Metóda draslík – argón. Určovanie veku rádovo až v stovkách miliónov rokov

Zamyslíme sa najprv nad metódou draslík-argón. Táto metóda je vhodná na stanovenie veku horniny až do veku 4 miliárd rokov. Je založená na skutočnosti, že jeden z rádioaktívnych izotopov 40K draslíka sa rozkladá na plyn argónu 40Ar. Porovnaním koncentrácií týchto prvkov vo vzorkách sopečnej vzorky a na základe znalosti polčasu draslíka T1/2 Je možné určiť čas, kedy sa tieto horniny vytvorili. Zvyčajne sa však používa na stanovenie veku v rádoch miliónov alebo desať miliónov rokov, pretože na stanovenie starších období sa používajú iné metódy, napríklad urán-olovo, o ktorej budeme hovoriť nižšie.

Ako vzniká tento rádioaktívny draslík? Asi jeden zo sto draslíkových atómov je rádioaktívny 40K (má 19 protónov a 21 neutrónov v jadre). Ten sa ďalej premieňa dvoma spôsobmi: zachytením betačastice ß- na 40Ca alebo zachytávaním elektrónov na argóne 40Ar. Argón je inertný plyn. Pre každých 100 rozpadov 40K atómov draslíka sa vyskytuje 11 atómov 40Ar.

Polčas rozpadu rádioizotopu 40K je 1.300.000.000 rokov, teda za túto dobu sa približne polovica tohto izotopu rozpadne a cca 11% z tejto polovice na rádioaktívny argón 40Ar.

Princípom metódy je, že draslík sa neustále rozpadáva. Pokiaľ je skala taveninou, tento inertný plyn ňou prechádza –akosi „prebubláva“ do ovzdušia. V okamihu stuhnutia skaly je ďalší pohyb argónu nemožný a ďalší vznikajúci plyn je uväznený v skale – hornine. Zistením pomeru koncentrácií týchto prvkov zo vzorky horniny je možné približne určiť dátum jej sformovania a stuhnutia.

 

Polčas rozpadu K-Ar. Skripta: Radiometrické datování (Petr Šimek)

Ako sa určuje samotná koncentrácia oboch rádioaktívnych izotopov? Vzorka skaly sa najprv povrchovo očistí čím sa zbaví atmosférického argónu. Umiestni sa do komory, kde sa zohreje na vysokú teplotu a pomocou hmotnostného spektrometra sa určí množstvo unikajúceho argónu 40Ar, množstvo draslíka 40K a tým pomer oboch prvkov.

Použitá literatúra: Petr Šimek, Použití radionuklidů pri určování stáří predmětů
Musílek, L.: Využití ionizujícího záření ve výzkumu, ČVUT, Praha 1992

Aké je použitie, obmedzenia a možné chyby metódy?

Petr Šimek uvádza vo svojich skriptách k prednáške veľmi stručnú charakteristiku použitia a obmedzení či zdroja chýb. Metóda sa používa na určenie veku vyvrelín, Nedáva informáciu o horninách v stave taveniny pred tým než stuhli a kryštalizovali...

Tu sa na krátko zastavím. Jednou z prvou výhrad katastrofistov i kreacionistov je už tento vyššie uvedený poznatok; pýtajú sa, kde máme záruku stability hornín? Veď práve modely katastrofy a Potopy predpokladajú obrovské zohriatie väčšiny povrchu Zeme, v dôsledku pádu asteroidu či viacerých impaktov. Ak je toto predpokladom výskumu katastrofistov, no „hlavný prúd“ geológov odmieta takú možnosť, tu stojí tvrdenie proti tvrdeniu!. Kto rozrieši túto dilemu? Obidve strany sa väčšinou navzájom nepočúvajú – hlavne evolucionisti z „hlavného prúdu“ si zapchávajú uši. Nie sú ochotní čo len pripustiť, aby sa pozreli aj na túto možnosť a kládli si otázky:

  • pripusťme, že došlo k celosvetovej katastrofe, alebo veľkej regionálnej pohrome
  • ako by sa správali geochronologické metódy v takej situácii?
  • aké výsledky by mohli priniesť rádiometrické metódy
  • aká je súvislosť s magnetosférou a hodnotami kozmického žiarenia, atd., atd.

Teória ďalej uvádza, že napriek vyššie uvedenej výhrade je metódou možné merať veľmi dlhé časové úseky, naproti tomu je jej „jemnosť“ teda rozlišovacia schopnosť nízka – okolo 1 milióna rokov. Teda nie je vhodná pre meranie udalostí napr. v horizonte do 2 mil. rokov; vidíme, že tu by mohla vzniknúť chyba 50%, čo je dosť veľa.

Ďalším a hlavným zdrojom chýb tejto metódy je možný únik 40Ar z nerastu. Pokiaľ niektoré materiály udržia v sebe až 99% vzniknutého argónu, napríklad sľuda, iné podstatne menej a trebárs živce len od 60-80%, čo môže dať vzniknúť dosť veľkej chybe.

Príklad rozporov vo vyhodnotení metódou K-Ar nedávnej udalosti - výbuchu sopky St.Helens - a spochybnenie korektnosti celej metódy

Medzi vedcami, odborníkmi, ale aj laickými záujemcami o problematiku evolúcie, prebiehajú mnohé diskusie i polemiky typu: evolúcia versus kreácia. Týkajú sa hlavne geológie, biológie a paleontológie. Na internetových stránkach s témou veda v našich krajoch je niekoľko stránok, ktoré predstavujú tzv. „hlavný prúd“, obhajujúc vlastne evolučné teórie. Jednou z nich je aj planetopia.cz, ktorou sa zaštiťujú mnohí diskutujúci vedci a odborníci. Ide o naozaj kvalitné, odborné a pôsobivé spracovanie rôznych tém súvisiacich s otázkou evolúcie a polemík s inými smermi. Lenže... pokiaľ čitateľ alebo diskutér nepozná niektoré, napohľad „jemné“ a domnele „nepodstatné“ detaily a súvislosti, povie si: „Majú pravdu! Tak to som netušil. Tak tá protistrana zavádza...“

Práve na tejto stránke sa nachádza aj vysvetlenie údajne nekorektného prístupu k otázke datovania hornín a vzoriek s nedávneho (marec 1980) výbuchu americkej sopky St.Helens (hora Svätej Heleny v štáte Washington – USA). Vyšlo k tomu už množstvo článkov, štúdií, polemík.

Celý problém je v tom, že evidentne mladá hornina vykazovala od 340 tisíc do asi 2,8 milióna rokov.

Autor článku na stránke to „vysvetľuje“ tak, že obviňuje zodpovedného geológa Stevena A.Austina, že bola chybne použitá datovacia metóda. Išlo práve o metódu K-Ar. Popíšme stručne zúčastnené strany v tomto prípade a nechajme hovoriť autora článku (v slov. preklade):

„Steven A. Austin zmeral rádioaktívnou datovacou metódou K-Ar, lávové horniny, ktoré vznikli v roku 1980 na Mount Helene vo Washingtone. Výsledné údaje sa pohybovali od 0,34 ± 0,06 do 2,8 ± 0,6 milióna rokov. Toto naznačuje nekompetentnosť tejto metódy. (Austin, A. Steven. Excess Argon within Mineral Concentrates from the New Dacite Lava Dome at Mount St. Helens Volcano).

Austin datoval päť vzoriek s údajmi: 0,35 ± 0,05; 0,34 ± 0,06; 0,9 ± 0,2; 1,7 ± 0,3 a 2,8 ± 0,6. Problémom však je, že Austin poslal svoje vzorky do laboratória, ktoré jasne povedalo, že nemôže odmerať menej ako 2 milióny rokov. Takže prvé štyri vzorky sú v rámci tejto tolerancie a jasne hovoria, že vzorky boli neuveriteľne mladé. Austin mohol očakávať podobný výsledok.

Jediná vzorka ukázala vek viac ako dva milióny rokov. Vzorka však nebola homogénna. Xenocryst vo vzorke spôsobí, že vzorka bude vyzerať staršia, ako je v skutočnosti. Jednoducho preto, že xenokryst je skutočne starší ako skala, ktorá ho obsahuje. Xenocryst je minerál, ktorý sa môže v hlbokej zemi formovať. Je veľmi odolný voči vysokým teplotám a preto môže byť v láve dlho predtým, než sa láva objaví na povrchu a zamrzne. Xenolity a xenokryštály (staršie prísady, ktoré sa dostávajú do lávy a nie sú roztavené) sa dajú ľahko identifikovať pod mikroskopom, čo Austin nedokázal. Tvrdí, že odstránil gabbro xenolity, ale iné zložky nie sú uvedené (napr. andezity alebo dioritové kryštály).

Každá metóda môže byť chybne požitá. To isté platí o metódach datovania,“ vyriekol svoj rezultát autor kritického článku.

Nuž... chybne použitá metóda. Vysvetlenie vyzerá veľmi dôveryhodne. Bol to vlastne Austinov zámer (bol?). Laboratórium upozornilo Austina, že nemôže odmerať vzorky mladšie ako 2 milióny rokov. A posledná vzorka, obsahujúca xenocryst – on spôsobil, že sa javí staršou. Čítam... je to veľmi logické... Austin zavádzal... ale? Premýšľam... čítam od znova...

Hop! Ešte raz sa pristavím pri texte o vyjadrení laboratória : „...nemôže odmerať vzorky mladšie ako 2 milióny rokov“. Laboratórium (samozrejme?) vedelo, že ide o lávové horniny z nedávnej udalosti. Vedci z „labáku“ by povedali: Viete, my vieme odmerať horniny z nejakej starej vrstvy trebárs z miocénu (cca 24-5 mil. rokov späť). Keby ste nám doniesli takú vzorku, je to bez problémov...

Kladiem si preto otázku: Predpokladajme, že nejaká vrstva vznikla reálne katastroficky (podobne ako St.Helen) trebárs pred 2500 rokmi. Paleontológovia predpokladajú, na základe ich pohľadu stratigrafie, že ide o vrstvu z neskorého miocénu. Pošlú vzorku do laboratória, ktorá potvrdí vysoký vek. A vôbec ich nemusí zaujímať nejaký xenocryst. Nevedia, lebo sa stratila možno existujúca informácia z počiatku antiky, že tam v tom čase došlo k obrovskému zemetraseniu a výbuchu vulkánu. Metóda ukázala „ten správny výsledok“. Teraz nebola použitá chybne ale „správne“. Rozumiete?

Druhá otázka, ešte inak – vlastne taký myšlienkový experiment. Predstavme si, že by sa stratila informácia o dobe katastrofy a výbuchu sopky St.Helen (trebárs pre čiastočný kolaps civilizácie). Po 100 rokoch by paleontológovia a iní odborníci skúmali príslušné horniny a vyhodnotili by vzorky v laboratóriu. Zistili by ten správny vek vzoriek – do 2,8 milióna rokov. Záver: Sopka Blahej Aleny a jej okolie boli vyformované približne v neskorom pliocéne (5 – 1,7 mil. rokov). Metóda bola opäť „použitá správne“. Naozaj tomu rozumieme?

Ešte „maličkosť“ xenocryst. Aká je potom istota pre tvrdenie odborníkov, že: „xenokryst je skutočne starší ako skala, ktorú obsahuje...“?

„Šialene dlhý“ vek Zeme ako výsledok metódy urán-olovo

Pozn.: Nasledujúce úvahy sú skráteným výberom z článku P.Kábrta. Uvádzam ho tu preto, aby som doplnil prvé dve základné metódy – rádiouhlíkovú, a draslík-argónovú o tretiu najčastejšie používanú metódu na stanovenie veľmi dlhých období.

Plnú verziu článku (v češtine) s podrobnejšími vzorcami a grafmi nájdete na: http://kreacionismus.cz/radiometricke-datovani-a-stari-zeme  

Od roku 1955 je odhad veku Zeme založený na predpoklade, že určité pomery izotopov olova v meteoritoch zodpovedajú pomerom izotopov olova pri vzniku Zeme. V roku 1972 sa zistilo, že tento predpoklad bol mimoriadne kontroverzný. Napriek zotrvačnosti dvoch desaťročí pred rokom 1972 sa stala všeobecne uznávanou „univerzálnou konštantou“ pre vek 4,5 miliardy rokov, hoci zo základov, o ktoré sa opierala, nezostalo veľa ...

Geologická stupnica a vek Zeme 4,5 miliardy rokov sa opierajú do značnej miery o rádiometrické datovacie metódy založené na rozpade radu uran/thorium/olovo. Nižšie uvedený mechanizmus rozpadu môžeme považovať za spoľahlivý za týchto predpokladov:

  1. príslušný systém nebol nikdy prerušený, napríklad katastrofickou udalosťou, rozpad prebieha stále rovnakou, známou rýchlosťou
  2. vieme, koľko dcérinho prvku bolo v hornine na počiatku (primordiálne množstvo)
  3. počas časového procesu sa nič „nepridáva ani neodoberá“ - musí ísť o uzavretú sústavu.

Bod dva ukazuje, že ak sa hodnoty rádioaktívneho rozpadu považujú za nezmenené, zdá sa, že je splnená požiadavka absolútne konštantnej známej miery - tempa. Preto všetko, čo musíme urobiť, je nájsť rádioaktívny minerál, ktorý tvorí uzavretý systém od momentu mineralizácie a v ktorom je známe počiatočné množstvo dcérinho produktu (tzv. primordial quantity). Potom môžeme vypočítať absolútny vek dnešnej sumy materského a dcérskeho izotopu v mineráli.

Z praxe môžeme odvodiť najväčšie slabiny, nielen uvedenej metódy, ale aj v súvislosti s inými rádiometrickými metódami:

  • skutočne uzavreté sústavy zdá sa v prírode neexistujú
  • primordiálna koncentrácia izotopov je takmer neriešiteľným problémom, a zvolená hodnota sa môže opierať iba o dohady, a
  • rovnako nemennosť rozpadových konštánt sa dnes spochybňuje. Je známych viac rádioaktívnych izotopov, u ktorých sa zmenili rozpadové konštanty až o 4% trebárs zmenou chemickej formy izotopu. Preto sa dá konštatovať veľmi príznačný stav veci o, doteraz skalopevnej, jednej z najdôležitejších radiometrických metód na určovanie dlhých období v geológii Zeme – U-Pb: nespoľahlivá, nejednoznačná.

Pozrime sa však ešte podrobnejšie na ďalšie rozpory. Môžeme povedať aj o probléme s extrapoláciou dnešných rýchlostí rozpadu. Radiometrická datovacia metóda je v podstate extrapoláciou hodnôt, ktoré vyplývajú z príslušných grafov. Pokiaľ poznáme rozpadovú konštantu skutočne presne, dá s považovať za celkom prijateľnú extrapoláciu rádovo v tisíckach rokov. Extrapolácia v období rádovo 4-5 miliárd rokov je však niečo radikálne iné: je to 5 milión krát väčšia hodnota!

Teraz sa ešte zamyslíme nad skutočnými dátami olovo/olovo z rozsiahlych tabuliek Faula tiež Russella a Farquhara. Nasledujúca kratučká analýza aspoň naznačí, o aký problém ide: (Faul, H., Nuclear Geology, John Wiley & Sons Inc., New York 1954, Russell, R.D. and Farquhar, R.M., Lead Isotopes in Geology, Interscience Publishers, New York, 1960).

Olovo-206 a olovo-207 sú známe dcérske produkty rozpadu uránu-238 a uránu-235. Olovo-204, „okrajový“ izotop obyčajného olova, nemá rádioaktívne rodičovstvo a je považovaný za primordiálne olovo. V tomto prvotnom olove boli podľa bežných predstáv tiež prítomné izotopy 206 a 207, pretože nie je dostatok uránu na vysvetlenie existencie celého dnešného olova. Ale koľko olova 206 a 207 bolo prítomných na začiatku, nikto nevie, takže akékoľvek čísla v tomto ohľade musia byť založené na úvahách a domnienkach ... ako uvádza vo svojej knihe Cook, M.A., Prehistory and Earth Models, Max Parrish, London, p. 44, 1966.

Tu sme však načrtli len hlavné problémy. Nie je priestor na veľmi podrobné rozpitvanie ďalších detailov, tak iba naznačíme, že problém primordiálnych izotopov riešili vedci skúmaním v meteoritoch. Totiž:

Existujúce grafy Faula a tiež Russella a Farquhara uvádzajú údaje v tzv. časomernej zóne, ale: Tretina olovených rúd je považovaná za anomálnu pretože majú negatívny vek (sic!!). To znamená vek idúci v niektorých prípadoch niekoľko miliárd rokov do budúcnosti! Uvádza sa to ako zóna skreslenia. Hlavným problémom je vlastne to, že neexistuje vôbec žiadna diskontinuita medzi výsledkami medzi oboma zónami. Všetky údaje ukazujú rovnaký rozptyl. Na to však neexistuje dôvod, preto sú nevyhnutne rudy ležiace v časomerné zóne tak málo ukazovateľom uplynulého času ako aj rudy ležiace v zóne skreslenia.

Uvádza sa aj štúdia: (Patterson, C., Tilton, G. and Inghram, M., Science 121:69, 1955), kde Patterson bol veľmi kritický: „Nároky na predpoklady v metóde datovania pomocou olovených rúd sú tak extrémne (sic!!), že je nepravdepodobné, že by táto metóda mohla poskytnúť správný údaj o veku...“

 

Keď to nejde... aj tak to musí ísť!

A tak to vzali z iného konca. Odhadli vek Zeme tak, že dosadili do príslušnej rovnice (asi Holmes-Houtermansovej?) pomery izotopov olova v určitých meteoritoch. Samozrejme, že aj tu potrebovali stanovenie primordiálních pomerov olova. Hodnoty, s ktorými počítali, vychádzali z pomerov izotopov olova pozorovaných – predstavte si – len u troch meteoritov! Nebudem opäť podrobne rozvádzať možné rozpory a diskusie okolo tohto problému. Najdôležitejšie je, že sa dá zistiť, že pomery izotopov olova zvolené Pattersonom nie sú reprezentatívne pre väčšinu meteoritov, ako uvádza napríklad aj H.Faul, vo svojej Nuclear Geology. Pomery izotopov olova u väčšiny meteoritov sa totiž podobajú pomerom izotopov u dnešného bežného olova.

Samozrejme, že opäť sa objavila výhovorka, však adekvátna len do roku 1972, že to spôsobila kontaminácia radiogenným olovom z rozpadu uránu a thoria. Výskumy Galeho (Gale, N.H., Arden, J. and Hutchison, R v Nature Phys. Science 240:57, 1972) bezpochyby dokázali, že v žiadnom prípade neexistuje dostatok uránu a thoria na to, aby sa pomocou nich vysvetlilo to, čo sa skôr nazývalo radiogenným olovom.

Problematika, konkrétne len s touto tzv. absolútnou datovacou metódou je, samozrejme, podstatne zložitejšia. Však aj na tomto neveľkom priestore sme ukázali, koľko kontroverzií obsahuje.

 

Na záver ešte jedna myšlienka. V súvislosti s geochronológiou i celkovou evolúciou záujemcovia nájdu na vedeckých či popularizačných stránkach aj ďalšie a ďalšie „vysvetlenia“, hlavne zamerané evolucionistickým smerom. Napríklad na planetopia.cz „jemne“ dokazujú minimálne akúsi „dopletenosť“ iných odborníkov z opačnej názorovej strany. Napríklad, chcú utvrdiť čitateľov v názore, že teda – napriek tomu, že v „klasických“ rádiometrických metódach sa už našli vážne trhliny – je tu nová spása, vo forme doplnkových metód – izochronná metóda, rubídium-stroncium (Rb-Sr) a p.

Vzhľadom k môjmu širšiemu záberu sa v nasledujúcich článkoch chcem zaoberať aj inými témami a súvislosťami otázok evolúcie a polemiky s ňou, súvisiacich s fyzikou, chémiou a biológiou, kozmológiou ap. K rádiometrii sa snáď vrátim ešte neskôr – tri články na úvod k tejto polemickej téme myslím stačia. Prosím preto záujemcov, aby sa pokúsili na uvedené témy ďalších metód datovania, napríklad aj na stránke planetopia.cz, pozrieť a hlbšie pomeditovať nad ich logikou. Tak ako som sa o to pokúsil vyššie.

Súvisiace

Séria: Dejiny najskôr prebehli inak