Mutlak Tarihleme
Göreceli zaman, bilim insanlarının Dünya olaylarının hikayesini anlatmalarına olanak tanır, ancak belirli sayısal yaşları ve dolayısıyla jeolojik süreçlerin işleyiş hızını vermez. Hutton'un tekdüzelik ilkesine dayanan ilk jeologlar, jeolojik süreçlerin yavaş işlediğini ve Dünya'nın çok yaşlı olduğunu varsaymışlardır. Göreceli tarihlendirme ilkeleri, 19. yüzyılın sonuna kadar bilim insanlarının Dünya tarihini yorumlama biçimiydi. Teknoloji ilerledikçe bilim de ilerlediğinden, 1800'lerin sonlarında radyoaktivitenin keşfi bilim insanlarına radyoizotopik tarihleme adı verilen yeni bir bilimsel araç sağlamıştır. Bu yeni teknolojiyi kullanarak, bir kayanın içindeki mineral taneciklerine belirli zaman birimleri, bu durumda yıllar, atayabildiler. Bu sayısal değerler, göreceli tarihlendirmede olduğu gibi diğer kayaçlarla karşılaştırmaya bağlı değildir, bu nedenle bu tarihlendirme yöntemine mutlak tarihlendirme denir. Bu bölümde tartışılan çeşitli mutlak tarihleme türleri vardır, ancak radyoizotopik tarihleme en yaygın olanıdır ve bu nedenle bu bölümün odak noktasıdır.
Radyoaktif Bozunma
Periyodik Elementler Tablosundaki tüm elementler izotop içerir. İzotop, bir elementin farklı sayıda nötrona sahip bir atomudur. Örneğin, hidrojenin (H) çekirdeğinde her zaman 1 proton bulunur (atom numarası), ancak nötron sayısı izotoplar arasında değişebilir (0, 1, 2). Atom numarasına eklenen nötron sayısının atom kütlesini verdiğini hatırlayın. Hidrojen 1 proton ve 0 nötrona sahip olduğunda bazen protium (1H), hidrojen 1 proton ve 1 nötrona sahip olduğunda döteryum (2H) ve hidrojen 1 proton ve 2 nötrona sahip olduğunda trityum (3H) olarak adlandırılır.
Birçok elementin hem kararlı hem de kararsız izotopları vardır. Hidrojen örneğinde, 1H ve 2H kararlıdır, ancak 3H kararsızdır. Radyoaktif izotoplar olarak adlandırılan kararsız izotoplar, radyoaktif bozunma adı verilen bir süreçte atom altı parçacıklar veya enerji açığa çıkararak zaman içinde kendiliğinden bozunurlar. Bu gerçekleştiğinde, kararsız bir izotop başka bir elementin daha kararlı bir izotopu haline gelir. Örneğin, karbon-14 (14C) bozunarak nitrojen-14'e (14N) dönüşür.
Herhangi bir atomun radyoaktif bozunumu tamamen öngörülemez ve rastgele bir olaydır. Bununla birlikte, bazı kayaç örneklerinde muazzam sayıda radyoaktif izotop, belki de trilyonlarca atom bulunur ve bu büyük radyoaktif izotop grubu tahmin edilebilir bir radyoaktif bozunma modeline sahiptir. Bu gruptaki radyoaktif izotopların yarısının radyoaktif bozunması belirli bir zaman alır. Bir maddedeki atomların yarısının bozunması için geçen süreye yarılanma ömrü denir. Başka bir deyişle, bir izotopun yarı ömrü, bir grup kararsız izotopun yarısının bozunarak kararlı bir izotopa dönüşmesi için geçen süredir. Yarılanma ömrü belirli bir radyoaktif izotop için sabit ve ölçülebilirdir, bu nedenle bir kayanın yaşını hesaplamak için kullanılabilir. Örneğin uranyum-238'in (238U) yarı ömrü 4,5 milyar yıl, 14C'nin yarı ömrü ise 5.730 yıldır.
Bu tarihleme yönteminin ardındaki ilkeler iki temel varsayım gerektirmektedir. İlk olarak, izotop içeren mineral taneleri, magmadan kristalleşen magmatik bir kayadaki mineraller gibi kayaçla aynı zamanda oluşmuştur. İkincisi, mineral kristalleri kapalı bir sistem olarak kalır, yani daha sonra içlerine veya dışlarına hareket eden elementler tarafından değiştirilmezler.
Bu gereklilikler, tarihleme için uygun kayaç türleri üzerinde bazı kısıtlamalar getirmektedir ve magmatik kayaç en iyisidir. Metamorfik kayaçlar kristaldir, ancak metamorfizma süreçleri saati sıfırlayabilir ve türetilen yaşlar orijinal kristalleşme yaşından ziyade farklı metamorfik olayların bir bulamacını temsil edebilir. Detrital tortul kayaçlar, yerleri bilinmeyen ayrı ana kayaçlardan gelen parçacıklar içerir ve bu nedenle türetilen yaşlar anlamsızdır. Bununla birlikte, evaporitler gibi çökelmiş mineraller içeren tortul kayaçlar, radyoizotopik tarihleme için uygun elementler içerebilir. Sedimanter bir dizi içindeki magmatik piroklastik katmanlar ve lav akıntıları, diziyi tarihlendirmek için kullanılabilir. Kesişen magmatik kayaçlar ve eşikler, etkilenen daha yaşlı tortul kayaçların yaşlarını belirlemek için kullanılabilir. Birçok eski tortul kayaçta parça halinde bulunan dirençli mineral zirkon, Dünya'nın bilinen en eski kayaçlarının yaşı da dahil olmak üzere çok eski tarihlerin belirlenmesinde başarıyla kullanılmıştır. Metamorfize olmuş tortulardaki zirkon minerallerinin artık incelenemeyen daha eski kayalardan geldiğini bilen bilim insanları, metamorfik öncesi kaynak kayaların yaşını belirlemek için zirkonu tarihleyebilirler.
Radyoaktif atomların bozunmasının çeşitli yolları vardır. Biz burada bunlardan üçünü ele alacağız; alfa bozunumu, beta bozunumu ve elektron yakalama. Alfa bozunumu, bir atomun çekirdeğinden iki proton ve iki nötrondan oluşan bir alfa parçacığının yayılmasıdır. Bu aynı zamanda bir helyum atomunun çekirdeğidir; helyum gazı, alfa bozunmasının gerçekleştiği bir mineralin kristal kafesinde sıkışıp kalabilir. Bir atom çekirdeğinden iki proton kaybederek atom numarasını düşürdüğünde, Elementlerin Periyodik Tablosunda iki atom numarası daha düşük bir elemente dönüşür.
Dört parçacığın, bu durumda iki nötron ve iki protonun kaybı, atomun kütlesini de dört azaltır. Örneğin alfa bozunumu, atom numarası 92 (92 proton) ve kütle numarası 238 (tüm proton ve nötronların toplamı) olan kararsız 238U izotopunda gerçekleşir. 238U kendiliğinden bir alfa parçacığı yaydığında toryum-234 (234Th) haline gelir. Bir elementin radyoaktif bozunma ürününe yavru izotop, orijinal elemente ise ana izotop denir. Bu durumda, 238U ana izotop ve 234Th yavru izotoptur. 238U'nun yarı ömrü 4,5 milyar yıldır, yani ana izotop atomlarının yarısının yavru izotopa bozunması için geçen süredir. Uranyumun bu izotopu, 238U, Dünya'da bulunan en eski materyallerin ve hatta meteoritlerin ve güneş sistemimizdeki en eski olaylardan gelen materyallerin mutlak tarihlendirilmesinde kullanılabilir.
Beta Bozunumu
Beta bozunumu, çekirdeğindeki bir nötronun bir elektron ve bir protona bölünmesidir. Elektron çekirdekten bir beta ışını olarak yayılır. Yeni proton elementin atom numarasını bir artırarak ana izotopla aynı atom kütlesine sahip yeni bir element oluşturur. Örneğin, 234Th kararsızdır ve beta bozunmasına uğrayarak protaktinyum-234 (234Pa) oluşturur, bu da beta bozunmasına uğrayarak uranyum-234 (234U) oluşturur. Bunların hepsinin farklı elementlerin izotopları olduğuna, ancak aynı atomik kütleye (234) sahip olduklarına dikkat edin. Uranyum gibi radyoaktif elementlerin bozunma süreci, kararlı veya radyoaktif olmayan bir yavru oluşana kadar radyoaktif ebeveynler ve yavrular üretmeye devam eder. Böyle bir seriye çürüme zinciri denir. Radyoaktif ana izotop 238U'nun bozunma zinciri, kararlı yavru izotop kurşun-206'yı (206Pb) oluşturana kadar bir dizi alfa (yukarıdaki şekilde kırmızı oklar) ve beta bozunumu (mavi oklar) yoluyla ilerler.
Elektron yakalama, çekirdekteki bir protonun elektron kabuklarından birinden bir elektron yakalaması ve nötrona dönüşmesidir. Bu iki farklı etkiden birini yaratır: 1) bir elektron, ayrılan elektronun eksik yerini doldurmak için atlar ve bir X-ışını yayar veya 2) Auger süreci olarak adlandırılan süreçte, başka bir elektron serbest kalır ve atomu bir iyona dönüştürür. Atom numarası bir azalır ve kütle numarası aynı kalır. Elektron yakalama yoluyla bozunan bir element örneği potasyum-40'tır (40K). Radyoaktif 40K, çoğu radyoaktif olmayan doğal olarak oluşan potasyumun küçük bir yüzdesini (%0,012) oluşturur. 40K, 1,25 milyar yıllık bir yarı ömürle argon-40'a (40Ar) bozunur, bu nedenle jeolojik olayların tarihlendirilmesi için çok kullanışlıdır. Aşağıda, daha yaygın olarak kullanılan radyoaktif tarihleme izotoplarından bazılarının ve yarı ömürlerinin bir tablosu bulunmaktadır.
| Elementler | Ebeveyn sembolü | Yavru sembolü | Yarılanma Ömrü |
|---|---|---|---|
| Uranyum-238/Kurşun-206 | 238U | 206Pb | 4.5 milyon yıl |
| Uranyum-235/Kurşun-207 | 235U | 207Pb | 704 milyon yıl |
| Potasyum-40/Argon-40 | 40K | 40Ar | 1.25 milyon yıl |
| Rubidyum-87/Strontium-87 | 87Rb | 87Sr | 48.8 milyon yıl |
| Karbon-14/Azot-14 | 14C | 14N | 5,730 yıl |
Radyoizotopik Tarihleme
Verilen bir kaya örneği için tarihlendirme prosedürü nasıl gerçekleştirilir? Ana ve yavru izotoplar kimyasal ekstraksiyon kullanılarak mineralden ayrılır. Uranyum söz konusu olduğunda, kütle spektrometresi adı verilen bir aletle 238U ve 235U izotopları 206Pb ve 207Pb gibi birlikte ayrıştırılır.
İşte izotopların yavru-ebeveyn oranını kullanarak yaş hesaplamanın basit bir örneği. Mineral ilk oluştuğunda, %0 yavru ve %100 ana izotoptan oluşur, bu nedenle yavru-ebeveyn oranı (D/P) 0'dır. Bir yarılanma ömründen sonra, ebeveynin yarısı bozunmuştur, böylece %50 yavru ve %50 ebeveyn, 50/50 oranı, D/P = 1 olur. İki yarı ömürden sonra, %75 yavru ve %25 ebeveyn (75/25 oranı) ve D/P = 3 olur. Bu, tabloda gösterildiği gibi bir dizi yarı ömür için daha fazla hesaplanabilir. Tabloda 10 yarı ömürden fazlası gösterilmemiştir çünkü yaklaşık 10 yarı ömürden sonra kalan ebeveyn miktarı o kadar küçüktür ki kimyasal analiz yoluyla doğru bir şekilde ölçülmesi çok zor hale gelir. Bu yöntemin modern uygulamaları, 2,5 milyar yılda artı veya eksi iki milyon yıl (yani ±%0,055) gibi dikkate değer doğruluklara ulaşmıştır. Herhangi bir numune analizinde uranyum/kurşun tekniğinin uygulanması, 238U ve 235U olmak üzere aynı anda çalışan iki ayrı saat sağlar. Bu iki saatin aynı örnekte bulunması, ikisi arasında bir çapraz kontrol sağlar. Birçok jeolojik örnek birden fazla ebeveyn/kız çifti içerir, bu nedenle saatlerin çapraz kontrolü radyoizotopik tarihlemenin son derece güvenilir olduğunu teyit eder.
| Yarı ömürler (#) | Ebeveyn mevcut(%) | Yavru mevcut (%) | Yavru/ebeveyn oranı | Ebeveyn/yavru oranı |
|---|---|---|---|---|
| Saati başlatın | 100 | 0 | 0 | Sonsuz |
| 1 | 50 | 50 | 1 | 1 |
| 2 | 25 | 75 | 3 | 0.33 |
| 3 | 12.5 | 87.5 | 7 | 0.143 |
| 4 | 6.25 | 93.75 | 15 | 0.0667 |
| 5 | 3.125 | 96.875 | 31 | 0.0325 |
| 10 | 0.098 | 99.9 | 1023 | 0.00098 |
Bir diğer radyoizotopik tarihlendirme yöntemi karbon içerir ve ahşap veya kemik gibi organik maddeler içeren arkeolojik açıdan önemli örneklerin tarihlendirilmesi için kullanışlıdır. Karbon tarihleme olarak da adlandırılan radyokarbon tarihleme, kararsız izotop karbon-14 (14C) ve kararlı izotop karbon-12 (12C) kullanır. Karbon-14, kozmik parçacıkların atmosferik nitrojen-14 (14N) ile etkileşimi sonucu atmosferde sürekli olarak yaratılmaktadır. Nötronlar gibi kozmik parçacıklar nitrojen çekirdeğine çarparak bir protonu dışarı atar ancak nötronu çekirdekte bırakır. Çarpışma atom numarasını bir azaltarak yediden altıya düşürür ve azotu aynı kütle numarası 14 olan karbona dönüştürür. 14C, atmosferdeki oksijen (O) ile hızlı bir şekilde bağlanarak diğer atmosferik karbondioksit (12CO2) ile karışan karbondioksiti (14CO2) oluşturur ve bu gaz karışımı canlı maddeye dahil olur. Bir organizma canlıyken, CO2 sürekli olarak atmosferle değiş tokuş edildiğinden, vücudundaki 14C/12C oranı gerçekten değişmez. Bununla birlikte, öldüğünde, radyokarbon saati, 14C'nin beta bozunumu yoluyla 14N'ye geri dönmesiyle işlemeye başlar ve bu da 5.730 yıllık bir yarı ömre sahiptir. Dolayısıyla radyokarbon tarihleme tekniği 57.300 yıl kadar, yani yaklaşık 10 yarı ömür geriye kadar kullanışlıdır.
Radyokarbon tarihleme, bilinen bir miktar ana 14C'den türetilen yavru-ebeveyn oranlarına dayanır. Karbon tarihlemenin ilk uygulamaları, atmosferdeki 14C üretiminin ve konsantrasyonunun son 50.000 yıl boyunca oldukça sabit kaldığını varsaymıştır. Bununla birlikte, atmosferdeki ana 14C seviyelerinin miktarının değiştiği artık bilinmektedir. Karbon yaşlarının ağaç halkası verileri ve bilinen olaylar için diğer verilerle karşılaştırılması, radyokarbon tarihleme yönteminin güvenilir bir şekilde kalibre edilmesini sağlamıştır. Karbon-14 temel seviyelerinin diğer güvenilir tarihleme yöntemlerine göre kalibre edilmesi gerektiği dikkate alındığında, karbon tarihlemenin arkeolojik örneklerin ve çok yakın jeolojik olayların tarihlendirilmesinde güvenilir bir yöntem olduğu gösterilmiştir.
Dünya'nın Yaşı
Hutton ve diğer bilim adamlarının çalışmaları Rönesans'tan sonra dikkat çekmiş ve eski bir Dünya fikrinin araştırılmasını teşvik etmiştir. yüzyılın sonlarında William Thompson, nam-ı diğer Lord Kelvin, fizik bilgisini Dünya'nın sıcak erimiş bir küre olarak başladığı varsayımını geliştirmek için kullandı. Dünya'nın 98 milyon yaşında olduğunu tahmin etmiş, ancak hesaplamalarındaki belirsizlikler nedeniyle yaşı 20 ila 400 milyon yıl arasında bir aralık olarak belirtmiştir. Bu animasyon, Kelvin'in bu aralığı nasıl hesapladığını ve rakamlarının neden bu kadar uzak olduğunu göstermektedir; bu da Dünya içindeki eşit olmayan ısı transferi ile ilgilidir. Kelvin'in Dünya'nın mantosundaki esnekliği ve konveksiyonu bir ısı transfer mekanizması olarak dikkate almadığı da belirtilmiştir. Kelvin'in Dünya'nın yaşına ilişkin tahmini makul kabul edilmekle birlikte tartışmasız değildi ve radyoaktivitenin keşfi, eski çağları belirlemek için daha doğru bir yöntem sağladı.
1950'lerde Clair Patterson (1922-1995), Dünya'nın oluşumu sırasında mevcut olan erken güneş sistemi kalıntıları olduğunu düşündüğü meteoritlerden elde edilen radyoaktif izotopları kullanarak Dünya'nın yaşını belirleyebileceğini düşündü. Patterson meteorit örneklerini bir kütle spektrometresi kullanarak uranyum ve kurşun açısından analiz etti. Uranyum/kurşun tarihleme tekniğini kullanarak Dünya'nın yaşını aşağı yukarı 70 milyon (±%1,5) 4,55 milyar yıl olarak belirlemiştir. Dünya'nın yaşı için mevcut tahmin 4,54 milyar yıldır, aşağı yukarı 50 milyon (± %1,1). Henüz Chicago Üniversitesi'nde yüksek lisans öğrencisi olan Patterson'ın, teknolojinin tarihleme yöntemlerini geliştirmesine rağmen 60 yılı aşkın bir süredir çok az değişikliğe uğrayan bir sonuç ortaya koyması dikkat çekicidir.
Jeolojik Olaylarla Tarihleme
Mineral kristallerinde yaygın olarak bulunan elementlerin radyoaktif izotopları radyoizotopik tarihlendirme için kullanışlıdır. Uranyum/kurşun yöntemi, iki çapraz kontrol saatiyle birlikte, çoğunlukla uranyumun kristal kafeste zirkonyumun yerine geçebildiği zirkon (ZrSiO4) minerali kristallerinde kullanılır. Zirkon hava koşullarına dayanıklıdır, bu da onu eski kayalardaki jeolojik olayların tarihlendirilmesi için yararlı kılar. Metamorfik olaylar sırasında, zirkon kristalleri birden fazla kristal katmanı oluşturabilir, her katman bir olayın izotopik yaşını kaydeder, böylece birkaç metamorfik olayın ilerlemesini izler.
Jeologlar, bilimsel sonuçların teknolojik ilerlemelerle nasıl değişebileceğini gösteren bazı şaşırtıcı çalışmalar yapmak için zirkon tanelerini kullandılar. Batı Avustralya'da 4,4 milyar yıl önce yerkabuğu mantodan ilk farklılaştığında oluşan zirkon kristallerinin bilinen en eski kayaçlar olduğu belirlendi. Zirkon taneleri, kısmi metamorfizma geçirdiğine dair işaretler gösteren tortul kayaçlar olan metasedimenter ana kayaçlara dahil edilmiştir. Ana kayalar çok eski değildir, ancak gömülü zirkon taneleri 4,4 milyar yıl önce oluşmuş ve sonraki ayrışma, erozyon, çökelme ve metamorfizma süreçlerinden sağ çıkmıştır. Araştırmacılar, zirkon kristallerinin diğer özelliklerinden yola çıkarak, sadece kıtasal kayaların deniz seviyesinin üzerinde açığa çıktığını değil, aynı zamanda Dünya'nın erken dönemlerindeki koşulların yüzeyde sıvı su bulunmasına yetecek kadar soğuk olduğu sonucuna vardılar. Sıvı suyun varlığı, ayrışma ve erozyon süreçlerinin gerçekleşmesine olanak sağlamıştır. UCLA'daki araştırmacılar 4,1 milyar yıllık zirkon kristallerini incelediler ve zirkon kristallerinde biyojenik kökenli olabilecek karbon buldular; bu da Dünya'da yaşamın daha önce düşünülenden çok daha önce var olmuş olabileceği anlamına geliyor.
Magmatik kayaçlar radyoizotopik tarihlendirme için en uygun olanlardır çünkü birincil mineralleri magmadan kristalleşme tarihlerini sağlar. Metamorfik süreçler saatleri sıfırlama ve magmatik kayanın orijinal tarihini lekeleme eğilimindedir. Detrital tortul kayaçlar daha az kullanışlıdır çünkü potansiyel olarak birçok tarihe sahip birden fazla ana kaynaktan türetilen minerallerden oluşurlar. Bununla birlikte, bilim insanları tortul dizileri tarihlendirmek için magmatik olayları kullanabilirler. Örneğin, tortul tabakalar 54 milyon yıl ve 50 milyon yıllık radyoizotopik tarihlere sahip bir lav akıntısı ve volkanik kül yatağı arasındaysa, jeologlar tortul tabakaların ve fosillerinin 54 ila 50 milyon yıl önce oluştuğunu bilirler. Bir başka örnek de tortul tabakaları kesen 65 milyon yıllık bir volkanik set olabilir. Bu, tortul tabakalar üzerinde bir üst sınır yaşı sağlar, bu nedenle bu tabakalar 65 milyon yıldan daha yaşlı olacaktır. Potasyum evaporit çökeltilerinde yaygındır ve potasyum/argon tarihlemesi için kullanılmıştır. 40K gibi radyoaktif izotoplar içeren birincil tortul mineraller, önemli jeolojik olaylar için tarihler sağlamıştır.
Diğer Mutlak Tarihleme Teknikleri
Lüminesans (diğer adıyla Termolüminesans): Radyoizotopik tarihleme, bilim insanlarının sayısal yaşları belirlemesinin tek yolu değildir. Lüminesans tarihleme, silikat minerallerinin kaba tortulları gibi bazı silikat minerallerinin Dünya yüzeyinde en son ışığa veya ısıya maruz kalmasından bu yana geçen süreyi ölçer. Tüm gömülü sedimanlar, yukarıda açıklanan bozunma sürecinden kaynaklanan normal arka plan radyasyonuna maruz kalmaktadır. Bu elektronların bazıları kuvars gibi silikat minerallerinin kristal kafesine hapsolur. Yüzeyde açığa çıktığında, ultraviyole radyasyon ve Güneş'ten gelen ısı bu elektronları serbest bırakır, ancak mineraller yüzeyin sadece birkaç santim altına gömüldüğünde, elektronlar tekrar hapsolur. Yüzeyin sadece birkaç metre altından toplanan kaba tortu örnekleri, bir laboratuvarda ışıkla uyarılarak analiz edilir. Bu uyarım, hapsolmuş elektronları lüminesans adı verilen bir ışık fotonu olarak serbest bırakır. Salınan lüminesans miktarı, tortunun ne kadar süredir gömülü olduğunu gösterir. Lüminesans tarihleme yalnızca 1 milyon yıldan daha eski olan genç tortuların tarihlenmesi için kullanışlıdır. Utah'ta lüminesans tarihleme, iri taneli tortu katmanlarının bir fayın yakınına ne zaman gömüldüğünü belirlemek için kullanılır. Bu, Wasatch Fayı gibi öncelikle iri taneli malzemeyi kesen ve radyokarbon tarihleme için gömülü organik topraklardan yoksun olan faylar üzerindeki büyük depremlerin tekrarlanma aralığını belirlemek için kullanılan bir tekniktir.
Fisyon İzi: Fisyon izi tarihlemesi, kararsız 238U'nun 234Th yavru ürününe bozunması ve bir alfa parçacığı açığa çıkarmasıyla oluşan kristal kafes hasarına dayanır. Bu iki bozunma ürünü kristal kafes boyunca birbirlerine zıt yönlerde hareket ederek görünür bir hasar izi bırakır. Bu durum apatit gibi uranyum içeren mineral tanelerinde yaygındır. İzler büyüktür ve optik mikroskop altında görsel olarak sayılabilir. İzlerin sayısı tanelerin yaşına karşılık gelir. Fisyon izi tarihlemesi yaklaşık 100.000 ila 2 milyar yıl öncesine kadar çalışır. Fisyon izi tarihlemesi, diğer yöntemlerle elde edilen tarihleri doğrulamak için ikinci bir saat olarak da kullanılmıştır.
Önceki Ders: Göreceli Tarihleme
Yorumlar
Yorum Gönder