Uraani-lyijy-ajoitus

Uraani-lyijy-ajoitus (U-Pb-ajoitus) on eräs pisimpään käytettyjä ja tarkimpia kivinäytteiden radiometrisiä iänmääritysmenetelmiä. U-Pb-menetelmällä voidaan ajoittaa näytteitä, joiden ikä vaihtelee yhdestä miljoonasta neljään ja puoleen miljardiin vuoteen. Ajoituksen tyypillinen virhe on 0,1–1 %. Ajoituksessa käytetään tavallisimmin zirkonia, mutta menetelmä sopii myös muutamille muille mineraaleille kuten monatsiitille, titaniitille sekä baddeleyiitille.

Tausta

Uraani-lyijy-menetelmä perustuu kahteen erilaiseen hajoamisreittiin. Ensimmäisessä hajoamiskaskadissa uraani-238 hajoaa lyijy-206:ksi puoliintumisajan ollessa 4,47 miljardia vuotta. Toisessa uraani-235 hajoaa lyijy-207:ksi puoliintumisajalla 704 miljoonaa vuotta. Mikäli ajoituksessa huomioidaan vain toinen näistä reiteistä, sanotaan kyseessä olevan uraani-lyijy-isokronimenetelmän. Zirkoni on otollinen näytemineraali, sillä zirkonikiteiden muodostuessa uraaniatomit sopivat hyvin kidehilaan, mutta lyijy ajautuu tehokkaasti sieltä pois. Siksi voidaan olettaa, ettei tällaisissa kiteissä alun perin ollut lainkaan lyijyä, vaan kaikki siinä oleva lyijy on syntynyt uraanin hajotessa kiteen jo muodostuttua. Zirkoni on myös kemiallisesti ja mekaanisesti hyvin kestävää ainetta, joten kiteet eivät vahingoitu ympäristöoloista helposti. Sen sulamispiste, 900 °C, on korkeampi kuin monilla kivilaaduilla, jolloin edes ympäröivän kallion sulaminen ei välttämättä haittaa ajoitusta.

Menetelmä

Kahden erilaisen ja toisistaan riippumattoman hajoamisreitin ansiosta näytteen ikä voidaan määrittää kahdella eri tavalla. Ratkaisemalla hajoamiseen kulunut aika t joko näytteestä mitatun ²⁰⁶Pb/²³⁸U suhteen avulla

${\frac {{}^{206}Pb}{{}^{238}U}}=e^{\lambda _{238}t}-1$

tai näytteen ²⁰⁷Pb/²³⁵U suhteen avulla

${\frac {{}^{207}Pb}{{}^{235}U}}=e^{\lambda _{235}t}-1$.

Tässä λ₂₃₈ ja λ₂₃₅ ovat uraani-isotooppien hajoamisvakiot. Koska kummassakin tapauksessa aika on luonnollisesti sama, nämä suhteet voidaan ilmaista toistensa funktiona. Tulokseksi saadaan niin kutsuttu konkordia-käyrä. Tähän kuvaajaan verrataan käytännössä tehtyä mittausta. Koska käytännössä lyijyä on usein päässyt näytteestä vuotamaan, todellisia mitattuja Pb/U-suhteita vastaavat pisteet sijoittuvat jonkin verran konkordia-käyrän alapuolelle. Kun ajoitus tehdään usean näytteen perusteella saadaan joukko mittauspisteitä, joiden kautta voidaan piirtää suora, joka leikkaa konkordia-käyrää kahdesti: ylempänä ja alempana. Tällaisessa tilanteessa suoran ja konkordia-käyrän ylempi leikkauskohta ilmaisee kiteen todellisen iän ja alempi leikkauskohta ajan, jolloin lyijyä on alkanut vuotaa.

Aiheesta muualla

• New Accurate Uranium/Lead Dating Technique For Earth's Largest Extinction (englanniksi)
• Wilde et al. (2001) Evidence from detrital zircons for the existence of continental crust and oceans on the Earth 4.4 Gyr ago. Nature vol. 409, 175 (englanniksi)
• Esimerkki todellisen kide-esiintymän ajoituksesta konkordia-käyrän avulla (englanniksi)