Lyssna
Att mäta geologisk tid
Åldersbestämning av mineral och bergarter
Geologin är en vetenskap som rör sig över stora tidsrymder, och tidsaspeketen är därför av fundamental betydelse. Utvecklandet av metoder för att mäta geologisk tid och åldern på olika bergarter har bidragit starkt till förståelsen av den geologiska utvecklingen.
Genom iakttagelser i fält kan geologerna ofta bestämma den ordningsföljd olika bergarter bildats i. Ett vackert exempel är berghällen vid nedgången till Universitetets T-banestation. Den består huvudsakligen av grå, jämnkornig granit (s.k. Stockholms-granit) men innehåller på ena sidan ett stort brottstycke som troligen består av äldre gnejsgranit (genomsatt av pegmatit-ådror), vilket följt med i granit-magman. Gnejsgraniten måste således vara äldre än Stockholmsgraniten. Båda dessa bergarter genomsätts sedan av ljusa pegmatitgångar, vilka således måste vara yngst.
I denna berghäll kan man se ordningsföljden mellan de olika bergarterna: äldst är den mörka gnejsgraniten med sina pegmatitådror, följd av den ljusgrå graniten, och yngst är den ljusa pegmatitgången som slår igenom både gnejsgraniten och den yngre graniten. Foto: Åke Johansson
Genom att studera fossilinnehållet i yngre, fossilförande sediment-bergarter kan dessa dessutom jämföras över stora avstånd. På så sätt byggdes den Fanerozoiska tidsskalan (från Kambrium och framåt) tidigt upp som en relativ skala. Jordens absoluta ålder förblev dock länge okänd.
Med hjälp av naturligt förekommande radioaktiva ämnen i berg-grunden har det numera blivit möjligt att datera en bergart absolut, dvs ta reda på hur många miljoner år gammal den är. Denna teknik är särskilt viktig i ett land som Sverige, vars berggrund domineras av gamla magmatiska och metamorfa bergarter utan fossil. Isotopdateringar och andra isotop-geologiska studier är en specialitet som utförs vid Naturhistoriska riksmuseet.
Radioaktiva sönderfall - naturens egna klockor
Isotoper är varianter av ett och samma grundämne, med olika antal neutroner i atomkärnan och därmed olika atommassa. Vissa isotoper är instabila och övergår genom radioaktivt sönderfall till stabila isotoper av ett annat grundämne. Detta sker med en viss bestämd hastighet, den s.k. halveringstiden. Ett exempel är uranisotopen 238U vilken via en rad mellansteg övergår till blyisotopen 206Pb. Halveringstiden för detta sönderfall är på 4.47 miljarder år, nästan identisk med jordens ålder. Det innebär att hälften av alla atomer av 238U som fanns vid jordens bildande nu sönderfallit till 206Pb. Ett radioaktivt isotopsystem fungerar som ett naturens timglas. Ju mindre som finns kvar av den radioaktiva moderisotopen och ju mer som tillkommit av den nybildade, radiogena dotterisotopen, ju äldre är mineralet eller bergarten.
Som ett timglas. Radioaktivt 87-Rubidium sönderfaller till stabilt 87-Strontium - ett annat exempel på ett naturens eget timglas som kan användas för åldersbestämning av mineral och bergarter. Halveringstiden är hela 49,6 miljarder år.
.jpg)
Halveringstid. Efter en halveringstid återstår endast hälften av det ursprungliga antalet radioaktiva atomer, efter två halveringstider återstår en fjärdedel, efter tre halveringstider en åttondel, osv., medan antalet dotteratomer tillväxer i motsvarande takt, och adderas till de som eventuellt fanns i materialet från början.
Naturligt förekommande isotoper med lång halveringstid kan användas för att datera mineral och bergarter, genom att mäta proportionerna mellan moder- och dotter-isotop. De vanligaste sönderfallen som utnyttjas är:
Radioaktivt sönderfall | Halveringstid | Sönderfallskonstant (λ) | |
87-rubidium till 87-strontium | 49,61 miljarder år | 1,3972 x 10-11 | |
40-kalium till 40-argon | 1,25 miljarder år | 5,54 x 10-10 | |
235-uran till 207-bly | 0,704 miljarder år | 9,85 x 10-10 | |
238-uran till 206-bly | 4,47 miljarder år | 1,55 x 10-10 | |
147-samarium till 143-neodym | 106 miljarder år | 6,542 x 10-12 |
Sönderfallskonstanten är en sorts inverterad halveringstid, ett uttryck för sannolikheten att en atom faller sönder under en viss tidsperiod. Det är denna konstant, i formler markerad med den grekiska bokstaven λ (lambda), som man använder sig av vid själva åldersberäkningen.
Vid en åldersbestämning med Rb-Sr, K-Ar eller Sm-Nd-metoderna kan man antingen använda sig av hela bergartsprov eller av olika mineral som separerats fram ur bergarten. För att göra en säker åldersbestämning måste en hel serie prov med olika sammansättning från samma bergart analyseras. De uppmätta isotopkvoterna plottas i ett s.k. isokrondiagram, och bör då falla efter en rät linje vars lutning är ett mått på bergartens ålder. Ju brantare lutningen är, ju högre är åldern. För en helt nybildad bergart skulle alla punkterna i princip ligga på en horisontell linje.
En principskiss av s.k. isokrondiagram (av grekiskans isokron = lika ålder) för rubidium-strontium. När bergarten kristalliserar ligger alla punkterna (gula) på en horisontell linje, med samma kvot 87Sr/86Sr. Allteftersom tiden går vandrar de snett uppåt i diagrammet, ju snabbare ju mer rubidium de innehåller i förhållande till strontium. De kommer fortfarande ligga på en rät linje (röda punkter), ur vars lutning bergartens ålder kan beräknas med formeln i diagrammet (k = lutning, λ = sönderfallskonstanten, t = den beräknade åldern). Linjens skärning med y-axeln visar dessutom bergartens ursprungliga 87Sr/86Sr-kvot, vilken kan ge information om bergartens ursprung.
Isotopvariationer hos vissa av dessa grundämnen - exempelvis bly, neodym och strontium - är också användbara för att få information om ursprunget för magmatiska bergarter. Magmor som härstammar från jordens mantel har en annan isotop-sammansättning än magmor som består av äldre uppsmält jordskorpematerial. Blyisotoper används också för att studera sulfidmalmers bildning och ursprunget för blyet i dessa malmer. Isotopvariationer hos dessa element kan även användas för att studera gobala frågor och storskaliga förlopp, såsom manteln sammansättning, kontinentskorpans tillväxt och de plattektoniska processerna.
Uran-bly-datering
För att bestämma åldern på magmatiska bergarter är numera uran-bly-metoden den vanligaste och anses mest pålitlig. Här utnyttjar man en kombination av två radioaktiva sönderfall, 235U till 207Pb och 238U till 206Pb. Oftast använder man sig av det uranhaltiga mineralet zirkon, som finns i små mängder i de flesta granitiska bergarter. Andra mineral som kan användas är titanit och monazit.
Kristaller av mineralet zirkon (ZrSiO4), ca 0,2 mm långa, sedda i ett vanligt ljusmikroskop. Zirkonerna innehåller små mängder uran, varav en del under tidens lopp sönderfallit till bly. Genom att mäta proportionerna mellan uran och bly i sådana zirkonkristaller kan deras ålder beräknas. Dessa zirkoner kommer från Stockholms-graniten och har en ålder på ca 1800 miljoner år. Foto: Åke Johansson.
Arbetet med att utföra en åldersbestämning innehåller flera steg. Först krossas och mals bergartsprovet som skall dateras, så att de olika mineralen kan separeras fram. Därefter löses dessa upp i stark syra och de aktuella grundämnena separeras fram på kemisk väg. Själva mätningen av ämnenas isotopsamman-sättning sker i en s.k. masspektrometer, där de olika isotoperna separeras i ett magnetfält på grundval av deras olika massor.
Masspektrometer.
En av de masspektrometrar som finns vid Naturhistoriska riksmuseet, en Thermo Triton. Denna används för att mäta isotopsammansättningen i fasta ämnen såsom uran, bly, strontium, samarium och neodym.
Foto: Åke Johansson.
Vid uran-bly-datering, där två olika radioaktiva sönderfall kombineras, används en särskild typ av diagram. Analys-punkterna representerar olika mineralfraktioner, oftast av zirkon. Dessa rör sig uppåt och till höger längs en bestämd kurva med tiden, allteftersom mineralets uranhalt minskar och dess blyhalt ökar, och i det enklaste fallet kan åldern direkt läsas av från deras position på kurvan. Ofta har mineralet dock förlorat en större eller mindre mängd bly genom olika störningar, så att punkterna plottar på en rät linje under kurvan. Den övre skärningspunkten mellan denna linje och kurvan anger då kristallisationsåldern. Ett exempel på uran-bly-datering är en undersökning av Stockholmsgranit, vilken provtogs i samband med sprängningsarbetena för Cosmonova bakom Riksmuseets huvudbyggnad i Frescati.
Enligt en datering utförd med konventionell masspektrometer-teknik i början av 1990-talet har Stockholms-graniten en ålder på 1803 ± 20 miljoner år (övre diagrammet nedan). En nygjord datering av enstaka zirkonkristaller från samma prov gjord år 2018 med NORDSIM:s jonmikrosond (se nästa stycke) ger en mer precis ålder på 1792 ± 4 miljoner år (undre diagrammet nedan).
Stockholmsgranitens ålder. I ett s.k. concordia-diagram plottas de upp-mätta uran/bly-kvoterna för de olika analyserade zirkonkristallerna. Figuren ovan visar en äldre datering (publicerad år 1995) gjord med konventionell masspektrometerteknik, där fraktioner var och en bestående av ett stort antal zirkonkristaller, har lösts upp och analyserats. Analyspunkterna (1-7) plottar långt under concordia-kurvan pga blyförluster, men bildar en rät linje, vars övre skärningspunkt med den s.k. concordia-kurvan ger bergartens ålder, i detta fall 1803 ± 20 miljoner år.
En nygjord åldersbestämning (år 2018) med punktanalyser i enskilda zirkon-kristaller från samma prov, gjorda med NORDSIM:s jonmikrosond, ger en mer precis ålder på 1792 ± 4 miljoner år. Analyspunkterna (grå ovaler) plottar här på eller i närheten av concordia-kurvan, vilket förklarar den förbättrade precisionen. Analyser och illustration: Åke Johansson.
Jonmikrosonden NORDSIM
Vid Naturhistoriska riksmuseet i Stockholm finns också den gemensamma nordiska jonmikrosonden NORDSIM, ett stort och avancerat specialinstrument där isotopanalyser i mikroskala kan utföras in situ i olika mineral. Det vanligaste användningsområdet är att utföra uran-bly-analyser punktvis i zirkonkristaller med en komplex utvecklingshistoria. Analyspunkterna är ca 20 mikrometer i diameter, vilket möjliggör att äldre kärnor och yngre påväxter i en och samma kristall kan dateras separat. Därigenom fås en betydligt bättre förmåga att klarlägga utvecklingen hos bergarter med en komplex historia, där zirkonerna både kan vara av äldre nedärvt ursprung (ej upplösta i magman), magmatiskt kristalliserade, och metamorft bildade. Zirkonkristaller i sedimentära bergarter, vilka härstammar från äldre bergarter som eroderats ner och vars varierande åldrar därför avspeglar åldrarna på den berggrund som utgjort modermaterial till sedimentet, är ett annat exempel på material som med fördel analyseras med hjälp av jonmikrosond.
Zirkon från Svalbard daterad med jonmikrosond. En zirkonkristall, ca 0,2 mm lång, från Rijpfjordengraniten på östra Svalbard, som analyserats med jonmikrosonden NORDSIM. Ett flertal kristaller från samma prov har gjutits in i en puck av epoxi-plast, som sedan polerats så att man får en genomskärning genom kristallerna. Dessa har sedan studerats och fotograferats med s.k. cathodoluminiscens (CL) i elektron-mikroskop i stor förstoring, så att kristallernas inre struktur framträder. Ett antal punkter har därefter valts ut för analys med jonmikrosonden NORDSIM. I denna kristall har den ljusa nedärvda kärnan en ålder på mer än 1300 miljoner år, medan den inre zonerade påväxten och den yttre mörka påväxten har åldrar på drygt 400 miljoner år, vilket också tolkas som själva granitens kristallisationsålder. Foto och analys: Åke Johansson.
Uran-bly-datering av zirkoner från en gnejsgranit från västra Blekinge, utförd med jonsondsteknik. Analyspunkterna (grå ellipser) faller alla på eller strax intill Concordia-kurvan, och ger en kristallisationsålder för bergarten på 1765 ± 7 miljoner år. Analyser och illustration: Åke Johansson.
Uran-bly-datering av zirkoner från 'Blekinge kustgnejs', en grå relativt finkornig bergart i västra Blekinge av troligt vulkaniskt ursprung, utförd med jonsondsteknik. Analyspunkter i tio zirkonkristaller ger en magmatisk kristallisationsålder på 1765 ± 6 miljoner år. Yngre överväxter på två kristaller ger en metamorf omvandlingsålder på 1441 ± 9 miljoner år. De mellanliggande analyspunkterna är förmodligen blandade åldrar. Denna typ av detaljerad analys går endast att utföra med jonsondsteknik. Analyser och illustration: Åke Johansson.
Text och bilder: Åke Johansson
Vill du veta mer om den isotopgeologiska forskning som bedrivs vid museet?
