Radiometrické datování historie Země a lidstva

V dějinách lidstva jsou dvě období, která výrazně změnila přístup k datování jak historie lidské společnosti, tak historie Země. To první bylo období odpovídající začátku používání písma k záznamu historických událostí. Druhé období kolem poloviny dvacátého století souvisí s objevem radioaktivity a použití radioaktivních prvků k datování.

Datování díky písmu

Písmo se začalo používat na různých územích v různou dobu. Na území Mezopotámie se nejstarší písemné památky datují kolem roku 3 500 př. n. l. Najednou bylo možné zaznamenávat i genealogické údaje a historické události. Seznamy panovníků patří mimochodem k nejstarším záznamům. V řadě případů se podařilo k relativním údajům, třeba rodokmenům panovnických rodů, přiřadit pevné datum. Např. záznam o zatmění Slunce ( 15. 6. 763 př. n. l.) na tabulce nalezené v archivu města Ninive, umožnil datovat údaje v prvním tisíciletí př. n. l. na Blízkém východě. Údaje o východu a západu Venuše nalezené v archivu předposledního krále 1. babylonské dynastie Ammi Saduky umožnily, i když s menší přesností, datovat řadu událostí v druhém tisíciletí př. n. l. Víme tak třeba, že slavný babylonský král Chammurapi vládl v letech 1793- 1750 př. n. l. (O jeho zákoníku jsme psali zde https://www.3pol.cz/cz/rubriky/medicina-a-prirodoveda/1643-chammurapiho-zakonik-o-lekarskem-pravu.)

Datování díky zkamenělinám

Pokud se ale nezachovaly písemné záznamy nebo pokud šlo o datování událostí před vznikem písma, bylo jakékoli určení stáří velmi složité. V roce 1869 známý český zoolog a paleontolog Antonín Frič vydal knihu „O vrstvách kůry zemské a zkamenělých tvorech v nich obsažených“. Antonín Frič ( *1832 - Ⴕ1913) pracoval jako asistent u J. E. Purkyněho (*1787 - Ⴕ1869), byl profesorem na Karlově universitě a zasloužil se mimo jiné o to, že Barrandovy sbírky byly odkázány pražskému Národnímu muzeu. V knize jsou uvedena jednotlivá období vývoje Země i živočichové a rostliny, jejichž zkameněliny se v jednotlivých vrstvách zachovaly, ale není tam uvedeno jediné datum. Možnost datovat geologická období umožnil až objev radioaktivity.

Datování díky radioaktivitě

Princip metody umožňující datování pomocí radioaktivity je poměrně jednoduchý, i když vlastní provedení a interpretace dat už tak jednoduchá být nemusí. Vycházíme z předpokladu, že známe množství N0 radionuklidu obsaženého ve zkoumaném vzorku v okamžiku, v němž chceme stáří určit. Dále předpokládáme, že umíme stanovit aktivitu N radionuklidu v současné době a známe poločas T½ přeměny použitého radionuklidu. Potom platí

a z rovnice můžeme vypočíst stáří vzorku (t). Jako příklad si uvedeme datování pomocí radioaktivního uhlíku ¹⁴C. O této metodě se už v Třípólu psalo zde: https://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-fyzika-a-energetika/590-datovani. Radioaktivní uhlík ¹⁴C vzniká v atmosféře interakcí kosmického záření s atomy ¹⁴N.

14N + n → 14C + p

V atmosféře oxiduje na CO₂, je přijímán rostlinami a potravním řetězcem se dostává do celé biosféry. Po odumření organizmu se přísun ¹⁴C zastaví a ¹⁴C se přeměňuje s poločasem 5570 let opět na ¹⁴N.

¹⁴C → ¹⁴N + e− + ν¯e

Jsme-li schopni stanovit aktivitu ¹⁴C třeba pomocí kapalných scintilátorů nebo stanovit množství atomů ¹⁴C ve vzorku atomovou spektroskopií, můžeme stanovit hodnotu t, stáří vzorku. Touto metodou lze datovat materiály obsahující uhlík, např.: dřevo, rašelinu, uhlíky z ohnišť, ulity měkkýšů, ale i papír, kůži atd. Metoda je vhodná k datování vzorků, které nejsou starší než 8 až 10 poločasů přeměny, tj. do cca 50 000 let nazpět.

Při použití metody předpokládáme, že jsou splněny následující předpoklady:

a) produkce ¹⁴C je v průběhu času konstantní,

b) poměr ¹⁴C/¹²C v biosféře a hydrosféře je v rovnováze s atmosférickým poměrem,

c) od smrti organismu se systém považuje za uzavřený.

Vzhledem k tomu, že při spalování fosilních paliv se do atmosféry dostává množství starého uhlíku a zároveň při testech jaderných zbraní bylo vyprodukováno velké množství ¹⁴C, je nutné vztahovat množství ¹⁴C k hodnotě z předprůmyslové éry. Problém ale je, že produkce ¹⁴C v minulosti nebyla konstantní a byla ovlivňována jednak fluktuacemi činnosti Slunce a jednak změnami magnetického pole Země. Provést korekce na změny produkce ¹⁴C umožňuje dendrochronologie, metoda, která nemá nic společného s radioaktivitou a která je založena na měření tlouštěk letokruhů. O dentrochronologii si řekneme něco v dalším odstavci.

Příklad radiokarbonového datování

Jako příklad použití datování pomocí ¹⁴C je možno uvést datování nástěnných maleb v Chauvetově jeskyni ve Francii. V roce 1994 byla v blízkosti Nimes v jižní Francii objevena jeskyně, ve které se zachovaly nádherné pravěké malby. Na více než 100 kresbách je zachyceno 13 druhů zvířat. Datování pomocí ¹⁴C určilo stáří maleb na 35 až 37 tisíc let. Malby tedy patří k nejstarším na světě. Jsou dvakrát starší než světoznámé malby v Altamiře /2/. Je fascinující, jakých uměleckých projevů byl člověk v období před 37 000 lety schopen.

Vraťme se k dendrochronologii

Dendrochronologie se zabývá zkoumáním letokruhů stromů. Podle počtu letokruhů lze zjistit, jak dlouho strom rostl. Měřením šířek letokruhů dostaneme řadu čísel, která je charakteristická pro daný druh stromů v určité oblasti a která je charakteristická pro daný časový interval. Letokruhy můžeme změřit na přímém řezu, nebo vyvrtáme z kmene váleček několik mm tlustý a změříme tloušťky letokruhů na něm. Číselnou řadu šířek letokruhů potom srovnáme se standardní řadou, která je k dispozici díky práci několika generací dendrochronologů. V současné době nám už provede srovnání počítačový program.

Jižně od Čáslavi je vesnice Klucké Chvalovice, kde byla před několika lety restaurována dřevěná chalupa (obr. 2). Průřez z jednoho krovu vyhodnotili kolegové z Dendrochronologické laboratoře lesnické a dřevařské fakulty ČZÚ. Nejlepší korelace vychází pro rok 1761. (Obr. 3.) Mohl být ale použit trám ze starší chalupy. Před několika lety bylo ve Velimi u Kolína objeveno sídliště z mladší doby kamenné se studnou vyztuženou dubovým dřevem. K určení stáří byla použita chronologická řada letokruhů ze SRN, kde mají k dispozici řady až do 7. tisíciletí př. Kr. Z porovnání vyplynulo, že strom, použitý na stavbu studny ve Velimi, byl pokácen v době vegetačního klidu (říjen – duben) na přelomu roku 5196 – 5195 př. Kr. /3/. To, že dendrochronologická metoda poskytuje takto přesné výsledky, z ní učinilo ideální metodu ke kalibraci datování pomocí radioaktivního uhlíku a umožnilo výrazně zpřesnit měření touto metodou. Pokud byste se chtěli o dendrochronologii dozvědět víc, mohu doporučit knížku J. Kyncla /4/.

Datování starších vzorků

Datování radioaktivním uhlíkem je vhodné pro vzorky mladší než cca 40 000 -50 000 let. K datování geologických vzorků je nutné použít radionuklidy s výrazně delším poločasem přeměny. V přírodě se nachází řada radionuklidů, které jsou pro takovéto datování vhodné. Nejdůležitější uvádí tabulka 1.

 Tabulka 1: Prvky vhodné pro radiometrické datování

Tyto metody jsou vhodné převážně jen k datování vulkanických typů hornin. Z běžných minerálů se používá k datování zirkon ZrSiO₄. Předpokládáme, že materiál je v roztaveném stavu. Při jeho tuhnutí se tvoří krystaly zirkonu, v krystalové mřížce zůstávají izotopy U a Th, ale Zr odpuzuje Pb. To nám umožňuje předpokládat, že veškeré Pb vzniklo přeměnami izotopů U a Th. Pokud je minerál zahřát na určitou teplotu, dojde k odstranění radiogenního Pb. Tato teplota se nazývá uzavírací teplotou. Měla-li láva teplotu vyšší než je uzavírací teplota pro Zr (nad 1000 °C), např. čedič, stačí stanovit množství U, Th a Pb. Při použití této metody předpokládáme, že z měřeného minerálu neuniklo žádné radiogenní Pb. Pokud není tento předpoklad splněn, můžeme použít tzv. isochronní metodu, kde měříme nejen rodičovský a dceřiný izotop, ale i obsah jiného izotopu dceřiného prvku. Dlouhé poločasy přeměny některých používaných izotopů umožňují datovat i horniny a minerály, jejichž stáří je srovnatelné se stářím Země. Tak např. v Austrálii v Jack Hills nalezený krystal zirkonu je 4,4 miliardy let starý /5/. Velmi starých hornin je na Zemi málo - je to výsledek eroze tekoucí vodou a deskovou tektonickou recyklací a deformací. Vyleštěný úlomek skály na obrázku je křemeno-oblázkový metakoglomerát ze slavného křemence Jack Hills v západní Austrálii. Mikroskopická detritická zrna minerálu zirkonu (ZrSiO₄ - křemičitan zirkoničitý) extrahovaného ze vzorků hornin Jack Hills jsou nejstaršími přímo pozorovatelnými pozemskými materiály. Stáří detritických zirkonů z Jack Hills se pohybuje mezi 3,05 a 4,404 miliardami let. To je velmi blízké odhadovanému stáří Země.

Meteority nalezené v kráteru Canyon Diablo v Arizoně (Obr. 4) odpovídají svým složením původnímu složení Sluneční soustavy a jejich stáří je určeno na 4,55 miliardy let.

Pomocí radiometrických metod se určuje stáří jednotlivých etap vývoje Země. Víme-li, že tyranosaurus Sam, jehož kostra byla nedávno vydražena za 31,8 milionů dolarů, žil před 66,4 miliony let, víme to díky radiometrickým datovacím metodám.

Literatura:

/1/ https://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-fyzika-a-energetika/590-datovani

/2/ https://whc.unesco.org/en/list/310/

/3/ Cesty Archeologie 17. 7. 2017, https://www.cestyarcheologie.cz/single-post/dendrochronologie-studna-velim

/4/ J. Kyncl, Letokruhy jako kalendář a záznamník, Grada 2017

/5/ http://www.sci-news.com/geology/science-jack-hills-zircon-oldest-known-fragment-earth-01779.html