Dateringsteknik – Absolut datering

Absoluta dateringstekniker

Absolut datering handlar om att få fram en konkret ålder på ett föremål. Med absolut menas inte exakt, utan att den tillskillnad från den relativa görs direkt på objektet i fråga och ger en ålder som inte står i relativitet till något.

Det finns i flera sorters absoluta dateringar, alla baserade på olika principer och med olika tillämpning. Den vanligaste är radiometrisk datering och kan besvara följande frågor: Hur vet man hur gammal Jorden är? Hur gammalt ett berg är? När en vulkan hade sitt senaste utbrott? Hur gammal en sten är?

Absoluta dateringstekniker används här för att säkerställa exakta åldrar på dessa frågor. Vissa saker går även att ge relativa dateringar på, om man har ett referensmaterial (fossil, stratigrafi). Alla sorters stenar eller mineral går heller inte att datera, men väldigt många eftersom det idag finns många sorters sätt. Det innebär att det kan finnas enskilda stenar som inte går att datera av kemiska skäl eller för att de är allt för vittrade, men det finns inga hela berg som inte går att provtaga på någonstans. Men först innan radiometrisk datering skall vi titta på den äldsta absoluta dateringstekniken som finns, nämligen dendrokronologi.

Dendrokronologi

Används för att ge exakta årtal på material byggda av träd eller för att helt enkelt bara datera en trädstam som hittats och bevarats med trädringarna intakta. Det gäller således bjälkar och liknande i huskonstruktioner. Här jämför trädringarna med andra trädringar och kan på sätt datera föremål av träd utifrån hur bra kartlagt material man har i den lokala miljön. Man har alltså trädringskartor som oftast täcker in många tusen år där man använt trädstammar där man har kunnat identifera överlappningar. Alltså: en ek växer vid en sjö, efter 300 år växer en annan ek upp vid samma sjö. Den första eken dör efter ytterligare 100 år och den yngre eken dör efter ytterligare 300 år. De har då levt överlappande en viss tid, och därmed delat trädringstillväxtens utseende för det klimatet som rådde under dessa år. Och på den vägen kan man sen fortsätta och fortsätta så länge man hittar överlappande trädringar. Jag vill minnas att rekordet är 40 000 års säkerställd kontinuitet kring trädringar, gjort i Alaska.

Trädringar avspeglar det lokala klimatet, således är trädringar från Alaska ointressanta i de flesta fall för studier av trädringar från Skåne och skåningar måste hålla sig till trädringstabeller för det lokala klimatet. Men alla arkeologiska forskningslabb med integritet har sina dendrokronologiska analyser för det lokala området så det är inget problem.

Dendrokronologi har en svaghet då den kan bara ge en maxålder, eftersom trädet som använts kan ha sågats ner åtskilliga år innan det används i ett hus, eller vara återvunnet. Men det ger oss en maxålder på objektet i fråga. Ett hus med en bärande balk av en trädstam som fälldes 1346 är således inte äldre än 1346, men kan vara några år yngre. Av rent snickeritekniska skäl är det dock sällan speciellt sannolikt att man använder gamla trädstammar, utan färskt virke är givetvis det normala. Metoden används även av paleoklimatologer för att åldersbestämma trädstammar i gamla mossar och liknande. Metoden är en av de mest säkra och mest exakta som finns för att precisera absoluta åldrar och begränsas endast av det begränsade tidspannet som det lokala materialet har.

Radiometrisk datering – Kol 14-metoden

Det absolut vanligaste sättet att datera objekt på idag med absoluta metoder, även trädstammar är dock radiometrisk datering, dvs mätningen av det existerande förhållandet mellan antalet atomer av ett instabilt ämne och det ämne som det sönderfaller till. Det kan enklast förklaras med att när radioaktiva ämnen bildas, antingen i innanmätet på stjärnor, i magmor eller pga solstrålning som träffar objekt i atmosfären (C14-bildning tex) så sätter de omedelbart efter bildning igång och sönderfaller till ett stabilare ämne (en modersisotop blir en dotterisotop). Mer om hur radioaktivitet fungerar kan ni t ex läsa här.

För att förstå radiometrisk datering handlar det att förstå hur isotoper finns i naturliga proportioner mellan mor och dotterisotoper och att det är proportionen mellan dessa man mäter. För kol i kol14-metoden gäller t ex att kol finns i tre naturliga isotoper (alltså varianter av samma grundämne) Kol 12 (ca 99%), Kol 13 (ca 1%) och så då Kol 14 (spår, 1 PPT). Just Kol-14 bildas när solstrålning träffar kväve i atmosfären, eller rättare sagt när solstrålning omvandlat till neutroner i atmosfären träffar kolatomer så bildas Kol 14.

1n + 14N → 14C + 1p

Det här kolet absorberas sen precis som övriga två sorters isotoper av kol i växter under deras fotosyntes. Det innebär att så länge växten lever, så står proportionen av Kol 14 i direkt proportion till atmosfären. Men eftersom Kol-14 är instabilt så faller det sönder till det stabila Kväve 14 enligt följande reaktion så fort livsformen dör och inte längre tar upp Kol 14 från atmosfären.

Kol 14 har en halveringstid på 5,730±40 år. Det innebär att efter 5730 år har antalet Kol 14-atomer halverats. Och efter ytterligare 5730 år har i sin tur det antalet halverats. Och så här fortsätter halveringen så länge det finns Kol 14 atomer kvar tills de ta helt slut. Den är i teorin beroende på flertalet faktorer men det blir inte längre mätbart efter ca 60 000 år.

Kol 14 används alltså för att datera organiskt material inom ett tidspann från nu och 60 000 år tillbaka i tiden.

Missförstånd kring Kol 14

Kreationister hävdar ibland att metoden används för att datera Jorden. Det är alltså inte sant, om man bortser från det faktum att ett tidspann på 60 000 år ger en minimiålder på 60 000 år för Jorden vilket gör att kreationister som tror att Jorden endast är ca 6 000 år gammal får problem med den förklaringen.

Kreationister kritiserar också metoden för vara opålitlig, detta baserat på påståendet att vetenskapen inte tar hänsyn till att solstrålningen (alltså det som skapar Kol 14 i atmosfären) har varierat år från år eller andra faktorer som att skiftningar i klimat kan påverka Kol-reservoiren i atmosfären. Det är givetvis inte alls sant att forskningen inte skulle ta hänsyn till detta. Det var något forskningen ganska omgående insåg och började utveckla metoder som kunde kompensera för detta.

Kalibreringen av Kol 14 var därför ett vetenskapligt måste som redan under 1950talet, alltså bara några år efter upptäckten av metoden började tillämpas. Kalibrering sker genom att man jämför Kol 14-data med annan absolut mätdata. Det innebär att den jämförs med dendrokronologi (som är extremt exakt, men har kort tidspann) då trädstammar kan dateras med bägge metoder. Men även avlagringar i borrkärnor med både varv och med förekomster av andra radioaktiva lager likt asklager från vulkanutbrott används. man har även kalibrerat den mot speleoterm (droppstensavlagringar som sker cykliskt) och koraller som kapslar in både organiskt material och ickeorganiskt med andra radioaktiva isotoper i sin skelettstruktur. På så vis är Kol-14metodens grundläggande svaghet inte bara känd, den är hanterad av vetenskapen. Utförliga kurvor över hur Kol-14-kurvan skall kalibreras finns på alla världens universitet och Kol-14-laboratorium idag och man har säkerställt en kalibrerad kurva till ca 50 0000 år fKr. Och det är inom det tidspann man använder metoden. Även om den kan tillämpas ytterligare fler årtusenden tillbaka rent teoretiskt.

Kontamination är ett annat argument som åberopas för Kol 14-metodens otillräcklighet. Också här är vetenskapen medveten om problemet. Mikroorganismer som trängt in i materialet och som hamnar i provresultatet kan i teorin påverka mätningen. Således mäter man på flera olika ställen samtidigt. Kontaminationen kan förvisso fortfarande ske, och t om i alla prover man tar, men genom att man får fram flera resultat som visar samma ålder (låt oss säga att 19 av 20 mätningar visar samma ålder) så är det inget problem eftersom 20 kontaminationer av 20 mätningar rent statistiskt sett omöjligt skulle kunna få samma resultat – utan då skulle resultatet spreta över hela tidsspektrat. Kol 14-kurvan påverkas också av 1900talets kärnvapensprängningar (då sådana också kan skapa Kol 14-isotoper). Även detta är tagit i beaktande när man kalibrerar.

Det är också en källkritisk faktor som gör att Kol 14-metoder ofta är säkrare på äldre prover än på yngre. För ju yngre material, desto mindre urskiljbar upplösning att arbeta med och desto mer kontamination från mänsklig aktivitet finns i atmosfären. Kol-14 är alltså utmärkt att mäta något som skedde för 10 000 år sen, men inte så bra för att mäta något som skedde för 100 år sen. Men som sagt. Den har en osäkerhet på decennier till århundraden, vilket gör den värdelös till att datera exakta personliga föremål som tillhört kändisar i historien, men utmärkt för att placera in objekt i tidsåldrar (Är denna ekstam som vi hittade i mossen från medeltiden då det växte ekar naturligt här, eller yngre och importerad hit av människor?)

Intressant att notera är att kreationister gärna använder sig av kol 14-metoden för att datera saker när det passar dem. T ex har de som påstått sig hitta Noas Ark på berget Ararat hävdat att de har daterat trädbitar från vad de påstår vara bitar av skeppet till att passa in utmärkt med det bibliska tidspannet enligt ungkreationisterna. När det passar med förutbestämda åsikter så funkar tydligen metoden utmärkt. Men inte när man daterar föremål utanför tidspannet som deras religiösa ideologi tillåter. Verkligheten skall alltså anpassas till boken.

Uran-Bly, Kalium-Argon och liknande radiometriska metoder.

Ur geologens synvinkel är det dateringen av radioaktiva isotoper som bildas i magmor som är det riktigt intressanta. För med dessa kan vi datera berg och stenar runt om oss och även själva Jordens ålder.

Geologi vore en rätt så spekulativ vetenskap om den inte kunde datera stenarna som den arbetar med och det stora flertalet av dess förklaringsmodeller kring vår planet skulle sluta fungera utan närvaron av datering som kan säkerställa kronologin bakom händelser.

Hur funkar metoderna med uran och bly tex?

Precis som med Kol-14-metoden. En moderisotop faller sönder till en dotterisotop och man tittar på förhållandet (i förhållande även till ration på andra isotoper med i samma prov, det är alltså förhållandet mellan fyra, inte bara två, men mer om isokroner längre fram). I fallet med U-Pb-metoden gäller alltså följande:

238U till 206Pb och 235U till 207Pb

Grundskillnaden här är att metoderna analyserar system som är mycket mer garanterat slutna än Kol-14-system och kan hantera icke-organiskt material över mycket längre tidspann. Teoretiskt sett

Det radioaktiva förfallet vet vi är konstant genom tid och rum. När det kommer till vissa ämnen kan den radioaktiva klockan förvisso nollställas av att mineralerna smälts (eller når en viss temperatur), ett viktigt instrument för geologer som jobbar med metamorfos, för att just kunna datera när metamorfosen av bergarten skedde i förhållande till när bergarten först bildades.

Ett slutet system och sk ”closure temperature”.

Nåja, helt slutna system finns väl inte, men ett starkt mineral som Zirkon är väldigt nära det i sin hela kristallina form. Klockan kan inte påverkas på fler sätt än just att nollställas. Den kan inte påverkas “lite grann” utan det är vid uppsmältning och kristallation som det hela kan inledas. Argongas bildas tex inte förrän du har kaliumkristaller, inte heller bly i Zirkon för Uran-Bly-metoden. Man måste förstå att det är frågan om väldigt slutna system (inte totalt, men så nära man kan komma i naturliga sammanhang) Det hela definieras av något som kallas “closure temperature” och definieras på följande sätt av wikipedia:

In radiometric dating, closure temperature or blocking temperature refers to the temperature of a system, such as a mineral, at the time given by its radiometric date. In physical terms, the closure temperature is the temperature at which a system has cooled so that there is no longer any significant diffusion of the daughter isotopes out of the system and into the external environment. […] As the mineral cools, the crystal structure begins to form and diffusion of isotopes slows. At a certain temperature, the crystal structure has formed sufficiently to prevent diffusion of isotopes. This temperature is what is known as blocking temperature and represents the temperature below which the mineral is a closed system to measurable diffusion of isotopes.

Vad innebär detta då exakt och varför är det viktigt att förstå? Jo det handlar om kompabilitet. När magman är smält så kommer material som inte är kompatibla med de kristaller som bildas stötas bort i kristallbildningen. Tex är bly inte kompatibelt med mineralet Zirkon så när Zirkoner bildas kan inte bly inkluderas i Zirkonernas kristallstruktur. Detta är petrologins kärna kan man säga – förstå hur kompabilitet och liknande kemiska fenomen funkar. Det som gör att mineral byggs upp och hur.

När kristallstrukturerna har stelnat kan inte isotoper längre lämna systemet och det innebär att de isotoper man finner där alltså måste ha bildats där och efter stelnandet. Systemet är stängt så länge det inte utsätts för extrema kemiska reaktioner, höga tryck eller hög värme (allt möjligt för geologen att se ha skett på mineralet!). Och här är grejerna med absolut datering som gör det säkert för kontamination. När vi vet att en dotterisotop (tex bly) inte kan bildas i mineralet i den smälta magman så måste den bildas efteråt om det senare återfinns i mineralet.

Och det enda sättet den kan bildas efteråt i ett slutet system som en mineral kristall är genom radioaktivt sönderfall. I fallet med Uran-Bly är det alltså Uran (238Usom sönderfaller till Bly (206Pb). Så beskriver wikipedia processen:

Uranium-lead dating is often performed on the mineral zircon (ZrSiO4), though it can be used on other materials, such as baddeleyite.[19] Zircon and baddeleyite incorporate uranium atoms into their crystalline structure as substitutes for zirconium, but strongly reject lead. It has a very high closure temperature, is resistant to mechanical weathering and is very chemically inert.

Åhnej, okända startnivåer!

Här protesterar då kreationister ganska unisont mot att detta skulle fungera, eftersom de hävdar att vi inte kan vara säkra på mängderna av dotteristopen bly från början. Sk ”startnivåer” och man hänvisar till att bly visst kan inkorporeras i zirkoner i en smälta enligt forskning (men undlåter att nämna de extrema omständigheterna som det sker under, som på inga vägar alls är naturligt vanliga). Alltså att det skulle ha funnits massor av bly (dvs dotterisotopen) i mineralet från början som påverkar resultatet. Protesten vilar i sin enkla form på okunskap om kristallation och kompabilitet, och de mer komplexa formerna av kreationism på att man anser att extrema labbmiljöer är representativa. Att man kan se skillnad på zirkoner och zirkoner och att grundantagandet att bly inte skall finnas i kristallstrukturen fortfarande gäller struntar man i.

Visst är det så att det kan finnas dotterisotoper kring mineralerna, som gör sk whole rock-dating meningslös i en del sammanhang, men det är alltså extremt ovanligt att det skulle återfinnas inne i kristallerna från början och de metoder vi känner till kräver extrem kemisk påverkan som går att urskilja från vanliga zirkonbildande miljöer. Därtill daterar inte geokronologer mineral som vittrat och påverkats kemiskt utifrån – utan all datering sker alltid på opåverade kristaller.  Men för att minimera riskerna för en feldatering så man alltid gör många dateringar och utifrån dessa en concordiakurva som inte hade kunnat fungera om det fanns kontamination.

With uranium-lead dating, closure of the system may be tested with a concordia diagram. This takes advantage of the fact that there are two isotopes of uranium (238U and 235U) that decay to different isotopes of lead (206Pb and 207Pb, respectively). If the system has remained closed, then a plot of 206Pb / 238U versus 207Pb / 235U will fall on a known line called the concordia. Even if samples are discordant, reliable dates can often be derived (Faure 1998, 287-290).

Isokronlösningen på startnivåer

För att undvika problemet med okända startnivåer av dotterisotoper används isokronmätning som totalt eliminerar ev kontamination och startnivåproblem, och den fungerar på följande sätt och är den gällande metoden idag:

The advantage of isochron dating as compared to simple radiometric dating techniques is that no assumptions are needed about the initial amount of the daughter nuclide in the radioactive decay sequence. Indeed the initial amount of the daughter product can be determined using isochron dating. This technique can be applied if the daughter element has at least one stable isotope other than the daughter isotope into which the parent nuclide decays.

All forms of isochron dating assume that the source of the rock or rocks contained unknown amounts of both radiogenic and non-radiogenic isotopes of the daughter element, along with some amount of the parent nuclide. Thus, at the moment of crystallization, the ratio of the concentration of the radiogenic isotope of the daughter element to that of the non-radiogenic isotope is some value independent of the concentration of the parent. As time goes on, some amount of the parent decays into the radiogenic isotope of the daughter, increasing the ratio of the concentration of the radiogenic isotope to that of the daughter. The greater the initial concentration of the parent, the greater the concentration of the radiogenic daughter isotope will be at some particular time. Thus, the ratio of the daughter to non-radiogenic isotope will become larger with time, while the ratio of parent to daughter will become smaller. For rocks that start out with a small concentration of the parent, the daughter/non-radiogenic ratio will not change quickly as compared to rocks starting with a large concentration of the parent.

Talk origins (länk här) förklarar mer om isokroner och varför den gör kreationisternas kritik meningslös.

Game set match som man brukar säga. Det finns fler sorters kritik än orimlig kritik mot startnivåer och kontamination. En annan favorit är att fysiken kanske inte betett sig likadant genom alla tider. Problemet med sådan kreationistisk kritik är för det första att den är totalt grundlös i bevis. Det finns heller ingen vetenskapligt hållbar anledning att anta att fysiken skulle bete sig annorlunda för 6000 år sen än nu i form av accelererat radioaktivt förfall.

Det finns inga som helst belägg för att 4.5 miljarder år kan accellereras till att ha hunnit ske inom det ungjordiska tidspannet på 6000 år. Tvärtom blir vissa saker med en accelererad fysik kring sönderfall väldigt komiskt. För om man speedar på radioaktivt förfall så måste man även speeda på värmeprocessen – dvs den oundvikliga biprodukt som vi får av radioaktivt sönderfall som står i direkt paritet med hur fort fissionen (eller för den delen fusionen) sker. Helt plötsligt skall alltså Jorden, när Adam fluktade på Eva, ha varit ett glödande extremt radioaktivt klot.

Här är en underhållande matematisk analys (länk) av påståendet att man kan komprimera processer kring sönderfall så som kreationister tror. Det kan man alltså inte. Här är ett kreationistiskt försök att besvara värmeproblemet (länk). Det går som synes inte alls, utan refererar istället till bibelverser istället inbakat med åsikter om termodynamik. Vetenskapliga svar på hur sk ”accelererad förfall” skulle funka har man alltså inte. Bara åsikten och en benhård tilltro på att gud löser allt?

Slutsatser

För att verkligen förstå absoluta dateringsmetoder rekommenderas givetvis en grundlig utbildning i fältet.  Dvs doktorera inom geokronologi eller relevant fysik.

Idag jobbar tusentals sådana välutbildade människor världen över i radiometriska labb. Varenda universitet har någon form av sådant labb och flera till finns i andra sammanhang. Det har gjorts miljontals dateringar på 100 000-tals platser världen över sedan man började med radiometriska dateringar (då exkluderat alla enorma mängder Kol-14-dateringar som gjorts åt arkeologin).

Det är inte många synliga hällar som inte har fått smaka på en hammare eller en borr för provtagning. Det intressanta i kråksången här är att kreationister får det att låta som om vi hade en handfull opålitliga dateringar, som man kan kritisera för att visa fel. Vi har som sagt miljontals dateringar. Det är lätt att på basis av bristande antal mätningar kritisera, men desto svårare när mätningarna är så många som de faktiskt är. Därför nämner kreationister öht inte hur stort och omfattande dateringarna är.

Skulle miljontals dateringar alla kunna visa fel? Javisst. Kan däremot miljontals dateringar gjorda med tjoget olika sorters radiometrisk dateringsteknik isåfall kunna ge samma värden? Nej det är inte statistiskt sett så nära omöjligt som något alls kan vara omöjligt. Det kan inte nog understrykas hur viktigt det är att förstå statistik i sammanhanget. Det är omöjligt för flertalet oberoende felaktiga metoder att alla få samma resultat gång på gång om felet i metoden beror på okända nivåer eller kontamination. Du skulle få värden inom allt som isotoperna kan mäta innan allt sönderfall är över. 2.2 septiljoner år för isotopen tellurium tex. Det får man inte.

När man daterar berggrunden i Sverige i ett område med samma sorts granit, så kommer värdena hamna inom samma tidspann (plus-minus någon promille). Graniten i området bildades nämligen samtidigt. Om man då hittar en spricka i graniten, där magma trängt upp genom och stelnat till en diabas tex, så är den alltid yngre enligt alla dateringar. Som geolog behöver man inte datera det – enkel logik säger att material som tränger igenom ett annat alltid är yngre. Om dateringsmetoderna inte funkade, så skulle man åtminstone någongång stöta på en sprickbergart som bildats innan bergarten som sprack bildades.

Det har man alltså inte gjort. Därför att dateringsmetoder baserade på radiometri och isokroner funkar.

De har även jämförts med relativa dateringar. Man har länge misstänkt att stratigrafiska lager som påminner om varandra världen över kan ha deponerats samtidigt. Dvs ett kalkstenslager ovanpå ett skifferlager som sen kanske följs av en röd sandsten – dvs en markant lagerföljd helt enkelt.

Sen 1600talet har man funderat i de banorna om samma lagerföljd på olika platser betydde samma ålder. I takt med att paleontologin sedan ofta kunde bekräfta unika förekomster av fossil eller mikrofossil, eller tex asklager från stora vulkaner eller nedslag (så som K/T-gränsen) så har man ytterligare kunnat med stor säkerhet säga att vissa berglager troligen var lika gamla. När de radiometriska dateringarna sen då kom, och kunde bekräfta att åldern mycket riktigt var den samma på liknande lager på olika platser på världen så blev det ju en bekräftelse på två saker: Dels att de relativa metoderna faktiskt inte är så dåliga alls, dels att den absoluta stämmer med antagandet man redan hade. Visst finns det exempel på stratan som inte hängde samman, men det är svårt att hitta sådana exempel eftersom bägge grundmetoder är så bra som de är.

Styrkan i dateringsmetodernas pålitlighet ligger i att flertalet oberoende metoder ger samma resultat och att saker som skulle göra mätningarna värdelösa eller opålitliga syns direkt. När kreationister beklagar sig över enskilda metoder glömmer de ofta bort vad korrelation mellan helt oberoende metoder faktiskt säger oss om resultatet. En mätmetod kan alltid vid ett enskilt tillfälle ge felresultat, även om det är ovanligt. Därför gör man alltid flera mätningar. Och med flera mätningar minskar riskerna. Lägg därtill när man med flera mätningar med oberoende metoder eliminerar riskerna totalt så finns det således inget existerande problem med mätningarna. Jag har till dags datum aldrig sett en enda kreationist kunnat förklara hur flera oberoende metoder kan få fram samma resultat och hur det skulle kunna förklaras av annat än att resultateten är korrekta.

Mer läsning

Jag rekommenderar läsningen under för mer detaljer och fler metoder. Fryn inte åt internetlänkar som dåliga, allra minst wikipedia. Alla nedan innehåller vidare referenser till vetenskaplig reflitt eller direkta vetenskapliga forskningsartiklar och inget i dem strider mot vad studenter på mastersnivå i geologi lär sig om geokronologi. Men för den kräsne bokfantasten bifogas även litteraturexempel varav Winters bok, om än väldigt krävande och förutsätter kunskaper i geologi, förklarar allt bra.

One thought on “Dateringsteknik – Absolut datering

  1. Ping: Kreationister och dateringsmetoder | Asebeia

Kommentera

Vänligen logga in med någon av dessa metoder för att lägga till din kommentar:

WordPress.com Logo

Du kommenterar med ditt WordPress.com-konto. Logga ut / Ändra )

Twitter-bild

Du kommenterar med ditt Twitter-konto. Logga ut / Ändra )

Facebook-foto

Du kommenterar med ditt Facebook-konto. Logga ut / Ändra )

Google+ photo

Du kommenterar med ditt Google+-konto. Logga ut / Ändra )

Ansluter till %s