Datarea cu nuclide cosmogene

Cum putem sa intalnim roci? | Utilizarea nuclidelor cosmogene in geologia glaciara | Strategii de esantionare datarea de nuclide cosmogene | Dificultati in intalnirea cu nuclide cosmogene | Calcularea unei varste de expunere | Lectura ulterioara | Referinte | Comentarii |

Cum putem sa intalnim roci?

Datarea cu nuclide cosmogene poate fi utilizata pentru a determina rata de subtiere si recesiune a ghetii, varsta morainelor si varsta suprafetelor de pat erodat glacial.

Datarea cu nuclide cosmogene foloseste interactiunile dintre razele cosmice si nuclidele din bolovanii transportati glacial sau din stratul erodat glacial pentru a oferi estimari de varsta pentru roca de pe suprafata Pamantului. Este un mod excelent de a intalni direct regiunile glaciate. Este deosebit de util in Antarctica [1], din cauza unui numar de factori [2]:

• Lipsa organismelor marine terestre face dificila intalnirea cu radiocarbon;
• Vanturile puternice fac ca ingroparea de zapada sa fie mai putin probabila;
• Inmormantarea si acoperirea de vegetatie este putin probabila.

Datarea cu nuclide cosmogene este eficienta pe perioade scurte pana la perioade lungi (1.000-10.000.000 de ani), in functie de izotopul pe care il intalnesti. Izotopi diferiti sunt folositi pentru lungimi diferite. Aceasta lunga perioada de aplicabilitate este un avantaj suplimentar al datarii cu nuclide cosmogene.

Ce sunt nuclidele cosmogene?

Nuclidele cosmogene sunt nuclide rare care se formeaza in rocile de suprafata din cauza bombardarii de catre razele cosmice cu energie mare [3]. Aceste raze cosmice provin din explozii de supernove cu energie mare in spatiu. Oriunde suntem pe Pamant, cand suntem afara, suntem bombardati in mod constant de aceste raze cosmice.

Cand izotopii particulari din cristalele de roca sunt bombardati de aceste neutroni de raze cosmice energetice, rezulta o reactie de spalare . Reactiile de spatiere sunt cele in care neutronii cu raze cosmice se ciocnesc cu elemente particulare in rocile de suprafata, rezultand o reactie suficient de energica pentru a fragmenta nucleul tinta [3]. Aceste reactii de spalare scad odata cu profunzimea. Luand in considerare numarul acestor izotopi, in mod normal ca raport cu alti izotopi, inseamna ca oamenii de stiinta pot calcula cat timp au fost expuse roci la suprafata Pamantului.

Aceste raze cosmice nu patrund adanc in suprafata pamantului. Acest lucru este important pentru geologii glaciari, deoarece inseamna ca suprafetele care au avut glaciatii repetate cu perioade de expunere repetate la razele cosmice pot fi inca datate, atat timp cat au avut o eroziune glaciara suficienta pentru a elimina orice semnal mostenit.

Folosind nuclide cosmogene in geologia glaciara

Reconstruirea extinderii stratului de gheata din trecut

Geologii glaciari folosesc acest fenomen pentru a obtine formele de teren glaciare, cum ar fi erratici sau bolovani transportati glacial pe morenele [7] sau rocasul erodat glacial. Datarea formelor de teren glaciare ii ajuta pe oamenii de stiinta sa inteleaga intinderea foilor de gheata si ratele de recesiune ale ghetii.

Principiul de baza afirma ca o roca de pe o morena provine de sub ghetar, unde a fost smulguta si apoi transportata subglacial. Cand ajunge la capatul ghetarului, bolovanul va fi depus. Geologii glaciari sunt adesea interesati sa se intinda cu intinderea maxima a ghetarilor sau a ratelor de recesiune, si astfel vor cauta bolovani depozitati pe moraine.

Odata expus atmosferei, bolovanul va incepe sa acumuleze nuclide cosmogene. Presupunand ca bolovanul ramane intr-o pozitie stabila si nu se rostogoleste sau nu se misca dupa depunere, acest bolov va oferi o estimare excelenta pentru varsta de expunere pentru moraina. Prin urmare, varsta de expunere ofera o estimare a duratei de timp in care o suprafata de roca a fost expusa la suprafata Pamantului.

Rata de subtiere a ghetii

Pe langa faptul ca folosim datarea de nuclide cosmogene pentru a depista extinderea trecuta a straturilor de gheata si viteza cu care acestea s-au redus inapoi, il putem folosi pentru a stabili grosimile foilor de gheata si ratele de subtiere [5, 6]. Esantionarea si datarea bolovanilor intr-un transect de pe un munte vor stabili rapid cat de groasa era gheata ta si cat de rapid s-a subtiat in timpul deglaciarii.

Multi munti au declinuri asupra lor si sunt netezite si erodate sub linia de decolorare si sunt mai rezistenti cu mai multe dovezi de perlaciatie deasupra liniei. Prin urmare, trimlines pot fi de asemenea folosite pentru a reconstrui grosimea foilor de gheata din trecut. Cu toate acestea, acest lucru poate fi dificil, deoarece limitele termice in interiorul stratului de gheata pot insemna ca este mai eroziv mai jos decat mai sus si ca gheata rece, neerooziva de pe varfurile muntilor, poate lasa in tact peisaje mai vechi. Datarea cu nuclide cosmogene poate fi, de asemenea, utilizata in acest context pentru a intelege grosimea foilor de gheata si modificarile regimului termic subglacial.

Strategii de esantionare datarea de nuclide cosmogene

Strategia de esantionare este cel mai important factor in generarea unei varste de expunere fiabile. Cativa factori pot afecta datarea de nuclide cosmogene: tipul de roca, atenuarea razelor cosmice, ecranarea topografica, miscarea post-depunere si ingroparea si acoperirea de zapada, vegetatie sau pamant.

Alegerea tipului corect de roca

Geologii trebuie sa se asigure ca aleg o roca corespunzatoare. Bolii de granit si gresie sunt frecvent folositi in datarea de nuclide cosmogene, deoarece au cantitati mari de cuart, ceea ce produce beriliu-10, o nuclida cosmogena ideala pentru datarea fluctuatiilor glaciare de-a lungul perioadei cuaternare.

Beriliu-10 (10Be) nu apare in mod natural in cuart si, odata ce se formeaza in urma spalarii, acesta este prins de reteaua de cristal obisnuita a cuartului. Pentru ca o roca sa fie potrivita pentru datarea cu nuclide cosmogene, cuartul trebuie sa apara in roca in cantitati suficiente si in fractia de marime suficienta. O regula generala este ca ar trebui sa poti vedea cristalele de cuart cu ochiul liber.

Atenuarea razelor cosmice

Deoarece razele cosmice se atenueaza cu adancimea prin roca, oamenii de stiinta sunt interesati doar de colectarea centimetrelor superioare ale suprafetei unei roci. Probele de roca pot fi colectate cu un ciocan si cu dalta sau cu un ferastrau. Acest lucru poate dura foarte mult!

Pozitie stabila

Una dintre cele mai mari erori in datarea de nuclide cosmogene provine dintr-o strategie slaba de esantionare. Deoarece razele cosmice patrund doar in cativa centimetri superiori ai unei roci, miscarea unei coborari a bolovanului poate duce la erori mari la varsta calculata. Inainte de prelevarea unei roci, geologii trebuie sa efectueze masuratori detaliate si minutioase ale suprafetei terestre si sa se asigure ca roca este intr-o pozitie stabila, nu s-a rostogolit, a alunecat in jos, nu a fost ingropata si exhumata in mod repetat in timpul ciclismului de roca periglaciara in stratul activ (frecvent o problema cu bolovani mici) si nu a fost acoperita cu cantitati mari de sol, zapada sau vegetatie.

Semne de transport subglacial

Geologii trebuie sa fie, de asemenea, siguri ca roca a suferit o eroziune glaciara suficienta pentru a indeparta orice roca care ar fi putut fi expusa anterior la suprafata Pamantului si, astfel, au acumulat nuclide cosmogene. Ei doresc sa probeze o stanca despre care sunt siguri ca a suferit un transport subglacial. Prin urmare, vor preleva bolovani care sunt subconiati, fatetati, suportati striatii sau vor arata alte semne ale transportului subglacial.

Contabilitatea ratelor de productie variabile

Ratele de productie de nuclide cosmogene variaza in functie de latitudine si de crestere. Acesti factori trebuie masurati de catre omul de stiinta si sunt contabilizati in calculul varstei de expunere.

Blindarea topografica, de exemplu de catre un munte mare din apropiere, afecteaza, de asemenea, rata de productie a nuclidelor cosmogene. Acest lucru se datoreaza faptului ca razele cosmice, care bombardeaza Pamantul intr-un ritm mai mult sau mai putin egal din toate sectoarele cerului, vor fi reduse daca vederea asupra cerului este protejata – de exemplu, de un munte mare pe care razele nu le pot patrunde. Prin urmare, oamenii de stiinta trebuie sa masoare cu atentie linia orizontului pentru 360 de grade in jurul bolovanului lor.

Dificultati in intalnirea cu nuclide cosmogene

Asa cum am mentionat mai sus, strategia de esantionare este cel mai important factor in generarea unei varste de nuclide cosmogene fiabile. Procesele post-depozitare, cum ar fi rularea, ingroparea, exhumarea sau acoperirea cu vegetatie pot duce la intreruperea acumularii de nuclide cosmogene si la o varsta mai tanara decat se astepta.

Alternativ, daca bolovanul nu a suferit o eroziune suficienta pentru a indeparta nuclomele cosmogene acumulate anterior, va avea o varsta mai veche decat se astepta. Aceasta se numeste mostenire . Aceasta poate fi o problema particulara in Antarctica, unde gheata pe baza de frig ar putea acoperi in mod repetat un bolovan, prevenind acumularea de nuclide cosmogene, fara a eroda sau chiar a muta roca. Prin urmare, rocile pot fi lasate intr-o pozitie stabila sau usor deplasate, fara a avea o eroziune suficienta pentru a indeparta nuclomele cosmogene dintr-o expunere anterioara. Acest lucru poate duce la un istoric de expunere complex. Aceasta se caracterizeaza de obicei prin raspandirea varstelor de expunere pe o singura forma de teren. Prin urmare, datarea unui singur bolovan dintr-o morena poate fi, prin urmare, o metoda nesigura pe care sa te bazezi. Oamenii de stiinta pot, de asemenea, sa analizeze expunerea complexa prin utilizarea a doi izotopi diferiti, cum ar fi aluminiu si beriliu (26Al si 10Be).

Calcularea unei varste de expunere

Productia de nuclide cosmogene

Concentratia cosmogenica de nuclid intr-o roca este proportionala cu durata in care a fost expusa pe suprafata pamantului [3]. Rata de productie a nuclidelor cosmogene variaza spatial, dar in general se presupune ca a ramas constanta intr-o anumita locatie. Ratele de productie publicate sunt disponibile pentru diferite parti ale Pamantului.

Geologii glaciari vizeaza elemente care apar doar in minerale in roci, cum ar fi cuartul, prin bombardarea cu raze cosmice, cum ar fi aluminiu si beriliu (26Al si 10Be). Beriliu-10 este utilizat cel mai larg, deoarece are cea mai buna rata de productie determinata si poate fi masurat la concentratii mici [3]. Clorul (36Cl) poate fi utilizat si pentru datarea varstei de expunere a lavelor de bazalt [4].

Extractia de cuart

Prima etapa in calculul varstei de expunere a nuclidelor cosmogene este extragerea cuartului dintr-o roca. Acesta este un proces destul de implicat si inseamna utilizarea unor substante chimice destul de periculoase, cum ar fi HF (Hydrogen Flouride). HF este un acid cu un pH de aproximativ 3, dar molecula mica este usor absorbita de pielea ta. Odata absorbit, reactioneaza puternic cu calciul din oase, formand Flori de calciu care poate fi apoi depus in arterele tale. In total, nu o substanta pe care vrei sa o pui pe piele! Prin urmare, oamenii de stiinta trebuie sa ia masuri de precautie puternica inainte de a utiliza acest produs chimic.

Prima etapa este de a zdrobi roca (sau fragmentele de roca) intr-un concasor de maxilar. Concasorul trebuie sa fie perfect curat pentru a evita contaminarea. Stanca zdrobita este apoi cernuta la dimensiunea potrivita. Separarea magnetica indeparteaza particulele cu mult fier (cum ar fi micas), lasandu-va (daca ati prelevat granit, de exemplu) cu o proba de 100 g de nisip, care cuprinde mai ales feldspat si cuart.

Pregatirea pentru masurarea AMS

Feldspatul este indepartat prin plasarea probei in acid hexafloursilicic sau HF pe o masa de agitare timp de aproximativ 2 saptamani. Acizii sunt schimbati zilnic. Cuartul mai durabil este lasat in urma. 10Be atmosferica, care contamineaza esantionul, este indepartata dizolvand treimea exterioara a rocii in 16% HF. Dupa testarea puritatii, cuartul ramas este dizolvat in 40% HF (acum este timpul pentru manusile groase de cauciuc!). O serie de precipitatii chimice va lasa cu Beriliu Oxid (BeO), o pulbere alba. Este amestecat cu Niobium (NB) si presat intr-un catod de cupru. Acesta este acum gata de a fi analizat de Spectrometrul de masa accelerator (AMS).

Calcularea varstei de expunere

Odata calculat raportul dintre izotopii cosmogeni si cei naturali, rata de productie este utilizata pentru a calcula o varsta de expunere. Aceasta variaza in functie de altitudine si latitudine. De asemenea, se iau in considerare ecranarea si protectia topografica de zapada, vegetatie sau sol. Exista o serie de calculatoare online care pot fi utilizate pentru a calcula varsta expunerii.

Citirea ulterioara

Videoclipul de mai jos, produs de Science Bulletins, Centrul National pentru Stiinta Bibliotecii, ilustreaza frumos si pur si simplu conceptele de baza din datarea expunerii cosmogene.

Vezi si:

• Raze cosmice
• Cuantificarea subtirii stratului de gheata folosind varste de nuclide cosmogene