Esihistoriallisen ajan iänmääritykset

Radiometrisillä ajoitusmenetelmillä mitataan vuosimiljoonien pituisia aikoja, mutta miten luotettavia saadut tulokset ovat?

Tässä ja kahdessa seuraavassa artikkelissa tarkastellaan ja arvioidaan erilaisia radiometrisiä ajoitusmenetelmiä, joilla geologit mittaavat kivilajien ja ammoin eläneiden eliöitten ikämääriä. Artikkelit on laatinut ydinfyysikko, jolla on monivuotinen kokemus alan tehtävissä sekä tutkimustyössä että teollisuuden palveluksessa.

”Sinkhole on antoisa arkeologinen löytö. Kymmenentuhatta vuotta vanhat jäännökset osoittavat tutkijoitten mielestä, että Floridassa on jääkaudella elänyt ihmisiä.”

”Osakan lähistöltä on kaivettu esiin Japanin vanhin kivikautinen asumus. Arkeologit ovat mitanneet asumuksen iäksi noin 22000 vuotta.”

”Noin miljoona vuotta sitten Coronan itäosan läpi (Kaliforniassa) virtasi joki, jonka rannoilla eleli esimerkiksi sellaisia esihistoriallisia eläimiä kuin mastodontteja, kameleja, hevosia ja villikaniineja.”

TÄLLAISET väitteet ovat tyypillisiä arkeologeille ja paleontologeille heidän kertoessaan nykyään löydöistään. Eniten ihmisiä kiinnostaa uudessa löydössä tietenkin sen ikä. Sitä kysyttäessä tutkijat ovat aina valmiita antamaan toimittajille jonkinlaisen vastauksen riippumatta siitä, perustuuko se todisteisiin vai pelkkiin arvailuihin.

Eikö tällaisia uutisia lukiessa tulekin joskus mieleen kysymys: mistä he sen tietävät? Miten varmaa on, että ihmisiä eli Floridassa 10000 vuotta sitten ja Japanissa 22000 vuotta sitten tai että Kaliforniassa eli miljoona vuotta sitten mastodontteja ja kameleja?

Muinaisjäännösten iänmääritykseen on käytettävissä erilaisia menetelmiä. Eräät niistä ovat luotettavampia kuin toiset, mutta mikään niistä ei yllä sellaiseen ajoitustarkkuuteen mihin päästään historiallisen todistusaineiston avulla. Kirjoitettu historia ulottuu kuitenkin korkeintaan vain 6000 vuoden päähän. Kaikki tätä kauemmaksi menevät aikamäärät ovat pelkästään mittausteknisesti saatuja.

Radiometriset ajoitusmenetelmät

Erilaisista ajoitusmenetelmistä ovat radiometriset menetelmät luotettavimpia. Ne perustuvat radioaktiivisten hajoamisprosessien nopeuteen. Äärimmäisetkään ulkoiset vaikutukset eivät todistettavasti muuta radioaktiivisten hajoamisprosessien nopeutta, mitä taas ei voida sanoa muista ajoitusmenetelmistä, joissa turvaudutaan vanhentumisprosesseihin, jotka esimerkiksi ympäristön lämpötilanmuutosten vuoksi voivat olla nopeampia tai hitaampia.

Uraani-lyijy-menetelmä

Radiometrisiä ajoitusmenetelmiä voidaan havainnollistaa ensimmäiseksi käyttöön otetulla menetelmällä, joka perustuu uraanin hajoamiseen lyijyksi. Radioaktiivinen hajoaminen noudattaa tarkasti erästä tilastollisen todennäköisyyden lakia. Tietyn ajan kuluessa hajonneen uraanin määrä ja jäljellä olevan uraanin määrä ovat aina keskenään verrannollisia. Tämän perusteella voidaan piirtää käyrä, jollainen on sivun 19 kaaviossa. Siitä näkee, kuinka paljon tietyn ajan kuluttua on jäljellä hajoamatonta uraania. Sitä aikaa, jonka kuluessa uraanista puolet on hajonnut, sanotaan uraanin puoliintumisajaksi. Jäljelle jääneestä puoliskosta hajoaa puolet seuraavan puoliintumisajan kuluessa, jolloin alkuperäisestä uraanimäärästä on jäljellä enää neljäsosa. Kolmen puoliintumisajan jälkeen jäljellä on kahdeksasosa alkuperäisestä määrästä ja niin edelleen. Uraanin puoliintumisaika on 4,5 miljardia vuotta.

Uraanin muuttuessa lyijyksi lyijyä syntyy koko ajan lisää. Katkoviivalla piirretystä käyrästä ilmenee, kuinka paljon lyijyä on tietyn ajan kuluessa syntynyt. Lyijykäyrä kulkee uraanikäyrän suhteen vastakkaisesti, joten lyijy- ja uraaniatomien yhteismäärä pysyy koko ajan samana.

Olettakaamme, että kivenkappale, joka sisältää uraania muttei yhtään lyijyä, pannaan niin tiiviiseen pakettiin, että kiveen ei pääse mitään eikä siitä myöskään pääse mitään pois. Joskus myöhemmin paketti avataan ja kivestä mitataan sen uraani- ja lyijypitoisuus. Siitä voidaan tietää, kuinka kauan kivi on ollut paketissa. Jos kivessä on esimerkiksi nyt saman verran lyijyä ja uraania, tiedetään, että aikaa on kulunut puoliintumisajan verran eli 4,5 miljardia vuotta. Jos taas kivessä alun perin olleesta uraanista olisi hajonnut vain sadasosa lyijyksi, käyrästä johdetun yhtälön avulla voidaan laskea, että aikaa olisi ehtinyt kulua 65 miljoonaa vuotta.

Tähdennettäköön vielä sitä, ettei ole tarpeen tietää, paljonko kivenkappaleessa on ollut pakettiin pantaessa uraania, sillä tietyn ajan kuluttua tarvitsee vain mitata, paljonko kivessä on lyijyä suhteessa uraaniin, mikä on hyvä asia, sillä tällaisen kokeen alkaessa paikalla ei tietenkään olisi ollut ketään tekemässä mittauksia.

Joku voi nyt ajatella, että tässä puhutaan todella valtavista ajanjaksoista, miljoonista ja miljardeista vuosista. Mitä hyötyä on näin hitaasti tikittävästä ”kellosta”? Se kertoo meille esimerkiksi sen, että maapallo itsessään on useita miljardeja vuosia vanha ja että siellä täällä on kivilajeja, jotka ovat olleet olemassa melkoisen osan tästä pitkästä ajasta. Geologien mielestä tällaisesta ”kellosta” on siis ollut paljonkin hyötyä heidän tutkiessaan maapallon historiaa.

Miten luotettava tämä menetelmä on?

On myönnettävä, ettei iänmääritys ole aivan niin yksinkertaista kuin millaiseksi se on tässä kuvattu. Esimerkiksi lähtökohtana oli se, että kivenkappaleessa ei aluksi saanut olla lyijyä. Näin ei yleensä ole, sillä useimmiten siinä on jo alusta pitäen jonkin verran lyijyä. Tällöin kivi on valmiiksi ”vanha” – ei siis nolla vuotta vanha. Toinen olettamus oli, että tiiviin paketoinnin ansiosta kiven sisältämä uraanimäärä ei ollut päässyt kasvamaan eikä pienenemään. Joskus voi olla näin mutta ei suinkaan aina. Pitkien ajanjaksojen kuluessa lyijystä ja uraanista voi osa suodattua pohjaveteen. Tai voi käydä niin, että kiveen on tullut lisää uraania ja lyijyä, varsinkin jos se on kerrostunutta kivilajia. Tästä syystä uraani-lyijy-menetelmä sopii parhaiten vulkaanisten eli tuliperäisten kivilajien iänmääritykseen.

On muitakin häiriötekijöitä. Kivinäyte voi sisältää myös torium-nimistä radioaktiivista alkuainetta, joka sekin muuttuu hitaasti lyijyksi. Lisäksi uraani sisältää myös toisenlaista isotooppia – kemiallisesti samanlaista mutta massaluvultaan erilaista atomilajia. Tämä isotooppi hajoaa eri nopeudella muuttuen myös lyijyksi. Kummankin lopputuotteena on erilainen lyijyisotooppi, joten kemiallisen analyysin lisäksi joudutaan suorittamaan erikoisvälinein vielä fysikaalinen analyysi massaluvultaan erilaisten lyijyisotooppien erottamiseksi toisistaan.

Näihin ongelmiin ei tässä syvennytä tämän enempää, mutta on silti selvää, että uraani-lyijy-menetelmää käyttävillä geologeilla on edessään monia salahautoja, jotka heidän pitäisi väistää voidakseen päätyä kohtalaisen luotettavaan mittaustulokseen. Heidän mielestään on hyvä asia, että he voivat varmistaa iänmäärityksiä toisenlaisten radiometristen menetelmien avulla. Usein voidaan sama kivenkappale tutkia vielä kahdella muulla menetelmällä.

Kalium-argon-menetelmä

Eniten on käytetty kalium-argon-menetelmää. Kalium on yleisempi alkuaine kuin uraani – kaliumkloridia myydään esimerkiksi ruokasuolan korvikkeena. Se sisältää etupäässä kahta isotooppia, joiden massaluvut ovat 39 ja 41 (kalium-39 ja -41). Kolmas isotooppi, jonka massaluku on 40 (kalium-40), on heikosti radioaktiivinen. Yksi kaliumin hajoamistuotteista on argon-niminen jalokaasu, jota on ilmassa noin yksi prosentti sen tilavuudesta. Kalium-40:n puoliintumisaika on 1,4 miljardia vuotta. Näin se soveltuu kymmenistä miljoonista miljardeihin vuosiin ulottuvien ikämäärien mittaamiseen.

Toisin kuin uraania kaliumia on runsaasti maan kuoressa. Sitä on tavallisimpien kivilajien, sekä vulkaanisten että kerroskivilajien, monissa mineraaleissa. Edellytykset kalium-argon-menetelmän käytölle ovat samat kuin käytettäessä uraani-lyijy-menetelmää: tutkittava mineraali ei ole saanut sisältää kaliumin lisäksi argonia silloin kun mineraali syntyi eli kun hajoaminen alkoi. Lisäksi mineraalin on täytynyt olla koko ajan sillä tavoin suojattuna, ettei siihen ole päässyt kaliumia eikä argonia eikä kumpaakaan ole päässyt siitä pois.

Miten kalium-argon-menetelmä toimii käytännössä? Toisinaan oikein hyvin ja toisinaan taas huonosti. Joskus sillä saadut ajoitustulokset eroavat suuresti uraani-lyijy-menetelmällä saaduista arvoista. Useimmiten ikämäärät ovat pienempiä, minkä katsotaan johtuvan argonin karkaamisesta. Toisilla kivilajeilla molemmilla menetelmillä saadut tulokset ovat kuitenkin hyvin yhtäpitäviä.

Kalium-argon-menetelmä niitti mainetta, kun sillä tehtiin iänmääritys eräälle Apollo 15 -astronauttien kuusta tuomalle kivenpalaselle. Kivestä lohkaistusta sirusta tutkijat mittasivat kaliumin ja argonin ja määrittelivät kiven iäksi 3,3 miljardia vuotta.

Rubidium-strontium-menetelmä

Kolmas radiometrinen mittausmenetelmä on edellisiä paljon uudempi. Se perustuu rubidiumin hajoamiseen strontiumiksi. Rubidium hajoaa käsittämättömän hitaasti. Sen puoliintumisaika on 50 miljardia vuotta. Siitä on siis hajonnut strontiumiksi erittäin vähän vanhimmissakin kivilajeissa. Huipputarkat mittaukset ovat välttämättömiä lisänä olevan strontium-87:n erottamiseksi alkuperäisestä strontiumista. Kivessä voi olla sata kertaa enemmän strontiumia kuin rubidiumia, ja miljardissakin vuodessa rubidiumista on ehtinyt hajota vasta runsas prosentti. Tällaisista ongelmista huolimatta joissakin tapauksissa on onnistuttu mittaamaan näytteiden sisältämä hajoamisessa syntynyt häviävän pieni strontiummäärä. Tämän menetelmän arvo on siinä, että sillä voidaan tarkistaa muilla menetelmillä saatuja ajoituksia.

Mielenkiintoinen esimerkki tämän menetelmän käytöstä: Sillä tutkittiin meteoriittia, jonka tähtitieteilijät olettavat vastaavan koostumukseltaan niitä kivilajeja, joiden kasaantumisesta planeettojen katsotaan erään teorian mukaan syntyneen – siis olevan samaa ainetta, josta aurinkokunta on alun perin syntynyt. Mittausten antama ikä, 4,6 miljardia vuotta, oli yhtäpitävä tämän käsityksen kanssa.

Rubidium-strontium-menetelmä saavutti menestystä määriteltäessä edellä mainitun kuukiven ikää. Sillä tutkittiin viittä kiven sisältämää mineraalia, ja ne kaikki antoivat iäksi 3,3 miljardia vuotta, mihin oli päädytty myös kalium-argon-menetelmällä.a

Joissakin tapauksissa ovat näillä kolmella menetelmällä saadut mittaustulokset hyvinkin lähellä toisiaan, joten voidaan luottaa siihen, että iänmääritykset ovat tällaisissa tapauksissa mitä todennäköisimmin oikeita. Tulee kuitenkin huomata, että tällaiset tapaukset osoittavat, millainen yhdenmukaisuus on mahdollista ihanteellisissa olosuhteissa. Ja useimmiten edellytykset eivät ole ihanteellisia. Voitaisiin esittää paljon enemmän esimerkkejä tapauksista, joissa mittaustulokset eivät ole käyneet yksiin.

Paleontologit koettavat ajoittaa fossiileja

Paleontologit ovat koettaneet jäljitellä geologien menestystä näiden ajoittaessa kivilajeja, jotka ovat vasta muutaman miljoonan vuoden ikäisiä. He uskovat eräitten fossiilien iän mahtuvan tälle aika-asteikolle. Valitettavasti kalium-argon-menetelmä ei sovellu hyvin fossiilien ajoittamiseen, sillä niitä ei ole vulkaanisissa kivilajeissa, vaan ainoastaan kerroskivilajeissa. Viimeksi mainituista radiometriset ajoitusmenetelmät eivät yleensä anna luotettavia mittausarvoja.

Havainnollisen esimerkin tarjoavat fossiilit, jotka ovat hautautuneet syvälle tulivuoren tuhkaan, joka myöhemmin on kivettynyt tuffiksi. Kyseessä on itse asiassa kerrostunut kivilaji, joka kuitenkin on koostumukseltaan ilmassa jähmettynyttä vulkaanista ainesta. Jos se pystytään ajoittamaan, samalla selviäisi myös sen sisältämien fossiilien ikä.

Tällainen oli tilanne Tansanian Olduvai-rotkossa. Sieltä löydetyt apinamaisten eläinten fossiilit herättivät nimittäin huomiota sen takia, että niiden löytäjät väittivät niitä yhdeksi lenkiksi ihmiseen johtaneessa kehitysketjussa. Mittaukset tehtiin luonnollisesti siitä vulkaanisesta tuffista, josta fossiilit oli löydetty. Ensimmäiset argon-mittaukset antoivat tulokseksi 1,75 miljoonaa vuotta. Myöhemmin eräässä toisessa pätevässä laboratoriossa tehdyt mittaukset antoivat tulokseksi puoli miljoonaa vuotta pienempiä lukemia. Suurin pettymys evoluution kannattajille oli kuitenkin se, että ylä- ja alapuoliset tuffikerrokset antoivat epäyhtenäisiä mittausarvoja. Joskus sisälsi ylempi kerros enemmän argonia kuin sen alla ollut kerros. Tällainen on tietenkin geologian näkökulmasta täysin epäjohdonmukaista – ylemmän kerroksen on täytynyt syntyä myöhemmin kuin alla oleva kerros, joten ylemmän kerroksen pitäisi sisältää myös vähemmän argonia.

Johtopäätökseksi tuli, että ”jäljelle jäänyt argon” oli tärvellyt mittaustulokset. Aiemmin syntynyt argon ei ollut kokonaan karannut sulaneesta kiviaineesta. ”Kellon” osoittimet eivät olleet siirtyneet nolla-asentoon. Mikäli kiviaineeseen oli jäänyt jäljelle vaikka vain kymmenesosa prosenttia kaliumista syntyneestä argonista, kun kiviaines suli tulivuoressa, ”kello” olisi silloin heti alkajaisiksi näyttänyt lähes miljoonan vuoden suuruisia lukemia. Eräs asiantuntija onkin sanonut sattuvasti: ”Joidenkin iänmääritysten täytyy olla vääriä, ja jos jotkin niistä on vääriä, ovat ne kenties kaikki vääriä.”

Huolimatta siitä, että asiantuntijat voivat pitää tällaisia iänmäärityksiä täysin arvottomina, alkuperäinen Olduvain fossiileille määritetty ikä, 1,75 miljoonaa vuotta, esiintyy yhä tunnetuissa evoluutiota puoltavissa aikakauslehdissä. Ne eivät kiinnitä maallikoiden huomiota siihen, että tällaiset iänmääritykset ovat täysin arvailujen varassa.

[Alaviitteet]

[Huomioteksti s. 18]

Uraani-lyijy-menetelmää käyttävillä geologeilla on edessään monia salahautoja, jotka heidän pitäisi väistää

[Huomioteksti s. 20]

Ne eivät kiinnitä huomiota siihen, että tällaiset iänmääritykset ovat täysin arvailujen varassa

[Kaavio s. 19]

(Ks. painettu julkaisu)

Uraanimäärän väheneminen on suoraan verrannollinen lyijymäärän kasvuun

100 %

50 %

25 %

12,5 %

Puoliintumisajat 1 2 3

lyijy (argon)

uraani (kalium)

[Kaavio s. 18]

(Ks. painettu julkaisu)

Uraani

Lyijy

Kuinka paljon tämä kivi on alun perin sisältänyt uraania (tai lyijyä)?

Kuinka paljon kiveen on myöhemmin päässyt uraania (tai lyijyä)?

Miten suuri osa lyijystä on peräisin toriumin hajoamisesta?