Cirkon – najstarejši najdeni material

Cirkon, brezbarven prozoren kristal, ki se pogosto znajde v nakitu kot nadomestek ali ponaredek diamanta in zato poznavalci dragih kamnov nad njim vihajo nos, si nikakor ne zasluži prezira. Nasprotno. Najnovejša atomska analiza znanstvenikov z univerze Wisconsin v Madisonu je pokazala, da je cirkonov kristal skoraj toliko star kot Zemlja – je najstarejši najdeni material, ki je ostal od nastanka našega planeta pred dobrimi štirimi in pol milijarde leti.

Kako so to ugotovili? Razvozlavanja ene najbolj spornih geoloških ugank so se lotili na ravni atomov. Sledili so jim v neznatnem cirkonovem kristalu iz Avstralije, natančneje iz konglomerata Jack Hills na zahodu celine. Najprej so seveda s široko uveljavljeno in uporabljeno tehniko datiranja na podlagi razpada radioaktivnega urana v svinec ugotovili, da je material zelo star, v bistvu najstarejši na našem planetu.

Toda ker so nekateri znanstveniki domnevali, da utegnejo biti rezultati postopka napačni zaradi možnega premika atomov svinca v kristalu v tem dolgem obdobju, so se preverjanja starosti kristala lotili še z novo, izpopolnjeno tehniko. S tomografijo z atomsko sondo jim je uspelo identificirati posamezne atome svinca v kristalu, ugotovili so njihovo maso in potrdili, da gre res za najstarejši doslej odkrit ostanek materiala iz časa nastajanja planeta. Neznatni kristal v izmeri 200 krat 400 mikronov, to je toliko kot dvojni premer človeškega lasu, je res star kar 4,375 milijarde let. To potrjeno ugotovitev so objavili v sobotni izdaji revije Nature Geoscience.

Pri določitvi starosti cirkonovega kristala iz Avstralije so si znanstveniki pustili rezervo šestih milijonov let, kar je malenkostno odstopanje v celotni dobi. Da bi si lahko bolje predstavljali, kako zelo star je kristal, ga je treba videti v perspektivi starosti našega planeta. Ta je nastal pred 4,5 milijarde leti kot krogla staljenih kamnin, ki se je razmeroma hitro ohlajala in kakih sto milijonov let kasneje, v času nastanka avstralskega kristala, dobila trdno skorjo.

Njegova starost, navajajo raziskovalci, ki jih je vodil John Valley, kaže, da je Zemlja dobila svojo skorjo v pičlih 160 milijonih letih po nastanku sončnega sistema. Kaže pa tudi, da se je Zemlja že zgodaj ohladila in da so se oceani in življenje na njej verjetno pojavili prej, kot smo domnevali do zdaj.

Razkriva podobo mlade Zemlje

Potrditev rekordne starosti cirkona pomeni, da bomo v marsičem morali spremeniti razumevanje o razvoju našega planeta. Sledi elementov v tem najstarejšem koščku cirkona iz avstralskega konglomerata Jack Hills napeljujejo geologe k domnevi, da prodniki iz konglomerata izvirajo iz granitu podobnih kamnin, bogatih z vodo, kot sta granodiorit in tonalit. To pa pomeni, da se je Zemlja dokaj hitro ohlajala – tako hitro, da so se po njeni površini lahko začele pretakati vode že zgolj 100 milijonov let za tem, ko se je po silnem trku od nje odškrnila Luna.

»Cirkoni nam kažejo, da zgodnja Zemlja ni bila tako zelo negostoljuben kraj, kot smo domnevali. Pravzaprav ni bila bistveno drugačna od današnje,« je prepričan Valley.

Cirkoni so med najbolj vzdržljivimi materiali na našem planetu. Ti, ki so jih našli v Avstraliji, po najnovejših ugotovitvah segajo daleč v preteklost, v čas 165 milijonov po nastanku Zemlje, in so preživeli erozije, pokope v zemeljsko skorjo, segrevanje in stiskanje ter se z dvigom tektonskih plošč znova znašli na površju Zemlje. Njihovo domovanje – konglomerat Jack Hills – niso najstarejše kamnine na Zemlji (te so v Kanadi), vendar pa so se pred približno tremi milijardami let z erozijo vode izluščili iz tedaj najbolj zgodnje zemeljske skorje in postali del rečnega dna.

Geologi so v materialu iz konglomerata skrbno pregledali več kot sto tisoč mikroskopskih kristalov iz zgodnjega obdobja Zemlje in med njimi našli tri, za katere so domnevali, da so nastali dobrih sto milijonov let pozneje kot naš planet. To obdobje v zgodovini Zemlje je znano kot Hadov eon – po grškem bogu podzemlja je bilo poimenovano zaradi peklenskih razmer, ki naj bi takrat vladale na še nestrjeni površini, ki so jo obstreljevali meteoriti.

Kristali, ki so jih izločili kot domnevno najstarejše (in zdaj njihovo rekordno starost tudi potrdili), vsebujejo mikroskopsko majhne plinaste mehurčke. Ti omogočajo enkraten vpogled v razmere, ki so vladale na Zemlji v času, ko je vznikalo življenje in so se oblikovale celine. Ponujajo torej odgovor na eno najbolj vznemirljivih vprašanj, in sicer, kdaj je naš planet postal primeren za življenje.

Življenje je najbrž vzniknilo prej, kot mislimo

Kdaj se je torej Zemlja dovolj ohladila, da je lahko na njej vzniknilo življenje? Po prepričanju Johna Valleyja zdaj potrjena rekordna starost avstralskega cirkona kaže, da je bil naš planet sposoben vzdrževati življenje na ravni mikrobov že pred 4,3 milijarde leti.

»Res je, nimamo dokaza, da je takrat življenje že obstajalo. Vendar tudi nimamo dokaza, da ni. Nobenega razloga ne vidim, zakaj ne bi življenje na našem planetu moglo obstajati že pred 4,3 milijarde leti,« je opozoril Valley.

Tega metuzalemskega rekorderja so geologi našli leta 2001 in že takrat z običajno tehniko datiranja na podlagi radioaktivnih izotopov odkrili, da je izredno star. Toda zaradi dvoma, da so morda v tem dolgem obdobju nastale radioaktivne poškodbe, trditve o izjemni starosti geologi niso kar tako sprejeli, pač pa se je razvila desetletje dolga polemika.

Zavajajoča mobilnost sprožila polemiko

Cirkon namreč vsebuje tudi neznatne količine dveh v naravi prisotnih uranovih izotopov, to je atomov urana z različnim številom nevtronov. Uran radioaktivnost počasi izgublja in se spreminja v svinec. Prav s štetjem svinčevih izotopov znanstveniki lahko izmerijo starost kristalov. Toda ko iz urana izstopajo svinčevi atomi, radioaktivni razpad sprošča delce alfa, ki lahko kristal poškodujejo. Zaradi teh poškodb se lahko vanj infiltrirajo tekočine in zunanji elementi in prav zaradi te možnosti so geologi kar dobrih deset let dvomili, ali so avstralski cirkoni res tako zelo stari.

Zadevo je še bolj zapletlo dejstvo, da se lahko uran in svinec prosto gibljeta znotraj kristala in iz njega celo uideta ali vanj vstopita. Ta mobilnost pa je štetje svinčevih izotopov, s katerim so določali cirkonovo starost, postavila pod velik vprašaj. Raziskovalci z univerze Wisconsin so se zato osredotočili prav na to mobilnost v kristalu.

»Če obstaja proces, v katerem se svinec iz enega dela kristala lahko premakne drugam, potem bo tisti del, v katerem se svinec kopiči, pokazal večjo starost kot tisti, iz katerega se je premaknil,« je sklepal Valley.

Skupaj s sodelavci se je z nedavno razvito tehniko tomografije z atomsko sondo lotil natančnega preštevanja svinčevih atomov znotraj dotlej domnevno najstarejšega kristala. Ugotovil je, da so se v cirkonu svinčevi atomi združevali v poškodovanih delih, širokih le nekaj nanometrov, in iz njih ni ušel noben atom.

»Prvič nam je uspelo dokazati, da je cirkon zaprt geokemijski sistem,« pojasnjuje Valley. Njihova ključna ugotovitev, da se svinčevi atomi v cirkonu zadržujejo skupaj, je zadostovala za potrditev, da je starost minerala, ocenjena s tehniko radioaktivnih izotopov, pravilna, in s tem sklenila desetletje dolgo polemiko.