kai Manheteno projekto statusas „Top Secret“ buvo panaiktinas (Tilton et al., 1955; Patterson et al., 1955). Šių straipsnių viešas publikavimas leido pritaikyti Patersono ir Tiltono metodiką ir kitiems mokslininkams, metodas tapo prieinamas visiems bei sukėlė didžiulį pokyti geologijos moksle. Empirinis, tikslus, fizikinis metodas, kuriuo galima gauti patikimus rezultatus, juos kartoti ir gauti tuos pačius rezultatus, sukėlė geologijos kaip mokslo proveržį. Žemės amžius buvo tikslinamas, tiriamos skirtingos uolienos bei mineralai, tiek iš Žemės, tiek iš Mėnulioir meteoritų. Šiandien prietaisai kaip antrinių jonų masių spektrometras (SIMS), ar lazerio abliacijos inductyviai sujungta plazmos masių spektrometras (LA-ICPMS) leidžia atlikti chemines bei izotopines cirkonų analizes kelių mikrometrų ploteliuose, datuoti atskiras mineralų zonas. Tuo tarpu atominio zondo mikroskopija veikia nano metrų lygmeniu, gali identifikuoti kiekvieną medžiagoje randamą izotopą. Prietaisą pritaikius geologijoje, buvo rasta, jog švino izotopų pasiskirstymą cirkone gali sujaukti aukštos temperatūros metamorfizmas, o šio įvykio amžių galima nustatyti šiuo prietaisu išmatavus švino sankaupų izotopų santykius (Pav. 3).

XXI amžiaus pradžioje išėjo straipsnis, kuriame pateikiami cirkonų, rastų Jack Hills konglomerate, datavimai, siekę 4.404±8 Ga (Wilde et al., 2001). Šie datavimai galutinai užbaigė bet kokius prieštaravimus, kad meteoritų amžius nebūtinai parodo Žemės kaip planetos amžių, t.y., meteoritų ir Žemės bendro susidarymo dilemą. Šių, ir kiek jaunesnių cirkonų kilmė nėra pilnai aiški, mat to laikotarpio uolienos negalėjo susidaryti pagal šiuo metu veikiančius plokščių tektonikos dėsnius. Neseniai paskelbti Jack Hills cirkonų tyrimai parodo, jog plokščių tektonika, panaši į dabartinę, galėjo pradėti vykti prieš 3.6 Ga (Ackerson, et al., 2021). Šiai dienai, cirkonai yra dažniausiai datuojami mineralai ir ko gero, labiausiai ištirtas mineralas. Tuo tarpu Žemės pluta Lietuvoje yra gerokai jaunesnė. Seniausias uolienų amžius (cirkono U-Pb metodas) Lietuvoje siekia 1.89 Ga metų (Šiliauskas et al., 2018), nustatytas rytų Lietuvoje esančiose magminėse uolienose (kelių šimtų metrų gylyje), netoli Varėnos.

Padėka

Didelis ačiū Laurynai Gribulytei už teksto pataisymus.

Naudota literatūra:

Ackerson, M.R., Trail, D., Buettner, J., 2021. Emergence of peraluminous crustal magmas and implications for the Early Earth. Geochemical perspectives Letters, 17, 50-54.

Boltwood, B.B.., On the Ultimate Disintegration Products of the Radio-Active Elements. American Jounral of Science 20, 253-267.

Boltwood, B.B.., On the Ultimate Disintegration Products of the Radio-Active Elements. Part II. The Disintegradion products of Uranium. American Journal of Science, 23, 77-88.

Cherniak, D.J., ir Watson E.B., 2003. Diffusion in zircon. Reviews in Mineralogy and Geochemistry, 53(1), 113-143.

Darlymple, G.B., 2001. The age of the Earth in the twentieth century: a problem (mostly) solved. Geological Society, London, Special Publications, 190, 205-221.

Gerling, E.K., 1942. Age of the earth according to radioactivity data. Comptes Rendus (Doklady) de Academie des Sciences de URSS, 34, 259-261. Trasnlation in: Herper C.T. (ed.), 1973, Geochronology: Radiometric Dating of Rocks and Minerals, Dowden, Hutchinson and Ross, 121-123.

Grayson, M.A., ir Krick, T., 1989. Alfred O. C. Nier. Transcrpit of Interviews. Chemical heritage foundation.

Kovarik, A.F., Biographical Memoir of Bertram Borden Boltwood 1870-1927. National Academy of Science of the Unitet States of America, Presented to the Academy at the Autumn Meeting, 1929.

Lewis, C.L.E., 2001. Arthur Holmes‘ vision of geological timescale. Geological Society, London, Special Publications, 190, 121-138.

Mattinson, J.M., 2013. Revolution and Evolution: 100 of U-Pb Geochronology. Elements, 8, 53-57.

Patterson, C., Tilton, G., Inghram, M., 1955. Age of the Eearth. Science, 121, 69-75.

Rutherford, E., 1906. Radioactive Transformations.. Published by Charles Scribner‘s Sons, Yale University, UK.

Skridlaitė, G., Siliauskas, L., Whitehouse, M.J., Johanson, A., 2021. On the origin and ecolution of the 1.86-1.76 Ga Mid-Baltic Belt in the western East European Craton. Precambrian Research. In press

Soddy, F., 1922. The origins of the conceptions of isotopes. Nobel Lecture, December 12, 1922.

Strutt, R.J., 1910a. The accumulation of helium in geologic time II. Proc. Roy. Soc. Lond. Ser. A, 83, 96-99.

Strutt, R.J., 1910b. The accumulation of helium in geologic time III. Proc. Roy. Soc. Lond. Ser. A, 83, 298-301.

Šiliauskas, L., Skridlaite, G., Whitehouse, M. and Soesoo, A., 2018. A ca.1.89 Ga magmatic complex in eastern Lithuania: a link connecting with the domains in Estonia and the Bergslagen terrane in Sweden. 33rd Nordic Geological Winter Meeting (NGWM), Copenhagen, Denmark, January 10-12, 59 p..

Titlton, G.R., Patterson, C., Brown, H., Inghram, M., Hayden, R., Hess, D., Larsen, E., 1955. Isotopic composition and dsitribution of lead, uranium and thorium in a Precambrian granite. Geological Society of America Bulletin, 66, 1131-1148.

Valley, J.W., Cavosie, A.J., Ushikubo, T., Reinhard, D.A., Lawrence, D.F., Larson, D., Clifton, P.H., Kelly, T.F., Wilde, S.A., Moser, D.E., Spicuzza, M.J., 2014. Nanogeochronology of discordant zircon measured by atom probe microscopy of Pb-enriched dislocation loops. Nature Geoscience, 7, 219-223.

Wilde, S.A., Valley, J.W., Peck, W.H., Graham, C.M., 2001. Evidence from detrital zircons for the existence of continental crust and oceans on the Earth 4.4 Gyr ago. Nature, 409, 175-178.