Radiometrisk datering – åldersbestämning med radioaktiva isotoper

Lär dig om radiometrisk datering: hur radioaktiva isotoper används för åldersbestämning av stenar, fossiler och artefakter—metoder, exempel och tillförlitlighet.

Radiometrisk datering (ofta kallad radioaktiv datering) är ett sätt att ta reda på hur gammalt något är. Metoden bygger på att man jämför mängden av en naturligt förekommande radioaktiv isotop (”parent”) med mängden av dess sönderfallsprodukter (”dotterprodukter”) i ett eller flera prover. Genom att använda kända sönderfallshastigheter (halveringstider) kan man räkna ut hur lång tid som förflutit sedan provet stängdes av eller bildades. Radiometrisk datering är den mest använda metoden inom geokronologin och är det huvudsakliga sättet att bestämma åldern på stenar och andra geologiska material, inklusive jordens egen ålder.

Vad metoden mäter och hur den fungerar

Principen är enkel i grunden: en radioaktiv isotop sönderfaller med en konstant sannolikhet per tidsenhet. Denna sönderfallshastighet anges oftast som halveringstid — den tid det tar för hälften av ursprungsämnet att ha sönderfallit. Genom att mäta förhållandet mellan parent och dotter i ett prov och veta halveringstiden kan man beräkna provets ålder enligt kända fysikaliska formler.

Vanliga isotoppar och deras användningsområden

• Kol-14 (radiokoldatering) — används för organiskt material upp till ungefär 50 000 år. Radiokoldatering (kol-14) har en halveringstid på cirka 5 730 år och är särskilt viktig inom arkeologi.
• Kalium-40 / Argon-40 — (kalium-argondatering) används för vulkaniska bergarter och kan ge åldrar från hundratusentals år till miljarder år.
• Uran–bly — (uran-bly-datering) är en av de viktigaste metoderna för mycket gamla åldrar (miljarder år), särskilt i mineralet zirkon.
• Argon–argon (40Ar/39Ar) — en vidareutveckling av K–Ar som möjliggör mer exakt mätning och intern standardisering.

Tillämpningar

Radiometrisk datering används i många fält:

• Geologi: bestämning av bergarters och geologiska händelsers ålder och upprättande av stratigrafi.
• Paleontologi: dateringar i samband med Fossiler görs ofta genom datering av stenar ovanför/under fossilhorisonter.
• Arkeologi: Radiokoldatering används för att datera organiska fynd såsom trä, ben och kol; andra metoder daterar byggnadsmaterial och keramik.
• Planetvetenskap: datering av månprover och meteoriter för att bestämma solsystemets ålder.

Metoder och instrument

Mätningar utförs med känsliga instrument som massespektrometrar (t.ex. TIMS, ICP-MS) eller accelerator-massespektrometri (AMS) vid kol-14-analys. Olika tekniker kräver olika provberedning och rena material; zirkonkristaller används ofta för U–Pb-datering eftersom de bevarar sin systematik väl.

Antaganden och begränsningar

Radiometrisk datering bygger på några viktiga antaganden:

• Provets system har varit slutet sedan bildandet (ingen förlust eller tillförsel av parent eller dotter). Detta kallas ofta för ett ”closed system”.
• Sönderfallshastigheten har varit konstant över tid.
• Man vet eller kan hantera mängden initial dotterprodukt vid tidpunkten för bildning.

Fel kan uppstå genom kontamination, om ett prov upphettats eller om mineralsystemet återställts genom metamorfos eller vätskerörelser. För att hantera vissa av dessa problem används metoder som isokronanalys (för att bestämma ursprunglig dotterkomponent) och flera isotopsystem för korsvalidering.

Exempel på specifika felkällor och korrigeringar

• Radiokoldatering: Kräver kalibreringskurvor baserade på dendrokronologi och andra arkiv eftersom atmosfärens 14C-innehåll varierat över tid. Även s.k. reservoireffekter (t.ex. i havsvatten) kan göra att ett prov ser äldre ut än det är.
• K–Ar och Ar–Ar: Kan påverkas om argon har läckt ut ur mineralet; här hjälper argon-argon-metoden till att upptäcka och korrigera vissa problem.
• U–Pb i zirkon: Zirkon har hög slutsystemstemperatur och bevarar ofta ursprunglig information, vilket gör metoden mycket robust för mycket gamla åldrar. Genom att kombinera U–238→Pb–206 och U–235→Pb–207 får man extra kontroll på resultatet.

Hur precisa är åldrarna?

Precisionen varierar med metod, provkvalitet och åldersintervall. För unga prover (några hundra till tusentals år) kan radiokoldatering ge osäkerheter på några tiotal år (beroende på material och analysmetod). För mycket gamla bergarter kan U–Pb-datering i zirkon ge åldrar med osäkerheter på mindre än en procentenhet eller bättre, under gynnsamma omständigheter. Ofta används flera metoder för att validera en ålder.

Sammanfattning

Radiometrisk datering är en grundläggande och välförankrad metod för åldersbestämning i geovetenskaper, arkeologi och relaterade discipliner. Genom att förstå metodens antaganden, välja rätt isotopsystem och noggrant förbereda och analysera prover kan man få tillförlitliga åldersuppskattningar — från några tusen år med Radiokoldatering till miljarder år med metoder som kalium-argondatering och uran-bly-datering. I praktiken kombineras ofta flera metoder och tvärvetenskapliga data för att få så robusta slutsatser som möjligt, till exempel i studier av Fossiler, arkeologiska lämningar och andra naturvetenskapliga forskningsområden som rör jordens och livets historia.

Radioaktivt sönderfall

All vanlig materia består av kombinationer av kemiska grundämnen, vart och ett med sitt eget atomnummer, som anger antalet protoner i atomkärnan. Grundämnen finns i olika isotoper, där varje isotop av ett grundämne skiljer sig åt i antalet neutroner i kärnan. En viss isotop av ett visst grundämne kallas för en nuklid. Vissa nuklider är naturligt instabila. Det vill säga att en atom av en sådan nuklid vid någon tidpunkt spontant kommer att övergå till en annan nuklid genom radioaktivt sönderfall. Nedbrytningen kan ske genom emission av partiklar (vanligtvis elektroner (betasönderfall), positroner eller alfapartiklar) eller genom spontan kärnklyvning och elektroninfångning.

Åldersekvationen

Det matematiska uttrycket som relaterar radioaktivt sönderfall till geologisk tid är:

D = D₀ + N(e^λt - 1)

där

t är urvalets ålder,

D är antalet atomer av dotterisotopen i provet,

D₀ är antalet atomer av dotterisotopen i den ursprungliga sammansättningen,

N är antalet atomer av moderisotopen i provet, och

λ är den ursprungliga isotopens sönderfallskonstant, som är lika med inversen av den ursprungliga isotopens radioaktiva halveringstid gånger den naturliga logaritmen av 2.

Denna ekvation använder information om föräldra- och dotterisotoper vid den tidpunkt då materialet stelnade. Detta är välkänt för de flesta isotopiska system. Genom att plotta en isokrona (rak linjediagram) löser man åldersekvationen grafiskt. Den visar provets ålder och den ursprungliga sammansättningen.

 
Samarium-neodym (Sm/Nd) isokrondiagram för prover från Great Dyke, Zimbabwe. Åldern beräknas från isokronans lutning (linje) och den ursprungliga sammansättningen från isokronans skärningspunkt med y-axeln.  

Frågor och svar

F: Vad är radiometrisk datering?

F: Vilka är några exempel på material som kan dateras med hjälp av radiometrisk datering?

F: Hur fungerar koldioxiddatering?

F: Vilka är några vanliga tekniker som används vid radiometrisk datering?

F: Hur används radiometrisk datering för att fastställa den geologiska tidsskalan?

F: Är det möjligt att använda radiometriska data på levande organismer?

Sök med bokstav