Geowissenschaften

Unterrichtsziele

• Definieren Sie den Unterschied zwischen absolutem Alter und relativem Alter.
• Beschreiben Sie vier Methoden der absoluten Datierung.
• Erklären Sie, was Radioaktivität ist und geben Sie Beispiele für radioaktiven Zerfall.
• Erklären Sie, wie der Zerfall radioaktiver Materialien dazu beiträgt, das Alter eines Objekts festzustellen.
• Schätzen Sie das Alter eines Objekts angesichts der Halbwertszeit und der Mengen radioaktiver und radioaktiver Materialien.,
• Geben Sie vier Beispiele für radioaktive Materialien, die bis heute Objekte verwendet werden, und erklären, wie jeder verwendet wird.

Baumringe

In Regionen außerhalb der Tropen wachsen Bäume in den warmen Sommermonaten schneller als im kühleren Winter. Dieses Wachstumsmuster führt zu abwechselnden Bändern aus hellem „Frühholz mit niedriger Dichte“ und dunklem „Spätholz mit hoher Dichte“. Jedes dunkle Band repräsentiert einen Winter; Durch Zählen der Ringe kann das Alter des Baumes ermittelt werden (Abbildung 11.22)., Die Breite einer Reihe von Wachstumsringen kann Hinweise auf vergangene Klimazonen und verschiedene Störungen wie Waldbrände geben. Dürren und andere Klimaschwankungen lassen den Baum langsamer oder schneller wachsen als normal, was sich in den Breiten der Baumringe zeigt. Diese Baumringvariationen treten bei allen Bäumen auf, die in einer bestimmten Region wachsen, sodass Wissenschaftler die Wachstumsringe lebender und toter Bäume zusammenbringen können. Mithilfe von Baumstämmen, die aus alten Gebäuden und antiken Ruinen gewonnen wurden, konnten Wissenschaftler Baumringe vergleichen, um in den letzten 2,000 Jahren eine kontinuierliche Aufzeichnung von Baumringen zu erstellen., Diese Baumring-Aufzeichnung hat sich als äußerst nützlich erwiesen, um eine Aufzeichnung des Klimawandels zu erstellen und das Zeitalter antiker Strukturen zu finden.

Eiskerne und-varven

Mehrere andere Prozesse führen zur Ansammlung von unterschiedlichen Eisschichten, die für die Datierung verwendet werden können., Zum Beispiel bilden sich Schichten innerhalb von Gletschern, weil es im Sommer tendenziell weniger Schneefall gibt, so dass sich eine dunkle Staubschicht auf dem Winterschnee ansammeln kann (Abbildung 11.23). Um diese Muster zu untersuchen, bohren Wissenschaftler tief in Eisschichten und produzieren Hunderte von Metern lange Kerne. Wissenschaftler analysieren diese Eiskerne, um festzustellen, wie sich das Klima im Laufe der Zeit verändert hat, sowie um Konzentrationen atmosphärischer Gase zu messen. Die längsten Kerne haben dazu beigetragen, eine Aufzeichnung des polaren Klimas zu bilden, die Hunderttausende von Jahren zurückreicht.,

Ein weiteres Beispiel für diese Schichten ist die Ablagerung von Sedimenten in Seen, insbesondere in Seen, die sich am Ende von Gletschern befinden. Das schnelle Schmelzen des Gletschers im Sommer führt zu einer dicken, sandigen Ablagerung von Sedimenten. Diese dicken Schichten wechseln sich mit dünnen, tonreichen Schichten ab, die sich im Winter ablagern. Die resultierenden Schichten, Varven genannt, geben Wissenschaftlern Hinweise auf vergangene Klimabedingungen., Zum Beispiel könnte ein besonders warmer Sommer zu einer sehr dicken Sedimentschicht führen, die sich vom schmelzenden Gletscher ablagert. Dünnere Varven können auf kältere Sommer hinweisen, da der Gletscher nicht so stark schmilzt und so viel Sediment in den See befördert.

Alter der Erde

Während Baumringe und andere jährliche Schichten für die Datierung relativ neuer Ereignisse nützlich sind, sind sie auf der großen Skala der geologischen Zeit nicht von großem Nutzen., Jahrhundert versuchten Geologen, das Alter der Erde mit indirekten Techniken abzuschätzen. Zum Beispiel haben Geologen gemessen, wie schnell Ströme Sedimente abgelagert haben, um zu versuchen zu berechnen, wie lange der Strom existiert hatte. Es überrascht nicht, dass diese Methoden zu völlig unterschiedlichen Schätzungen führten, von einigen Millionen Jahren bis zu „Billionen von Jahren“. Die wahrscheinlich zuverlässigste dieser Schätzungen wurde vom britischen Geologen Charles Lyell erstellt, der schätzte, dass 240 Millionen Jahre seit dem Erscheinen der ersten Tiere mit Muscheln vergangen sind., Heute wissen Wissenschaftler, dass seine Schätzung zu jung war; Wir wissen, dass dies vor etwa 530 Millionen Jahren geschah.

1892 berechnete William Thomson (später Lord Kelvin) systematisch das Alter der Erde (Abbildung 11.24). Er nahm an, dass die Erde als eine Kugel aus geschmolzenem Gestein begann, die im Laufe der Zeit stetig abgekühlt ist. Aus diesen Annahmen berechnete er, dass die Erde 100 Millionen Jahre alt war. Diese Schätzung war ein Schlag für Geologen und Anhänger von Charles Darwins Evolutionstheorie, die eine ältere Erde erforderte, um Zeit für die Evolution zu schaffen.,

Thomsons Berechnungen erwiesen sich jedoch bald als fehlerhaft, als 1896 Radioaktivität entdeckt wurde. Radioaktivität ist die Tendenz bestimmter Atome, in leichtere Atome zu zerfallen und dabei Energie zu emittieren. Radioaktive Materialien im Erdinneren liefern eine stetige Wärmequelle. Berechnungen des Erdalters mit radioaktivem Zerfall zeigten, dass die Erde tatsächlich viel älter ist als Thomson berechnet.

Radioaktiver Zerfall

Die Entdeckung radioaktiver Materialien hat Thomsons Schätzung des Erdalters mehr als widerlegt., Es bot eine Möglichkeit, das absolute Alter eines Felsens zu finden. Um zu verstehen, wie dies geschieht, müssen einige Fakten über Atome überprüft werden.

Atome enthalten drei Teilchen: Protonen, Neutronen und Elektronen. Protonen und Neutronen befinden sich im Kern, während Elektronen um den Kern kreisen. Die Anzahl der Protonen bestimmt, welches Element Sie untersuchen. Zum Beispiel haben alle Kohlenstoffatome sechs Protonen, alle Sauerstoffatome acht Protonen und alle Goldatome 79 Protonen. Die Anzahl der Neutronen ist jedoch variabel., Ein Atom eines Elements mit einer anderen Anzahl von Neutronen ist ein Isotop dieses Elements. Zum Beispiel enthält das Isotop Kohlenstoff-12 6 Neutronen in seinem Kern, während das Isotop Kohlenstoff-13 7 Neutronen hat.

Einige Isotope sind radioaktiv, was bedeutet, dass sie instabil sind und wahrscheinlich zerfallen. Dies bedeutet, dass das Atom spontan von einer instabilen Form in eine stabile Form übergeht. Es gibt zwei Formen des nuklearen Zerfalls, die für die Datierung von Gesteinen durch Geologen relevant sind (Tabelle (11.,1):

Partikel Zusammensetzung Wirkung auf Kern Alpha 2 Protonen, 2 Neutronen Der Kern enthält zwei weniger Protonen und zwei weniger Neutronen. Beta 1 Elektron Ein Neutron zerfällt zu einem Proton und einem Elektron, das emittiert wird.

Wenn ein Element durch den Verlust eines Alphateilchens zerfällt, verliert es 2 Protonen und 2 Neutronen., Wenn ein Atom durch den Verlust eines Betateilchens zerfällt, verliert es nur ein Elektron.

Was hat das also mit dem Zeitalter der Erde zu tun? Radioaktiver Zerfall führt schließlich zur Bildung stabiler Tochterprodukte. Radioaktive Materialien zerfallen mit bekannten Raten. Mit der Zeit nimmt der Anteil radioaktiver Isotope ab und der Anteil der Tochterisotope nimmt zu. Ein Gestein mit einem relativ hohen Anteil an radioaktiven Isotopen ist wahrscheinlich sehr jung, während ein Gestein mit einem hohen Anteil an Tochterprodukten wahrscheinlich sehr alt ist.,

Wissenschaftler messen die Rate des radioaktiven Zerfalls mit einer Einheit namens Halbwertszeit. Die Halbwertszeit einer radioaktiven Substanz ist die Zeit, im Durchschnitt dauert es, bis die Hälfte der Atome zerfällt. Stellen Sie sich zum Beispiel eine radioaktive Substanz mit einer Halbwertszeit von einem Jahr vor. Wenn ein Gestein gebildet wird, enthält es eine bestimmte Anzahl radioaktiver Atome. Nach einem Jahr (eine Halbwertszeit) ist die Hälfte der radioaktiven Atome zu stabilen Tochterprodukten zerfallen und 50% der radioaktiven Atome verbleiben., Nach einem weiteren Jahr (zwei Halbwertszeiten) ist die Hälfte der verbleibenden radioaktiven Atome verfallen und 25% der radioaktiven Atome verbleiben. Nach dem dritten Jahr (drei Halbwertszeiten) verbleiben 12,5% der radioaktiven Atome. Nach vier Jahren (vier Halbwertszeiten) verbleiben 6,25% der radioaktiven Atome und nach fünf Jahren (fünf Halbwertszeiten) nur noch 3,125% der radioaktiven Atome.

Wenn Sie ein Gestein finden, dessen radioaktives Material eine Halbwertszeit von einem Jahr hat und 3.125% radioaktive Atome und 96.875% Tochteratome misst, können Sie davon ausgehen, dass die Substanz 5 Jahre alt ist., Der Zerfall radioaktiver Materialien kann mit einer Grafik dargestellt werden (Abbildung 11.25). Wenn Sie ein Gestein mit 75% der verbleibenden radioaktiven Atome finden, wie alt ist es?

Radiometrische Datierung von Gesteinen

Bei der radiometrischen Datierung werden mehrere Isotope verwendet, um Gesteine und andere Materialien zu datieren. Die Verwendung verschiedener Isotope hilft Wissenschaftlern, die Genauigkeit des von ihnen berechneten Alters zu überprüfen.,

Kohlenstoffdatierung

Die Erdatmosphäre enthält drei Isotope Kohlenstoff. Kohlenstoff-12 ist stabil und macht 98,9% des atmosphärischen Kohlenstoffs aus. Kohlenstoff-13 ist ebenfalls stabil und macht 1,1% des atmosphärischen Kohlenstoffs aus. Kohlenstoff-14 ist radioaktiv und wird in winzigen Mengen gefunden. Kohlenstoff-14 wird natürlich in der Atmosphäre produziert, wenn kosmische Strahlen mit Stickstoffatomen interagieren. Die Menge an Kohlenstoff-14, die zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Atmosphäre erzeugt wird, war im Laufe der Zeit relativ stabil.

Radioaktiver Kohlenstoff-14 zerfällt durch Freisetzung eines Betateilchens zu stabilem Stickstoff-14., Die Stickstoffatome gehen in die Atmosphäre verloren, aber die Menge an Kohlenstoff-14-Zerfall kann geschätzt werden, indem der Anteil von radioaktivem Kohlenstoff-14 an stabilem Kohlenstoff-12 gemessen wird. Wenn eine Substanz altert, nimmt die relative Menge an Kohlenstoff-14 ab.

Kohlenstoff wird von Pflanzen während der Photosynthese aus der Atmosphäre entfernt. Tiere verbrauchen diesen Kohlenstoff, wenn sie Pflanzen oder andere Tiere essen, die Pflanzen gegessen haben. Daher kann Kohlenstoff-14 Dating verwendet werden, um Pflanzen-und Tierreste zu datieren. Beispiele sind Hölzer aus einem alten Gebäude, Knochen oder Asche aus einer Feuerstelle., Kohlenstoffdatierung kann effektiv verwendet werden, um das Alter von Materialien zwischen 100 und 50.000 Jahren zu finden.

Kalium-Argon-Datierung

Kalium-40 zerfällt zu Argon-40 mit einer Halbwertszeit von 1,26 Milliarden Jahren. Da Argon ein Gas ist, kann es aus geschmolzenem Magma oder Lava entweichen. Daher wird jedes Argon, das in einem Kristall gefunden wird, wahrscheinlich als Folge des Zerfalls von Kalium-40 gebildet. Die Messung des Verhältnisses von Kalium-40 zu Argon-40 ergibt eine gute Schätzung des Alters der Probe.

Kalium ist ein häufiges Element, das in vielen Mineralien wie Feldspat, Glimmer und Amphibol vorkommt., Die Technik kann verwendet werden, um magmatische Gesteine von 100.000 Jahren bis über eine Milliarde Jahre alt zu datieren. Da es verwendet werden kann, um geologisch junge Materialien zu datieren, war die Technik nützlich, um das Alter von Ablagerungen zu schätzen, die die Knochen menschlicher Vorfahren enthielten.

Uran-Blei-Datierung

Zur radiometrischen Datierung werden zwei Isotope von Uran verwendet. Uran-238 zerfällt zu Blei-206 mit einer Halbwertszeit von 4, 47 Milliarden Jahren. Uran-235 zerfällt zu Blei-207 mit einer Halbwertszeit von 704 Millionen Jahren.

Die Uran-Blei-Datierung wird normalerweise an Kristallen des mineralischen Zirkons durchgeführt (Abbildung 11.,26). Wenn sich Zirkon in einem magmatischen Gestein bildet, akzeptieren die Kristalle leicht Uranatome, lehnen jedoch Bleiatome ab. Wenn also Blei in einem Zirkonkristall gefunden wird, kann davon ausgegangen werden, dass es aus dem Zerfall von Uran hergestellt wurde.

Uran-Blei-Datierung kann verwendet werden, um magmatische Gesteine von 1 Million Jahren bis etwa 4,5 Milliarden Jahre alt zu datieren. Einige der ältesten Gesteine der Erde wurden mit dieser Methode datiert, darunter Zirkonkristalle aus Australien, die 4,4 Milliarden Jahre alt sind.,

Einschränkungen der radiometrischen Datierung

Radiometrische Datierung kann nur auf Materialien verwendet werden, die messbare Mengen an radioaktiven Materialien und ihre Tochterprodukte enthalten. Dazu gehören organische Überreste (die im Vergleich zu Gesteinen relativ jung und weniger als 100.000 Jahre alt sind) und ältere Gesteine. Idealerweise werden mehrere verschiedene radiometrische Techniken verwendet, um dasselbe Gestein zu datieren. Die Übereinstimmung zwischen diesen Werten zeigt an, dass das berechnete Alter korrekt ist.,

Im Allgemeinen funktioniert die radiometrische Datierung am besten für magmatische Gesteine und ist für die Bestimmung des Alters von Sedimentgesteinen nicht sehr nützlich. Um das Alter einer Sedimentgesteinsablagerung abzuschätzen, Geologen suchen nach nahe gelegenen oder ineinander verschachtelten magmatischen Gesteinen, die datiert werden können. Wenn beispielsweise eine Sedimentgesteinsschicht zwischen zwei Schichten Vulkanasche liegt, liegt ihr Alter zwischen dem Alter der beiden Ascheschichten.

Mit einer Kombination aus radiometrischer Datierung, Indexfossilien und Überlagerung haben Geologen eine genau definierte Zeitleiste der Erdgeschichte erstellt., Zum Beispiel kann ein darüber liegender Lavastrom eine zuverlässige Schätzung des Alters einer Sedimentgesteinsformation an einem Ort geben. Indexfossilien, die in dieser Formation enthalten sind, können dann mit Fossilien an einem anderen Ort abgeglichen werden, Dies bietet auch eine gute Altersmessung für diese neue Gesteinsformation. Da sich dieser Prozess auf der ganzen Welt wiederholt hat, sind unsere Schätzungen des Gesteins-und fossilen Zeitalters immer genauer geworden.

Unterrichtszusammenfassung

Techniken wie Überlagerungs-und Indexfossilien können Ihnen das relative Alter von Objekten mitteilen, welche Objekte älter und welche jünger sind., Andere Arten von Beweisen sind erforderlich, um das absolute Alter von Objekten in Jahren festzustellen. Geologen verwenden eine Vielzahl von Techniken, um das absolute Alter festzustellen, einschließlich radiometrisch Dating, Baumringe, Eiskerne, und jährliche Sedimentablagerungen, Varven genannt.

Die radiometrische Datierung ist die nützlichste dieser Techniken—sie ist die einzige Technik, die das Alter von Objekten bestimmen kann, die älter als einige tausend Jahre sind. Die Konzentrationen mehrerer radioaktiver Isotope (Kohlenstoff-14, Kalium-40, Uran-235 und -238) und ihrer Tochterprodukte werden verwendet, um das Alter von Gesteinen und organischen Überresten zu bestimmen.,

Fragen überprüfen

1. Welche vier Techniken werden verwendet, um das absolute Alter eines Objekts oder Ereignisses zu bestimmen?
2. Eine radioaktive Substanz hat eine Halbwertszeit von 5 Millionen Jahren. Wie alt ist ein Gestein, in dem 25% der ursprünglichen radioaktiven Atome verbleiben?
3. Ein Wissenschaftler untersucht ein Stück Stoff von einer alten Grabstätte. Sie bestimmt, dass 40% der ursprünglichen Kohlenstoff-14-Atome im Tuch verbleiben. Was ist das ungefähre Alter des Tuches, basierend auf dem Kohlenstoffabfalldiagramm (Abbildung 11.27)?
   

   Abbildung 11.,27: Radioaktiver Zerfall von Kohlenstoff-14

4. Welches radioaktive Isotop oder Isotop würden Sie verwenden, um jedes der folgenden Objekte zu datieren? Erklären Sie jede Ihrer Entscheidungen.
   • Ein 4 Milliarden Jahre altes Stück Granit.
   • Ein eine Million Jahre altes Bett aus Vulkanasche, das die Fußabdrücke von Hominiden (menschlichen Vorfahren) enthält.
   • Das Fell eines Wollmammuts, das kürzlich in einem Gletscher gefroren geborgen wurde.
   • Ein versteinerter Trilobit aus einem etwa 500 Millionen Jahre alten Sandsteinbett.,
5. Das Prinzip des Uniformitarismus besagt, dass die Gegenwart der Schlüssel zur Vergangenheit ist. Mit anderen Worten, die Prozesse, die wir heute sehen, haben wahrscheinlich in der Vergangenheit ähnlich funktioniert. Warum ist es wichtig anzunehmen, dass die Rate des radioaktiven Zerfalls im Laufe der Zeit konstant geblieben ist?

Vokabular

absolutes Alter Das Alter eines Objekts in Jahren. Alphateilchenpartikel, bestehend aus zwei Protonen und zwei Neutronen, die während des radioaktiven Zerfalls aus dem Kern ausgestoßen werden., Betateilchenpartikel, bestehend aus einem einzelnen Elektron, das während des radioaktiven Zerfalls aus dem Kern ausgestoßen wird. Ein Betateilchen entsteht, wenn ein Neutron zerfällt, um ein Proton und das emittierte Elektron zu bilden. tochterprodukt Stabile Substanz, die durch den Zerfall einer radioaktiven Substanz erzeugt wird. Zum Beispiel zerfällt Uran-238, um Blei-207 zu produzieren. halbwertszeit Zeit, die für die Hälfte der Atome einer radioaktiven Substanz benötigt wird, um zu zerfallen und Tochterprodukte zu bilden. eiskernzylinder aus Eis, das aus einem Gletscher oder einer Eisdecke gewonnen wird., radioaktive Substanz, die instabil ist und wahrscheinlich energetische Partikel und Strahlung emittiert. radioaktivität Emission von hochenergetischen Teilchen und / oder Strahlung durch bestimmte instabile Atome. radiometrisch Dating Prozess der Verwendung der Konzentrationen radioaktiver Substanzen und Tochterprodukte zur Schätzung des Alters eines Materials. Mit zunehmendem Alter der Substanzen nehmen die Mengen radioaktiver Atome ab, während die Mengen an Tochtermaterialien zunehmen. Baumringschicht aus Holz in einem Baum, der sich in einem Jahr bildet. Sie können das Alter eines Baumes bestimmen, indem Sie seine Ringe zählen., varve Dünne Schicht von Sediment auf einem seebed im Laufe eines Jahres abgelagert in der Regel am Boden der Gletscherseen gefunden.

zu berücksichtigende Punkte

• Warum sind Techniken wie Baumringe, Eiskerne und Varven nur für Ereignisse der letzten tausend Jahre nützlich?
• Warum war es für Darwin und seine Anhänger so wichtig zu beweisen, dass die Erde sehr alt war?
• Warum ist es wichtig, mehr als eine Methode zu verwenden, um das Alter eines Gesteins oder eines anderen Objekts zu finden?