Historii Ziemi i kształtujących ją procesów nie sposób opisać bez odniesienia do osi czasu. Przez lata badacze tworzyli stratygrafię zajmując się ustalaniem wieku i przyczyn rozmieszczenia skał w skorupie ziemskiej uwzględniając pozycję warstw skał i obecności skamieniałości przewodnich. Do tej pory biostratygrafia pozostaje niezawodną metodą na określenie wieku w wielu skałach osadowych. W przypadku skał magmowych i metamorficznych jest potrzeba zastosowania datowania radiometrycznego, które liczbowo podaje wiek wydarzeń geologicznych.
Jedną z bardziej uniwersalnych technik badania wieku geologicznego staje się metoda uranowo-ołowiowa wykorzystująca mikroanalitykę izotopową i mikrosondę jonową. Skuteczność tej metody nie byłaby możliwa bez niezawodnego chronometru izotopowego jakim jest – cyrkon.
Krzemian cyrkonu to minerał wszechobecny w skałach klastycznych i magmowych, gdzie może krystalizować się jako jeden z pierwszych. Jest twardy, odporny na zniszczenie. Jednocześnie jest też wrażliwy na zmianę otoczenia. Pozwala monitorować dzieje skały macierzystej.
Cyrkon stał się swoistym kodem paskowym skały w której wzrastał, a mikrosonda jonowa czytnikiem izotopowym. Proces odczytu wieku izotopowego zaczyna się od etapu izolacji ze skały ziaren cyrkonu, które są dość rzadkie i niezwykle małe, ale występują w większości skał magmowych, metamorficznych i osadowych. Próbki skał są kruszone i mielone na drobny piasek. Następnie minerały są oddzielane na podstawie ciężaru właściwego wielkości ziarna i właściwości magnetycznych aż uzyska się koncentrat kryształów cyrkonu.
Wybrane z konkretnej skały cyrkony są za pomocą cienkiej igły ręcznie przyklejane na taśmie. Ich wielkość często nie przekracza 100 mikronów długości i 20-30 mikronów szerokości. Do badań używa się większej ilości ziaren, by wynik był bardziej dokładny i pełny. Wybrane ziarna zostaną potem zatopione w żywicy epoksydowej. Tak powstały preparat po utwardzeniu musi być wypolerowany, aby uzyskać przekrój każdego ziarna i dostęp do wszystkich jego stref.
Wgląd w historię wzrostu cyrkonu jest możliwy dzięki obrazom kotodoluminescencyjnym, wzbudzanym na mikroskopie elektronowym. Naszym oczom ukazują się strefy przyrostowe ziarna. Jeżeli są regularne – świadczą o spokojnej magmowej krystalizacji i prostej przeszłości geologicznej. Często jednak historia wzrostu jest bardziej skomplikowana. Pojawiają się zaburzenia koncentrycznego rysunku, odziedziczone fragmenty kryształów z innych skał lub stopów, co oznacza że skala, a wraz z nią cyrkon, formowany był wieloetapowo. Dzięki mikrosondzie mamy wgląd w etapy ewolucji skały. W tym momencie obserwacji można wstępnie typować strefy poszczególnych ziaren cyrkonu, których wiek powinien być sprawdzony.
Najważniejszy etap badania wieku odbywa się w warunkach wysokiej próżni i wysokiego napięcia, w mikrosondzie jonowej SHRIMP, czyli w spektrometrze mas jonów wtórnych o dużej geometrii. Badany preparat musi przewodzić prąd elektryczny. W tym celu zostaje pokryty cienką warstwą, czystego złota i trafia do komory mikrosondy jonowej w pozycji pod kątem 45 ° do źródła jonów pierwotnych, które będą bombardować preparat. Analizy wieku prowadzone są w mikroskali. Penetrują powierzchnię elipsy 20 x 23 mikronów do głębokości 4 – 5 mikronów. Takie wymiary ma wiązka pierwotna, zogniskowana w konkretnie wybranej strefie kryształu cyrkonu.
Bombardowanie wiązki wybija z cyrkonu jony wtórne, które są wyodrębniane, przyspieszane pod napięciem 10 tysięcy Voltów, transmitowane, filtrowane i skupiane zgodnie z ich energią kinetyczną przez sektor elektrostatyczny o promieniu ponad jednego metra i kącie 90 °.
Elektromagnes, także o dużym promieniu (1000 mm) ogniskuje jony zgodnie z ich stosunkiem masy do ładunku. Na tak długiej i zakrzywionej drodze jony uranu i ołowiu są dobrze rozdzielone pod względem mas a następnie precyzyjne zliczane są w detektorze.
W trakcie analizy wieku mierzy się kolejno dziewięć różnych mas występujących w cyrkonie, w tym masy izotopów uranu, radiogenicznego ołowiu i toru. Pomiar powtarzany jest co najmniej 5-cio krotnie dla jednego punktu, stąd cała analiza trwa ponad 15 minut. Na podstawie pomierzonych mas i właściwych stosunków par izotopów potomnych i pierwotnych, można wyliczyć więcej niż jeden wiek izotopowy, co daje dodatkową weryfikację wyniku i pewny wiek konkordii.
Na podstawie pomierzonych mas i właściwych stosunków par izotopów potomnych i pierwotnych, można wyliczyć więcej niż jeden wiek izotopowy, co daje dodatkową weryfikację wyniku i pewny wiek konkordii.
O dużym potencjale mikrosondy jonowej SHRIMP decyduje jej czułość na naturalny brak jednorodności w obrębie pojedynczego kryształu cyrkonu, co pozwala odczytać poszczególne etapy wzrostu, liczbowo przypisać im wiek a potem odnieść do procesów i wydarzeń geologicznych. Jednocześnie wysoka rozdzielczość umożliwia analizowanie kilku stref wiekowych w jednym ziarnie o złożonej historii wzrostu, datując cyrkony bardzo młode w skali 1 miliona lat oraz te najstarsze na Ziemi. W rękach geologów Państwowego Instytutu Geologicznego – Państwowego Instytutu Badawczego, jest efektywnym narzędziem pozyskującym coraz to nowe i precyzyjne informacje z historii Ziemi.
Autor: Science Media
