13.12.2012.

1

Geokronologija

Geokronologija – znanstvena disciplina  koja se bavi određivanjem starosti stijena, naslaga i fosila, te određivanjem vremena određenih događaja u geološkoj prošlosti‐ study of time as it relates to Earth history

‐ intenzivniji razvoj od kraja 19 i početka 20 st s otkrićem radioaktivnosti (Becqurel 1896 )intenzivniji razvoj od kraja 19. i početka 20. st. s otkrićem radioaktivnosti (Becqurel, 1896.)

‐ utvrđivanje GTS (Geolocical Time Scale), određivanje starosti pojedinih struktura, slijeda događaja i trajanje određenih procsa  jest kombinacija relativnog i apsolutnog datiranja (npr. starost rasjeda?)   

‐ relativna starost – stratigrafija‐ apsolutna starost  ‐mjerenja  

13.12.2012.

2

James Hutton (1726‐1797) ‐ otac moderne geologije‐ izučavao marinske stijene na kopnu ‐ Theory of the Earth (Edinbourgh, 1795)

‐ jako velika starost zemlje ‐ zagovara aktualistički princip→

→ if it i (Ch l L ll) k i i /→ uniformitarizam (Charles Lyell), a ne kreacionizam / katastrofizam 

‐ danas: uniformitarizam + katastrofizam (K/T impact, tsunami, turbiditi, erupcije, kraj mesinske krize)

Charles Darwin (1809‐1882)‐ geologgeolog‐ Origin of Species (1859. ‐ On the Origin of Species by Means of Natural Selection, or the Preservation of Favoured Races in the Struggle for Life). ‐ procijena: 300 milijuna godina prošlo od završetka mezozoika (malo pretjerao, ali red veličine je pogođen)

Procjene starosti Zemlje:

4004 g. BC g

13.12.2012.

3

Datiranje ‐ relativno određivanje starosti (biostratigrafija) ‐ ........... (age equivalent startigraphic markers)‐ određivanje točne starosti radiometrijskimmetodama‐ određivanje točne starosti inkrementacijskimmetodama

APSOLUTNA STAROST

Radiometrijske metode:‐ 14C‐ U‐Th‐ 40K/40Ar, 40Ar/39Ar‐ Luminiscencijsko datiranje‐ Fission track

RELATIVNA STAROST

Biostratigrafija

Age equivalent markers:‐ magnetostratigrafija‐ tefrokronologija‐ kemostratigrafija 

‐ ESR – electron spin resonsnce

Inkrementacijske metode:‐ kronologija varvi‐ dendrokronologija‐ brojanje slojeva ledenih jezgri

g j

Određivanje relativne starosti

‐ utemeljeno na istraživanju sedimentnih stijena, njihovih fosila i redosljeda sedimentacije

‐ korelacija, princip superpozicje‐ ne temelju relativne geokronologije 

razrađen veliki dio GTS* tijekom 18 . i 19. st.

‐ određuju se samo što je starije, a što mlađe

Biostratigrafija‐ određivanje relativne starosti na 

temelju fosila, fosilnih zajednicajb lji d i f ili (i d f il )‐ najbolji provodni fosili (index fossils)

→ široko rasprostranjeni, a razmjerno  kratko trajali

*GTS Geologic Time Scale

13.12.2012.

4

Age –equivalent stratigraphic markers‐ tefrokronologija‐ magnetostratigrafija‐ kemostratigrafija 

Tefrokronologija‐ korelacija na temelju epizoda vulkanskih erupcija‐ vulkanske epizode karakterističnog  kemijskog / mineralnog / petrografskog sastava

(geochemical signature)‐ datiranje : 14C, K‐Ar, FT, TL, ESR

Tefra                                 u ledu                                     u snijegu                                    u tlu

...na dnu mora, jezera, riječnim terasama...

Magnetostratigrafija

‐ metoda korelacije koja se temelji na paleomagnetizmu‐ Zemljina jezgra – rastaljeno željezo – generira magnetsko polje – Zemlja se ponaša kao veliki magnet 

‐ iz nepoznatih razloga izmjene magnetskih polova Zemlje tijekom geološke prošlos   → zabilježene simetrično u bazal ma na srednjeoceanskim hrptovima (d k fl di i t kt ik l č ) i j j j l i i i(dokaz za sea‐floor spreading i tektoniku ploča) – izmjenjuje se normalni i reverzni magmatizam

‐ magnetični minerali padom temperature ispod Curie točke*  zauzimaju položaj  u odnosu na tadašnji položaj polova

* temperatura iznad koje feromagnetskasupstanca gubi svoj feromagnetizam

13.12.2012.

5

‐ izmjene magnetskih polova mogu se pratiti  i u sedimentnim slojevima ili magmatskim stijenama

‐ datirano K‐Ar metodom

‐ Promjene zabilježene u zadnjih 160 Ma na oceanskom dnu (118‐83 Ma BP tijekom krede duže razdoblje bez promjene polariteta – normalni polaritet)

‐ Promjene u zadnjih 2 Ma

Brunhes (normalni)780 ka BP

Matuyama (reverzni)2,59 Ma BP

Gauss (normalni)3,39 Ma BP

Kemostratigrafija   

‐ korelacija na temelju određenih kemijskih parametara u sedimentnom slijedu‐ npr.  ‐ kronologija na temelju varijacija stabilnih izotopa O, C, S, omjera 87Sr/86Sr...

(pattern‐matching) ‐ identifikacija anomalije siderofilnih elementa (Ir, Au, Pd, Pt... – siderofilni su te tonu u Zemljinu (Fe‐)jezgru, dok su u kori vrlo rijetki)

(npr. Ir iz K‐T impakta 65 Ma BP)‐ promjene aminokiselina (u proteinima npr. kostiju i sl.) 

‐ poželjno datirati nezavisnom metodom

13.12.2012.

6

Određivanje apsolutne starosti

Radiometrijske metode – temelje se na radioaktivnom raspadu nestabilnih izotopa:‐ 14C‐ U‐Th‐ K‐Ar, Ar‐Ar‐ FT ‐ fisijski tragoviFT  fisijski tragovi‐ Luminiscencijsko datiranje (TL i OSL)

14C (radiokarbonska) metoda

‐ na temelju radioaktivnog raspada nestabilnog 14C (na stabilni 14N i βˉ)‐ u prirodi se ugljikovi izotopi (12C : 13C : 14C  = 1012: 1010 : 1) ugrađuju ravnopravno u okoliš (biljke fotosintezom asimiliraju 14C, a životinje se hrane biljkama. Na taj način sva živa bića zadržavaju istu koncentraciju aktivnosti 14C tijekom svog života. 14CO2 se poput običnog CO2 otapa u oceanima, te se nalazi u planktonu, koraljima i školjkama)

ži bić d k đ j 14C tij k ži t N k ti i t j‐ sva živa bića nadoknađuju 14C tijekom svog života. Nakon smrti organizma prestaje nadoknađivanje 14C i njegova koncentracija se počinje smanjivati u skladu s eksponencijalnim zakonom radioaktivnog raspada‐ vrijeme poluraspada   T1/2 = 5730 godina

Prema međunarodno usvojenoj konvenciji 14C starost seizražava u godinama prije sadašnjosti (BP – before present),pri čemu se kao početna uzima godina 1950. Također,dogovoreno je da će se kod računanja starosti upotrebljavati"staro", Libbyjevo vijeme poluraspada od 5560 godina.

13.12.2012.

7

Različite tehnike mjerenja:

Radiometrijske metode ‐ temelje se na brojanju pojedinačnih raspada radioaktivnogizotopa 14C

GPC ‐ Plinski proporcionalni brojač (gas proportional counter)‐ potrebno 5 g ugljika (ne uzorka!)

k t j k b t CO di t CH k ji id b j č‐ nakon otapanja karbonata, CO2 se prevodi u metan CH4 koji ide u brojač‐ brojač mjeri raspade 14C koji su proporcionalni koncentraciji 14C u uzorku‐ doseg metode je ~37 ka, što iznosi približno 7 poluraspada jezgre ugljika 14C,odnosno 1/128 početne aktivnosti

LSC  ‐ Tekućinski scintilacijski brojač (liquid scintillation counter)‐može mjeriti uzorke s 1 g ugljika‐ nakon otapanja karbonata, CO2 se prevodi u benzen C6H6 koji ide u brojač‐ brojačmjeri pulsevi svjetla stvorene emisijama fotona koji se emitiraju izbrojač mjeri pulsevi svjetla stvorene emisijama fotona koji se emitiraju iz scintilatora kao posljedica radioaktivnog raspada. Puls je proporcionalan energijiodređenog beta raspada kad se emitira foton ili čestica svjetla‐ doseg metode je ~56,7 ka

Akceleratorska masena spektrometrija  ‐mjeri omjer atoma 14C izotopa u odnosu nanajzastupljeniji izotop ugljika, 12C.

‐ ne mjeri se (radio)aktivnost

‐mjeri i na nekoliko mg, čak i μg ugljika ‐ uzorak treba prevesti u grafit 

f l ž b b d č k l‐ grafitna meta se izlaže bombardiranju česticama iz akceleratora. Ionizirani atomi se zatim ubrzavaju u jakom električnom polju. Prolaskom kroz magnetrazdvajaju se atomi mase 14 od atoma mase 12 i 13,‐ doseg metode je 60 ka

13.12.2012.

8

Nizovi i vremena poluraspada

U‐Th  (uranij‐torij)  metoda

‐ u prirodi se javljaju tri niza koja započinju nestabilnim izotopima iz grupe aktinida (238U,235U i 232Th) s vrlo velikim vremenom poluraspada (> 7×108 god.). Svi se raspadaju dostabilnog olova (206Pb, 207Pb i 208Pb) preko niza međučlanova čija vremena poluraspadavariraju od nekoliko mikrosekundi do nekoliko stotina tisuća godina

poluraspada međučlanova nizova 238U, 235U i 232Th do stabilnog Pb (206Pb, 207Pb i 208Pb). Elementi su složeni vertikalno s obzirom na atomski broj. Gubitkom α‐čestice (4He) atomski se broj smanjuje, dok se emisijom β‾ čestice 

ć ( ki i ipovećava (neki iznimno kratkoživući nuklidi su izostavljeni)

‐određivanje starosti metodom 230Th/234U temelji se na mjerenju omjera radioaktivnogizotopa uranija 234U i produkta njegova raspadanja 230Th‐ za datiranje karbonata siga, koralja, školjki, kosti, zubiju‐ doseg metode je 5‐350 ka (od nedavno i manje od 100 g)‐mjerenje na masenom spektrometru 

Kalij‐argon i argon‐argon    40K/40Ar, 40Ar/39Ar  metode

‐ Kalij  se javlja u 3 izotopa 39K (93.2581%), 40K (0.0117%), 41K (6.7302%)‐ 40K je radioaktivan i dio prelazi u 40Ar (a dio u 40Ca) ‐ T1/2 = 1,248 × 109 godina‐ 40K/40Ar za datiranje vulkanskih i metamorfnih stijena‐ količina nastalog  Ar  se mjeri masenim spektrometrom (uz pretpostavku da nije bilo 

inicijalnog Ar prilikom kristalizacije stijene)‐ najbolji rezultati  ‐ stijene starije od 100 ka

‐ 40Ar/39Ar je novija metoda‐ u masenom spektrometru se mjeri samo Ar ‐ količina nastalog 39Ar je proporcionalna količini 39K koja je proporcionalna količini 40K, 

tako da se dobije  omjer 40K/40Ar

korišten a preci no datiranje paleomagneti ma‐ korišten za precizno datiranje paleomagnetizma

13.12.2012.

9

Fisijski tragovi (FT – fission track)

‐ datiranje minerala koji sadrže uranij‐ temelji se na spontanoj fisiji 238U (cijepa mu se jezgra na jezgre elemenata atomskogbroja od 30 do 65 (npr. barij‐65)‐ energija dobivena fisijom dovodi do kolizije fragmanata fisije s okolnim atomima i ’uništava’ kristalnui rešetku ‐ ostavlja tragove / fission tracks‐ gustoća tragova po jedinici površine može poslužiti kao mjera starosti minerala‐ doseg metode – od arhajskih do arheoloških uzoraka

Luminiscencijske metode‐ datiranje na temelju akumulirane radijacije‐ datiranje materijala / sedimenata koji imaju U, Th,  ili K‐ sedimenti često sadrže, U, Th, K – njihovim poluraspadima nastaje ionizirana radijacijakoju primaju drugi minerali poput npr. kvarca i to od trenutka kad su prekriveni sedimentom ili spečeni (prije toga su izloženi na svjetlu ili tijekom pečenja

‐Termalna luminiscencija (TL – thermal luminiscence)‐ izlaganjem temperaturi (pečenjem) 

‐Optički stimulirana luminiscencija (OSL optically stimulated luminiscence)‐doseg metode je 300 – 100 000 g‐ rezultat mjerenja je podatak kada je mineral (npr. kvarc) bio zadnji put izložen Suncu

l ki di i‐ eolski sedimenti

13.12.2012.

10

Određivanje apsolutne starosti

Inkrementacijske metode ‐metode datiranja određivanjem vrijednosti prirasta (organske tvari ili sedimenta)

‐ kronologija varvi‐dendrokronologijab j j l j l d ih j i‐brojanje slojeva ledenih jezgri

Kronologija varvi

‐ varve ‐ ciklički, godišnji laminirani sedimenti taloženi u slatkoj ili brakičnoj vodi‐ sezonske izmjene klastičnog materijala ili povećane biološke tvari/aktivnosti

‐ Europa ‐ uz Fenoskandijski, Sj. Amerika ‐ uz Laurencijski ledeni pokrovtrajanje pojedinih kvartarnih ra doblja npr YD LIA‐ trajanje pojedinih kvartarnih razdoblja, npr. YD, LIA

Dendrokronologija (tree‐ring dating)

‐ određivanje starosti / brojanje godina na temelju godova drveta‐ doseg 9000 g – samo holocen, ali jako precizno‐ ista vrsta stabla‐ u područjima sa sezonskim promjenama: širi godovi ‐ bolji uvjeti rasta, uži godovi – slabiji rast‐ godišnji zapisi, prirast vanjskog dijela debla, tzv. sekundarni rast (u širinu)‐ preklapanje dijelova rezultata → određivanje dendrokronološke starosti različitih uzoraka‐ Sj. Amerika – borovi, cross‐dating do 8681 g BP (živući: Prometej 4844 goda; Metuzalem  

4789 godina star 1957. g.) ‐ Zap. Europa – hrast , cross‐dating do 7272 g BP‐ dendroklimatologija, izotopna dendroklimatologija

T‐corer1920                1930

1900                1910

1860            1870                            1890

13.12.2012.

11

Brojanje slojeva ledenih jezgri

‐ godišnji prirast leda‐ dublji dijelovi jezgre deformirani ( pa se starost određuje modeliranjem, poznavajući 

dinamiku leda) ‐ GRIP jezgra – 14,5 ka ‐ GISP2 jezgra – 17,4 ka    (na Grendlandu brza akumulacija, na Antarktici spora)‐ kao i kod varvi, dobro se mogu razlučiti pojedini kvartarni intervali, g p j

Palaeomagnetic, chronostratigraphic and isotopic results. Left: studied stalagmite and location of palaeomagnetic samples (cubes); (a) U–Th dates and age model; (b) δ18O record; (c) initial NRM intensity; (d, e) ChRM declination d i li i l d i i h h NRM l (i ) (f) i hi l i hand inclination values and comparison with the NRM values (in grey); (f) magnetostratigraphic column with 

normal (black), reversed (white) and ambiguous (grey) zones. 

(M.‐L. Osete et al. The Blake geomagnetic excursion recorded in a radiometrically dated speleothem/ Earth and Planetary Science Letters 353–354 (2012) 173–181)