Základy geologie pro geografy
(podzimní semestr 2019)
Datování geologické minulosti
Daniel Nývlt (daniel.nyvlt@sci.muni.cz)
Datovací metody geologické minulosti
Absolutní X relativní datování
Radiometrické (radioizotopové) metody (terigenni radionuklidy, kosmogenní
radionuklidy)
Radiační dozimetrické metody (luminiscence, elektronová spinová
rezonance, racemizace aminokyselin, štěpné stopy)
Kvalitativní a srovnávací metody (přírůstkové metody – varvy, letokruhy, led;
molekulární hodiny, magnetostratigrafie, biostratigrafie, tefrochronologie,
lichenometrie, zvětrávání, pedogeneze, izotopické signály, superpozice,
stratigrafické vztahy)
Terigenní radionuklidy
Produkty rozpadové řady 238U
- metoda uran-olovo je založená na
stanovení stáří na základě poměru
dceřiného izotopu 206Pb a mateřského
izotopu 238U,
- jedna z nejstarších datovacích
metod (Boltwood, 1907),
- obvykle aplikovaná na zirkonech
(příp. monazit nebo titanit), které
zachycují atomy uranu a thoria do své
krystalové struktury, ale silně odpuzují
olovo, proto lze považovat veškeré
obsažené olovo za produkt
radiogenního rozpadu až po vzniku
minerálu,
- horní datovatelný limit je ~4.5 Ga s
chybou pouze 0,1–1%.
Terigenní radionuklidy Produkty rozpadové řady 238U
- uran-thoriová metoda je založená na stanovení stáří na základě stupně
ustavené rovnováhy mezi rozpadem dceřiného izotopu 230Th a mateřského
izotopu 234U,
- protože je poločas rozpadu dceřiného izotopu kratší, než je poločas rozpadu
izotopu mateřského, odpovídá v případě dlouhodobé rovnováhy množství
rozpadů 230Th za jednotku času množství rozpadů 234U za stejný čas,
- pokud však systém není uzavřený (např. dochází k úniku radonu difuzí nebo
ochuzování o vybrané izotopy zvětráváním a erozí) taková rovnováha nemůže
být ustavena,
- uran je rozpustný ve vodě a proto jakýkoliv materiál, který se z takovéto vody
vysráží bude obsahovat uran (typicky 0,01–100 ppm), proto je tato metoda
vhodná k datování mořských (korálů) i pevninských karbonátů (speleotém),
- horní datovatelný limit je ~ 500 ka.
Produkty rozpadové řady 235U
- uran-protaktiniová metoda (231Pa/235U) je
také použitelná pro datování mladých událostí,
- protaktinium (obdobně jako thorium) není na
rozdíl od uranu rozpustné ve vodě,
- stejné aplikace jako u uran-thoriové metody,
tedy vhodné k datování mořských (korálů) i
pevninských karbonátů (speleotém),
- dosah metody ~ 200 ka
Terigenní radionuklidy
Produkty rozpadové řady 238U, 235U a 232Th
- metoda olovo-olovo je dále rozvinutou metodou založenou na stanovení
stáří na základě poměru dceřiných izotopů 206Pb, 207Pb a 208Pb a jejich
mateřských izotopů,
- ideální v případech, když nejsou k dispozici zirkony/monazity a nebo je
primárně přítomno neradiogenní olovo,
- první metoda, která umožnila správně datovat stáří Země (4,55 ± 0,07 Ga;
Patterson, 1956) nebo byla aplikována k datování chondritických meteoritů a
tím pádem vzniku Sluneční soustavy (4,57 ± 0,0004 Ga; Connelly et al., 2012).
Terigenní radionuklidy
Draslík-argonové datování
- metoda draslík-argon (40K/40Ar) je založená na stanovení stáří na základě
rozpadu radiogenního 40K na 40Ca (beta rozpad) a 40Ar (zachycením elektronu),
- argon je vzácným plynem, který zůstává po vzniku zachycen v krystalové
mřížce a můžeme ho z ní dostat zvýšením teploty nebo tlaku, což se používá
při datování,
- draslík je běžný prvek v mnoha minerálech, jako jsou slídy, jílové minerály
nebo živce,
- poločas rozpadu 40K je 1,248 Ga, proto lze
datovat velmi staré horniny,
- metoda je velmi vhodná k datování magmatických hornin, u kterých se datuje
okamžik, kdy při chladnutí a tuhnutí taveniny klesne
teplota pod Curieovu teplotu železa (770 °C).
Terigenní radionuklidy
Argon-argonové datování
- metoda argon-argon (40Ar/39Ar) je metodou vycházející z 40K/ 40Ar datování
přinášející přesnější výsledky,
- datování je založené na ozáření horniny/minerálu neutrony (přeměna 39K →
39Ar) a tudíž je možné měřit poměr 40Ar*/ 39Ar,
- protože se jedná pouze o relativní datovací metodu musí být zároveň s
datovaným vzorkem ozářen standard známého stáří (nejčastěji stanovený
pomocí 40K/40Ar datování),
- výhodou metody je možnost datovat pouze časti krystalů minerálů a umožňuje
datovat nižší uzavírací teplotu, než originální K-Ar datování,
- pomocí této metody byly v posledních 10 letech zpřesněny stáří významných
geologických hranic, jako je hranice perm-trias (252,2 Ma) a křída-paleogén (66
Ma).
Terigenní radionuklidy
Samarium-neodymové datování
- datovací metoda samariumneodym
je založená na alfa
rozpadu 147Sm na 143Nd s
poločasem rozpadu 106 Ga,
- samarium a neodym se
nabohacuje v silikátových
minerálech s narůstajícím časem
krystalizace, samarium je
nabohacováno v mafických
horninách (vysoký poměr Sm/Nd),
naproti tomu neodym je bohatší ve
felsických minerálech (nízký
poměr Sm/Nd),
- pro výpočet stáří se využívá poměrů 147Sm/ 144Nd a 143Nd/ 144Nd.
Terigenní radionuklidy
Rubidium-stronciové datování
- datovací metoda rubidiumstroncium
je založená na beta
rozpadu 87Rb na 87Sr s poločasem
rozpadu 48,8 Ga,
- rubidium je nabohacené v korových
horninách, stroncium se při frakční
krystalizaci koncentruje v plagioklasech
a rubidium se dostává do minerálů
krystalujících v pozdních fázích, mění
se tak poměr Rb/Sr u jednotlivých
minerálů a hornin (nejvyšší je u
pegmatitů s hodnotou >10),
- obvykle se datuje více minerálů (u granitu nejčastěji plagioklas, draselný
živec, amfibol, biotit a muskovit), protože mají jiné počáteční poměry Rb/Sr,
- pro výpočet stáří se využívá poměrů 87Sr/ 86Sr a 87Rb/ 86Sr.
Stronciové datování mořských organismů a sedimentů
Poměr 87Sr/86Sr v biogenně a chemogenně vzniklých mořských organismech
a sedimentech se během fanerozoika mění. Poměr 87Sr/86Sr v mořské vodě
je závislý na poměrech 87Sr/86Sr v horninách, které jsou do moří erodovány a
kterými sladká voda ještě na pevninách protéká. Intenzivní vulkanická
aktivita během některých období přináší do oceánu materiál s nízkým
poměrem 87Sr/86Sr, proti tomu působí snos hornin kontinentální kůry
s vysokým poměrem 87Sr/86Sr do oceánů v obdobích bez významnější
vulkanické aktivity.
0,70650
0,70700
0,70750
0,70800
0,70850
0,70900
0,70950
0 100 200 300 400 500
Numerical Age, Ma
87
Sr/86
Sr
Don't believe this - it's an
artefact of sparse data
These are probably
artefacts of age models or
diagenesis
Pro mladší
kenozoikum vhodná
metoda datování
schránek mořských
měkkýšů.
Působením primárního kosmického záření (vysoce energetické nukleony s
energií >1 GeV: 89 % protony, <10 % alfa částice, 1 % jádra těžších prvků; <1
% beta částice) na atomy vzduchu (H, N, O, Ar, Cl) v horních vrstvách
atmosféry vznikají kosmogenní radionuklidy (např. 3He, 10Be, 14C, 36Cl, 39Ar),
které se zabudovávají např. do biosféry nebo hydrosféry.
Kosmogenní radionuklidy – radiogenní izotopy vznikající štěpením
atomových jader vlivem vysokoenergetického kosmického záření.
B.r.c = (m.v.c)/Ze.sina
a
B
r
částice
(Ze, v, m)
Magnetický jižní pól
Geografický jižní pól
Magnetický severní pól
Geografický severní pól
Atmosférická i in situ produkce kosmogenních radionuklidů je závislá na
magnetickém poli Země. Jejich produkce vzrůstá s nadmořskou výškou a
magnetickou (zeměpisnou) šířkou.
Radiouhlík – 14C
Uhlík má dva stabilní (12C – 98,9 %
a 13C – 1,1 %) a jeden radiogenní
(14C) izotop rozpadající se na 14N s
emisí β záření. Radiouhlík vzniká v
atmosféře na hranici troposféry a
stratosféry a především ve vyšších
geomagnetických šířkách při
srážkách vysokoenergetických
neutronů s molekulou dusíku (N2).
V troposféře je v důsledku proudění
„téměř“ homogenně rozšířen a
reaguje s kyslíkem za vzniku 14CO2.
Ten se dostává fotosyntézou do
rostlin a dále potravním řetězcem
do zvířat a člověka (globální cyklus
uhlíku). Z atmosféry se dostává také
do mořské i sladké vody, proto je
zabudováván do vlastních těl také
vodními organismy.
Radiouhlík – 14C
Poločas rozpadu (přeměny) izotopu 14C je 5730 ± 40 let (tzv. cambridgeský
poločas rozpadu). Původní poločas rozpadu použitý W. F. Libbym (1949) byl
5568 ± 30 let.
W.F. Libby – Nobel Prize winner 1960 – „Seldom has a single discovery in
chemistry had such an impact on the thinking in so many fields of human
endeavor.“ Nobel Committee (1960)
Radiouhlíkové datování
Jaký materiál datujeme? dřevo, rašelinu, organické jezerní sedimenty,
karbonáty, zbytky rostlin, uhlíky, ulity měkkýšů,
korály, CO2 rozpuštěné ve vodě, kosti, papír, látky,
kůže, pigmenty…
Jak starý materiál lze odatovat? běžně osminásobek poločasu rozpadu, tedy
~ 45 tisíc let, max. 60–65 tisíc let
Co z laboratoře dostanete? laboratorní kód vzorku; konvenční
radiouhlíkové stáří BP s interní chybou ± 1σ
standardně udáváno BP (konvenčně před rokem 1950 AD/CE/n.l.)
Kalibrace radiouhlíkových dat
Prvotním přiblížením bylo uvažováno, že produkce radiogenního uhlíku je stálá v
čase a v prostoru a že mezi jeho produkcí a rozpadem je tedy v přírodě dlouhodobá
dynamická rovnováha. Avšak již v roce 1958 de Vries studiem letokruhů ukázal, že stáří
získaná jako konvenční radiouhlíková stáří neodpovídají stářím ročních přírůstků.
Produkce radiogenního uhlíku v atmosféře je totiž v čase a prostoru
nerovnoměrná (dochází ke kvaziperiodickým změnám atmosférické aktivity 14C v
periodách od 200 do 2300 let, myšleno na krátkých časových škálách).
Ta souvisí především se změnami intenzity kosmického záření pronikajícího do
atmosféry v důsledku změn geomagnetického pole a solární aktivity a s některými
pozemskými procesy (především změny mořského proudění).
Od průmyslové revoluce významný vliv člověka na frakcionaci uhlíku v atmosféře
(spalování fosilních paliv ředí radiogenní uhlík v atmosféře dodáváním izotopicky lehčí
směsi uhlíku bez 14C – tzv. Suessův efekt; naopak termonukleární výbuchy zvyšují
podíl radiogenního uhlíku v atmosféře na hodnoty, které nemají v přírodní historii
obdoby).
Jaké jsou nejčastější metody kalibrace radiouhlíkového stáří?
Dendrochronologická kalibrace – přímé srovnání letokruhů datováných
radiouhlíkovou metodou a jejich přesného stáří stanoveného dendrochrologicky
– dnes kalibrace po stáří 13.900 cal. let BP podle nejdelší dendrochronologické
řady (dubová a borovicová křivka z Německa a Švýcarska).
Varvová chronologie, mělkomořské laminované sedimenty, speleotémy
Srovnání s jinými datovacími metodami
Sekundární radiací mezonů K a π (rozpadajících se na miony) a zejména
energetických nukleonů (nejčastěji neutronů s energií >10 MeV) vznikají přímo
na zemském povrchu in situ tvořené kosmogenní radionuklidy (TCN –
terrestrial in situ cosmogenic nuclides: 3He, 10Be, 21Ne, 26Al, 36Cl, 41Ca).
Kosmogenní radionuklidy
In situ produkce
kosmonuklidů:
3He: 75–100 at•g-1•a -1
10Be: 4–7 at•g-1•a -1
21Ne: 18–21 at•g-1•a -1
26Al: 30–36 at•g-1•a -1
36Cl: 8–10 at•g-1•a -1
10Be
16O
28Si
energetické
nukleony
mezony
Produkce 10Be v krystalové mřížce křemene
sekundární radiace (>10 MeV)
10Be atm T½ = 1.387 ± 0.012 Ma
0
1
2
3
4
5
0 200 000 400 000 600 000 800 000
10
Be (at/g).
Depth(m)
produkce neutrony
produkce miony
celková produkce
Koncentrace 10Be v závislosti na hloubce
Závislost povrchové koncentrace 10Be na erozi povrchu
1 000
10 000
100 000
1 000 000
10 000 000
100 000 000
100 1 000 10 000 100 000 1 000 000 10 000 000
délka expozice (v letech)
10
Be(at.g
-1
)
t min
1000 m/Ma
0 m/Ma
100 m/Ma
10 m/Ma
1 m/Ma
max
Výpočet expozičního stáří povrchu kosmogenními radionuklidy
CRONUS-Earth online calculators (http://hess.ess.washington.edu/math/)
CosmoCalc (An Excel Add-In for cosmogenic nuclide calculations)
(http://sites.google.com/site/cosmocalc/)
Aplikace kosmogenních radionuklidů
Datování pomocí izotopů s krátkým poločasem rozpadu
137Cs (poločas rozpadu 30 let), vhodné pro jezerní sedimenty, rašeliny
- vzniká v
důsledku
termojaderných
výbuchů, v
prostředí se
významněji
objevuje kolem
roku 1954,
maximum v roce
1963/1964 a pro
Evropu 1986 a
nejnověji pro
rok 2011.
210Pb (poločas rozpadu 22,26 let), vzniká rozpadem 222Rn a rozpadá se na
206Pb, které je již stabilní
- použitelnost pro posledních ~ 200 let, pro jezerní sedimenty, rašeliny
- dva modely pro výpočet stáří:
1) konstantní počáteční koncentrace
(CIC) 210Pb v rámci celého profilu, což
v průběhu času vede k monotónnímu
úbytku koncentrací 210Pb směrem do
hloubky. Bohužel změny v rychlosti
sedimentace v dané pánvi obvykle
neumožní konstantní počáteční
koncentraci 210Pb.
2) Proto je častěji využíván druhý
model, který předpokládá konstantní
rychlost přísunu (CRS) 210Pb během
posledních 150–200 let.
Luminiscenční datovací metody
Termoluminiscence (TL) – standardně měřen
křemen nebo živce, ale principiálně mohou být
použity i jiné minerály.
Datovatelný materiál: keramika, vypálené
sedimenty, cihly, kachle, přepálené artefakty a
kameny, vulkanické produkty, spraše, jezerní
sedimenty a dokonce hlubokomořské sedimenty.
Laboratorní měření: separovaný křemen nebo živec je zahříván na >500 °C a
vyzářené světlo je pomocí fotonásobičů převáděno na elektrické impulzy.
Intenzita TL je vynášená vůči teplotě – dostaneme křivku záření, v níž vrcholy
odpovídají prožité termální historii jednotlivých populací elektronových pastí ve
vzorku.
Přírodní TL signál je srovnáván s umělým signálem získaným tak, že část
vzorku vystavujeme známým dávkám záření z kalibrovaného zdroje
radioizotopů. To nám umožňuje stanovit ekvivalentní dávku (paleodávka; DE),
která odpovídá množství záření, které by bylo zapotřebí k vytvoření stejného TL
signálu, který daný vzorek získal během posledního vynulování.
Optická luminiscence (OSL)
- obdobný přístup, jen luminiscence
je indukována zeleným světlem,
- dnes pro datování sedimentů již
TL skoro není používána,
- v poslední době se významně
využívá datování jednotlivých
křemenných zrn, které umožňuje
zjistit, jestli všechna zrna v daném
Infračervená luminiscence (IRSL)
- pouze pro živce
- IR záření generuje mnohem silnější luminiscenční signál, což je speciálně pro
živce důležité, protože živce se obecně výrazně hůře nulují, než křemen
vzorku mají stejná zdánlivá stáří. Tato zdánlivá stáří mohou být různá, protože
např. některá z nich nebyla vůbec vystavena slunečnímu záření po dostatečně
dlouhou dobu, aby byl vynulován jejich luminiscenční signál a nebo protože
sediment obsahuje různě starý materiál.
Elektronová spinová rezonance (ESR)
Podobný princip jako u luminiscenčních metod (také je třeba stanovit
ekvivalentní a roční dávku). Ale tato metoda je nedestruktivní a nedochází
při měření k uvolnění elektronů zachycených v krystalové mřížce. Je
stanovováno jejich množství na základě jejich paramagnetických vlastností.
Vzorek je měřen v silném magnetickém poli a vystaven vysokofrekvenční
elektromagnetické radiaci. Magnetické pole se pomalu mění a při určité
frekvenci se začnou elektrony excitovat a rezonují.
Rezonance je měřena ESR spektrometrem, kde počet rezonujících elektronů,
který udává stáří vzorku, měříme absorpcí elektromagnetické energie.
Datovatelný materiál: speleotémy, zubní sklovina, koráli, měkkýši, přepálené
artefakty, vulkanity
Dosah metody: od pár tisíců let až teoreticky do 2 miliónů let. Ale přesnost
metody je poměrně nízká, chyba bývá obvykle >10 %.
Štěpné stopy v minerálech a datování termálních událostí
Je založena na rozpadu jader atomů 238U (poločas rozpadu ~1016 let), štěpení
je spojeno se vznikem neutronů a štěpných produktů. Tyto štěpné úlomky
získávají značnou energii a při průchodu nabité částice hmotou (krystalem
minerálu) způsobují štěpné produkty trvalé poškození – tzv. latentní štěpnou
stopu. Pro určení stáří vzorku je nutné stanovit objemovou hustotu
spontánních latentních štěpných stop 238U, která je funkcí obsahu uranu a stáří.
Štěpné stopy mohou být zviditelněny a studovány pod mikroskopem.
Nejčastější metodou ke zjištění koncentrace uranu je objemová hustota
indukovaných štěpných stop 235U, které lze získat při bombardování jader
tohoto izotopu pomalými (termálními) neutrony v jaderném reaktoru. Stáří
jednotlivých zrn je vypočteno z poměru spontánního a indukovaného počtu
štěpných stop a neutronového toku. Metoda spontánního štěpení 238U je
nejčastěji kalibrována pro studium časově-teplotního záznamu vývoje hornin
pro zirkony a apatity v rozmezí ~60–125 °C pro apatity a 210–310 °C pro
zirkony.
aplikace
- stanovení časově-teplotního modelu výzdvihu/subsidence sediment. pánví
- stanovení provenience detritického materiálu
Racemizace aminokyselin
Datovací technika využívající změn aminokyselin od jejich vzniku. Všechny
aminokyseliny kromě glycinu (nepolární) jsou díky přítomnosti chirálního uhlíku
opticky aktivní (stáčivé) a mají schopnost stáčet rovinu polarizovaného světla
vlevo (L-) nebo vpravo (D-) a tvoří zrcadlově odlišné páry. Až na výjimky tvoří
živé organismy levotočivé aminokyseliny. Po smrti daného organismu se
aminokyseliny postupně mění na pravotočivé, čemuž se říká racemizace.
Stanovení poměru L- a D- aminokyselin lze proto určit ke stanovení doby,
která proběhla od smrti daného organismu.
Rychlost přeměny je ovlivněná především teplotou, vlhkostí a kyselostí
substrátu, což ovlivňuje jak časový dosah metody, tak i její přesnost. V běžných
podmínkách je dosah až 2 Ma a chyba ~20 %, při záporných teplotách se
časový dosah může prodloužit až na 10 Ma.
Nejčastěji se používá L-isoleucin, kapalinovou chromatografií lze
sériově stanovovat větší množství aminokyselin, které lze použít pro
různá časová rozpětí.
Nejvhodnějším datovatelným materiálem jsou kosti a ulity.
Molekulární (DNA) hodiny
Metoda založená na předpokladu, že míra mutací v mtDNA je za určitý čas
konstantní. Díky tomu je možné stanovit evoluční vzdálenost mezi dvěma
druhy. Mutace mtDNA se projeví odlišnou stavbou aminokyselin. Nejedná se o
absolutní datování, lze tak jen kvantifikovat rozdílné časové úseky evoluční
vzdálenosti mezi dvěma druhy. Kalibraci pomocí nezávislých chronologických
metod je pak nutné odvodit vlastní stáří.
Mitochondriální Eva – tak označujeme ženu, která je v
mateřské linii společným předkem všech dnes žijících lidí.
Její MtDNA se postupným děděním rozšířila na veškerou
lidskou populaci na světě. Žila zhruba před 200 ka někde ve
východní Africe. Nejstarší nalezený Homo sapiens je ~315 ka
starý (nálezy z roku 2017 z Maroka).
Homo denisoviensis (Hominin X) – mtDNA z
prstního článku z vrstvy staré 48–30 ka v Denisově
jeskyni (Altaj) ukázala, že se nejedná o neandrtálce,
ani o moderního člověka. Od linie vedoucí k
modernímu člověku se podle mtDNA Homo
denisoviensis oddělil před ~800 ka a je tak pro nás
vzdálenější, než neandrtálec, jenž se o od
předchůdců moderního člověka oddělil před ~470 ka.
K dalšímu čtení a studiu:
Aitken M.J. (1998): An Introduction to Optical Dating. Oxford University Press.
Bradley R.S. (1999): Paleoclimatology. Reconstructing Climates of the Quaternary.
Second Edition. International Geophysics Series, 64, Academic Press.
Dickin A.P. (2005): Radiogenic Isotope Geology. 2nd ed. Cambridge University Press.
Dunai T.J. (2010): Cosmogenic Nuclides: Principles, Concepts and Applications in the
Earth Surface Sciences. Cambridge University Press.
Gornitz V., Ed. (2009): Encyclopedia of Paleoclimatology and Ancient Environments.
Springer.
Gosse J.C., Phillips F.M. (2001): Terrestrial in situ cosmogenic nuclides: Theory and
application. Quaternary Science Reviews 20, 1475–1560.
Nývltová Fišáková M. (2012): Radiouhlíkové datování. Přehled výzkumů 53, 89–99.
Walker M.J.C. (2005): Quaternary Dating Methods. Wiley & Sons.
That’s all for this term, folks…