datering (geologi)

Varvkronologi er å telle årslag i en avsetning og finne alderen på hvert enkelt lag og når avsetningen startet. Det er mest på bunnen av innsjøer at det avsettes tydelige årslag som kan telles, men det er kjent fra flere marine avsetninger og snø og is i breer har ofte tydelige årslag.

Varvkronologi er den første metoden for absolutt aldersbestemmelse som ble oppfunnet. Det var den svenske geologen Gerard De Geer som på slutten av 1800-tallet oppdaget at det var tydelige årslag i innsjøsedimenter som var avsatt nær fronten av innlandsisen. Sommerlagene besto av silt og sand avsatt da breen smeltet om sommeren, mens vinterlagene besto av fin leire som hadde holdt seg svevende i vannet helt til høsten og vinteren. Varv er svensk og betyr en runde – jorda gjør et varv rundt sola på et år. De Geer innførte derfor termen varv for et lag avsatt på ett år og det er blitt en internasjonal betegnelse på årslag.

De Geers varvkronologi var en av de første metodene som viste at siste istid sluttet for bare ca. 10 000 år siden, men det var først da C-14 datering ble introdusert på 1950-tallet at geologene kunne datere dette med sikkerhet.

Varv er senere funnet i forskjellige typer innsjøer, og det er talt opp til 40 000 varv i en innsjø. Det er også funnet varv i marine sedimenter enkelte steder. I perioder der det har skjedd hurtige endringer i klima eller andre miljøforhold er det svært nyttig å kunne datere endringer så presist som et år. I borkjerner gjennom snø- og islagene på innlandsisen på Grønland har forskerne kunnet telle årslag nesten 40 000 år tilbake i tid, noe som har fått stor betydning for å beskrive og forstå naturlige klimaendringer.

C-14-datering (eller radiokarbondatering) er den viktigste metoden for å datere organisk materiale som er yngre enn ca. 50 000 år, både innen geologi og arkeologi.

Metoden bygger på at den radioaktive ¹⁴C produseres i atmosfæren ved kosmisk stråling, forbinder seg med oksygen og danner CO₂ som så inngår i plantemateriale gjennom fotosyntesen. Så spiser dyr planter, og hverandre, slik at alle levende vesener har samme ¹⁴C-innhold som atmosfæren. Når en organisme dør starter en radioaktiv nedbrytning av ¹⁴C med en halveringstid på 5730 år. Ved å bestemme innholdet av ¹⁴C kan derved alderen på fossilet bestemmes.

Hvis atmosfæren hadde konstant ¹⁴C-innhold over tid, ville C-alderen være det samme som alder i kalenderår. Fordi ¹⁴C-innhold endrer seg, er for eksempel 10 000 ¹⁴C-år ca. 11 500 kalenderår.

• Les mer i artikkelen C-14 datering.

²¹⁰Pb-metoden kan datere avsetninger som er yngre enn ca. 150 år og brukes mye ved studier av forurensingshistorie og klimahistorie.

Metoden er basert på at radongass (²²²Rn) slipper ut i atmosfæren. Den har så kort halveringstid som 3,8 dager og spaltes derfor raskt til andre nuklider. Disse har ikke gassform så de faller ned på bakken eller vannflater hvor de spaltes videre. Her vil blyisotopen (²¹⁰Pb) konsentreres fordi den har lengst halveringstid. Den vil også avsettes på bunnen av hav og innsjøer, og dekkes over av nye lag. ²¹⁰Pb er en radioaktiv nuklide som vil være forsvunnet etter ca. 200 år. Ved å måle hvor mye innholdet ²¹⁰Pb minker nedover i sedimentlagene, kan en bestemme alderen på de aller yngste lagene.

• Les mer om Uranserie-datering.

Thorium-uran-metoden kan, svært presist, bestemme alder på dryppstein, koraller og andre fossiler som er 0 til 500 000 år gamle. Det er den viktigste metoden for å bestemme alderen på de siste istidene og andre geologisk sett unge klima- og geologiske hendelser.

Metoden (formelt ²³⁰Th/²³⁴U-metoden), er basert på at thorium er uløselig. Når bergarter forvitrer blir derfor thorium liggende igjen, mens uran løses i vann og transporteres bort med rennende vann på overflaten eller med grunnvann. Dette løste uranet tas opp av organismer og det felles ut i mineraler som for eksempel i dryppstein. Poenget er at dette er ren uran, uten at noe thorium er tilstede. Etterhvert som tiden går vil det radioaktive uranet brytes ned til thorium inntil likevekt er nådd etter ca. 500 000 år. Ved å måle forholdet mellom nydannet thorium og resterende uran, kan en bestemme alderen på fossilet eller avsetningen.

Ved bruk av massespektrometri kan 100 000 år gamle fossiler dateres med en usikkerhet på mindre enn 500 år.

• Les mer om Uranserie-datering.

Ved luminescence datering måles mengden av elektroner som sitter i små skadepunkter, kalt feller, i krystallgitteret til mineraler. Oftest brukes mineralene kvarts og feltspat til datering. Med denne metoden finner en når sand- eller leirkorn sist var utsatt for sollys, altså når det ble avsatt. Metoden kan brukes for de siste ca. 200 000 år, og den kan derfor datere eldre materiale enn C-14 metoden. Det er også en fordel at metoden ikke krever organisk materiale.

Kvarts og feltspat, og flere andre mineraler, har små feil i krystallgitteret som opprinnelig er dannet ved kosmisk stråling eller radioaktiv stråling fra andre mineraler. Disse fellene blir tømt når sandkornet blir varmet opp eller utsettes for sollys. En kan si at da starter den geologiske klokken. Når sandkornet blir begravd vil radioaktiv stråling fra nærliggende mineraler, for feltspat også intern stråling, «skyte» elektroner inn i fellene. Før sandkornet er dypt begravd vil også kosmisk stråling bidra. Jo lenger et sandkorn er begravd, jo flere elektroner blir fanget i fellene.

Prøver må tas i lystette rør, ellers vil signalet nullstilles. Laboratoriearbeidet er tidkrevende og komplisert, men prinsippet er enkelt. Først måler man hvor stor strålingsdose prøven mottar per år. Så finner man hvor stor strålingsdose den har mottatt totalt. Alderen blir da = totaldose/årlig dose.

Den totale dosen finner en enten ved å varme opp prøven eller ved å utsette den for lys med bestemte bølgelengder. Ved oppvarming kalles metoden for termoluminescens (TL) datering, i det andre for optisk stimulert luminescence (OSL) datering. I begge tilfeller sendes elektronene ut av sine feller og gir da et lysglimt, derav navnet på metoden. Lysmengden måles og kan omregnes til total dose sandkornet har mottatt siden det ble begravet.

I geologi brukes nå bare optisk stimulert luminescence (OSL) fordi de elektronfellene en da bruker blir raskere nullstilt ved lys enn de en måler med TL.

I arkeologi benyttes termoluminescens-datering for å bestemme når for eksempel et potteskår, en teglstein eller en bålplass sist var oppvarmet.

Aminosyredatering anvender en kjemisk reaksjon i aminosyremolekyler som starter etter at en organisme dør. Metoden er mye brukt på marine skjell og foraminiferer, men er også brukt på tenner, egg, bein og andre materialer. Metoden kan brukes på funn med alder fra 0 til over 1 million år.

Aminosyrer er byggesteinene i proteiner og de opptrer i to former som er speilvendt om ett eller to karbonatomer. Disse formene kalles L (for levo, venstre) og D (for dextro, høyre) fordi de dreier polarisert lys motsatt vei. I levende organismer er det nesten bare L former og D/L forholdet vil da være nær 0. Etter at en organisme dør blir det med tiden mer og mer av D formen slik at D/L øker inntil det oppstår en likevekt, som for de fleste aminosyrer er ved D/L = 1,0. D/L verdien er derfor et mål på alderen. Racemisering kalles denne omdannelsesprosessen.

I de organismer der aminosyrer benyttes til datering er det ca. ti forskjellige aminosyrer som utgjør mesteparten av proteinet. Hastigheten til racemiseringen varierer for de forskjellige aminosyrene og hvordan disse inngår i proteinet. De som har sakte racemisering kan brukes lengst tilbake i tid. Tidligere brukte en særlig omdannelsen av L-isoleucin til D-alloisoleucin. Denne har sakte racemisering og kan brukes til for å datere 1 million år bakover i tid. Aminosyrer med raskere racemisering, for eksempel asparagin og glutamin gir mer presis datering for yngre fossiler.

Hvor hurtig racemiseringen går er også avhengig av temperaturen der fossilet er begravd, det vil gå mye raskere i et skjell i Sør-Norge enn på Svalbard. For å få absolutte aldre må en derfor klarlegge racemiserings-hastigheten for forskjellige temperaturer og ha en god forståelse av hvilke temperaturer prøven har blitt utsatt for. For å unngå usikkerhet sammenlignes prøven man vil datere med prøver hvor alderen er kjent, som man kan anta at har blitt eksponert for samme temperaturhistorie.

I Norge, på den norske kontinentalsokkel og på Svalbard er metoden mye benyttet på marine skjell og foraminiferer som er eldre enn rekkevidden for C-14-datering (ca. 50 000 år).

Tefrakronologi benytter kjente vulkanske askelag til å datere avsetninger. Tefrakronologi er egentlig en korrelasjonsmetode, ettersom alle lag som inneholder et bestemt askelag er like gamle. Men hvis askelaget et sted er datert med en annen metode, for eksemplel C-14-metoden, så kan det benyttes til å datere alle andre funnsteder.

I Norge er den 12 050 år gamle Vedde-asken mest kjent. Den stammer fra det mest eksplosive utbruddet på Island de siste 15 000 år.

Uran-blymetoden har den fordel at man kan bruke begge isotopene på én gang, og dermed få en kontroll på resultatet. På den annen side foregår nedbrytingen over mange mellomledd. Noen av mellomleddene er i gassform og kan derfor lekke bort. Dette skyldes ofte at den indre oppbygningen av de uranrike mineraler kan bli ødelagt av den kraftige strålingen. Metoden brukes derfor nå mest på mineraler med lavt uraninnhold.

Metoden baserer seg på at uran (²³⁸U, nukleontall 238), som utgjør 99,28 prosent av naturlig uran, går over til det stabile bly (²⁰⁶Pb, nukleontall 206). Halveringstiden er her 4,51 milliarder år. Isotopen ²³⁵U som nå utgjør 0,71 prosent av naturlig uran, går over til ²⁰⁷Pb, og halveringstiden er her 713 millioner år.

Professor Ellen Gleditsch brukte i 1911 denne metoden til den første absolutte aldersbestemmelse av et norsk mineral, uraninitt (bekblende) fra Moss. Selv om metoden var meget primitiv, var resultatet forbausende riktig, ca. 850 millioner år. En variant av uran-blymetoden bygger på den lange tiden det tar før det blir likevekt mellom alle de forskjellige spaltningsproduktene i serien. Ved å måle hvor mye «for mye» det er av de tidlige spaltningsproduktene i forhold til de senere, kan man angi aldere fra ca. 50 000 år til 500 000 år.

• Les mer om Uranserie-datering.

Kalium-argonmetoden er basert på at en kalium-isotop, \(\ce{^40_19K}\) (kalium med nukleontall 40 og protontall 19), som utgjør 0,012 prosent av det naturlige kalium, går over til \(\ce{^40_18Ar}\) (argon med nukleontall 40 og protontall 18) med en halveringstid på 1,28 milliarder år. Fordelen ved denne metoden er at kalium forekommer i de fleste bergarter, så det er lett å få dateringsmateriale. Det er imidlertid en mangel at argon er en gass som damper vekk hvis bergarten blir varmet opp til mer enn 300 °C. Metoden brukes til aldere over 500 000 år.

Rubidium-strontiummetoden bygger på at rubidium \(\ce{^87_37Rb}\) (med nukleontall 87 og protontall 37) går over til strontium \(\ce{^87_38Sr}\) (med nukleontall 87 og protontall 38) med en halveringstid på 47 milliarder år. Denne metoden er mindre utsatt for feilkilder enn de andre, men fordi det er lite rubidium i de fleste mineraler, og fordi halveringstiden er så lang, kan den bare brukes til prøver som er mer enn 10 millioner år gamle.