Định tuổi urani–chì đo lượng chì sinh ra từ urani trong những tinh thể như zircon. Zircon nhận urani nhưng gần như không nhận chì khi kết tinh, lại có hai chuỗi phân rã chạy song song tự kiểm nhau, nên đây là cách chính xác nhất để đo đá hàng triệu tới hàng tỷ năm.
Khi nghe con số tuổi Trái Đất khoảng 4,54 tỷ năm, hay ranh giới tuyệt chủng của khủng long khoảng 66 triệu năm, phần lớn những con số ấy đứng trên nền định tuổi urani–chì. Phương pháp này đòi hỏi phòng thí nghiệm tinh vi, nhưng ý tưởng của nó khá dễ hiểu, và hiểu nó giúp bạn tin con số vì đúng lý do chứ không phải vì “sách nói vậy”.
Hai đồng hồ trong một hạt khoáng
Urani tự nhiên có hai đồng vị phóng xạ chính. Urani-238 phân rã qua một chuỗi dài nhiều bước rồi dừng ở chì-206, với chu kỳ bán rã khoảng 4,47 tỷ năm. Urani-235 phân rã qua chuỗi khác về chì-207, với chu kỳ bán rã khoảng 704 triệu năm. Hai đồng hồ này chạy với tốc độ khác nhau nhưng bắt đầu cùng lúc trong cùng một tinh thể.
Nếu tinh thể giữ kín mọi thứ từ lúc hình thành, hai đồng hồ sẽ cho cùng một tuổi. Người ta gọi kết quả như vậy là “đồng thuận”, và biểu diễn trên một đồ thị có đường cong chuẩn gọi là đường concordia. Nếu tinh thể từng mất chì do một biến cố nhiệt sau này, hai tuổi sẽ lệch nhau theo một kiểu có thể tính được, và nhiều khi còn cho biết luôn thời điểm biến cố đó.
Đây là ưu thế lớn của urani–chì so với nhiều đồng hồ khác: nó có sẵn phép kiểm chéo bên trong, không cần một phương pháp thứ hai để biết kết quả có đáng tin hay không.
Có thể hình dung bằng hai chiếc đồng hồ cát đặt chung trong một hộp kín: một chiếc chảy rất chậm, một chiếc chảy nhanh hơn chừng sáu lần. Mở hộp ra, nếu cả hai cùng chỉ một khoảng thời gian, ta yên tâm không ai đã đụng vào hộp. Nếu một chiếc bị rơi bớt cát, hai số đọc sẽ vênh nhau, và mức vênh cho biết hộp đã bị mở vào lúc nào.
Vì sao zircon là tinh thể lý tưởng?
Zircon là khoáng vật zirconi silicat, thường chỉ dài vài chục tới vài trăm micromet, nhỏ hơn hạt cát mịn. Khi kết tinh từ magma, mạng tinh thể của nó dễ nhận urani vào vị trí của zirconi nhưng gần như đẩy chì ra ngoài. Nghĩa là gần như toàn bộ chì tìm thấy trong zircon sau này đều sinh ra từ urani tại chỗ, đồng hồ bắt đầu ở mức gần bằng không.
Zircon còn cực kỳ bền. Nó chịu được phong hoá, bị cuốn trôi, vùi lấp, thậm chí nằm trong đá bị nung lại mà vẫn giữ phần lõi. Nhiều hạt zircon có các lớp tăng trưởng như vòng cây: lõi cổ, vỏ trẻ hơn, mỗi lớp ghi một sự kiện. Máy đo hiện đại dùng chùm ion hoặc tia laser bắn vào từng điểm trên hạt để đo riêng lõi và vỏ.
Ngoài zircon, các khoáng vật khác như monazit, apatit, titanit cũng dùng cho urani–chì, mỗi loại phù hợp với một kiểu đá và kiểu câu hỏi.
Quá trình chuẩn bị mẫu khá công phu. Một khối đá vài ki-lô-gam được nghiền nhỏ, tách khoáng nặng bằng bàn đãi và dung dịch nặng, rồi tách tiếp bằng từ trường. Cuối cùng, người làm thí nghiệm ngồi dưới kính hiển vi nhặt từng hạt zircon bằng kim nhỏ, chọn những hạt trong, ít vết nứt, ít bao thể, gắn lên đĩa nhựa và mài lộ mặt cắt để chụp ảnh các lớp tăng trưởng trước khi đo.
Urani–chì trả lời được những câu hỏi nào?
Bảng dưới gom các ứng dụng chính, kèm những con số phổ biến trong tài liệu địa chất phổ thông.
| Câu hỏi | Mẫu dùng | Con số tham khảo | Ghi chú |
|---|---|---|---|
| Tuổi Trái Đất | thiên thạch, đối chiếu đồng vị chì của Trái Đất | khoảng 4,54 tỷ năm, sai số khoảng 1% | đá Trái Đất cổ nhất đã bị tái chế nên phải dùng thiên thạch |
| Khoáng vật cổ nhất trên Trái Đất | hạt zircon trong đá trầm tích | khoảng 4,4 tỷ năm | hạt sót lại từ đá đã mất |
| Đá cổ nhất còn tồn tại | đá gơnai, đá biến chất | khoảng 4 tỷ năm | vài vùng nền cổ ở Bắc Mỹ, Greenland, Australia |
| Ranh giới kỷ địa chất | tro núi lửa kẹp trong trầm tích | độ chính xác có thể tới hàng chục nghìn năm cho mốc hàng chục triệu năm | kết hợp với argon–argon |
| Tuổi đá granit một vùng | zircon trong granit | tuỳ vùng | cho biết thời điểm magma kết tinh |
Các con số trên ghi “khoảng” vì mỗi lần đo có sai số riêng và cộng đồng địa chất cập nhật khi có kết quả mới.
Tuổi Trái Đất được tính như thế nào?
Vì sao không đo đá Trái Đất?
Bề mặt Trái Đất liên tục bị tái chế qua kiến tạo mảng, phong hoá và nóng chảy. Đá nguyên thuỷ của thời mới hình thành không còn. Những gì cổ nhất ta có chỉ là những hạt zircon lẻ khoảng 4,4 tỷ năm và vài khối đá khoảng 4 tỷ năm, tức là trẻ hơn chính hành tinh.
Dùng thiên thạch làm mẫu đại diện
Thiên thạch là mảnh vật chất hình thành cùng thời với các hành tinh trong Hệ Mặt Trời và ít bị biến đổi. Giữa thế kỷ XX, phép đo đồng vị chì trên thiên thạch, đối chiếu với chì trong trầm tích đại dương đại diện cho Trái Đất, cho ra con số khoảng 4,5 tỷ năm. Các đo đạc sau này tinh chỉnh thành khoảng 4,54 tỷ năm, sai số chừng năm mươi triệu năm.
Vì sao con số đáng tin
Nhiều thiên thạch khác nhau, đo ở nhiều phòng thí nghiệm, bằng nhiều cặp đồng vị khác nhau như urani–chì, chì–chì, rubiđi–stronti, đều hội tụ về cùng một khoảng. Mẫu đất đá từ Mặt Trăng cũng không cổ hơn con số ấy. Sự hội tụ từ nhiều nguồn độc lập là nền tảng của độ tin cậy.
Sai số và giới hạn cần biết
Sai số tương đối rất nhỏ nhưng tuyệt đối có thể lớn. Một phần nghìn của 500 triệu năm vẫn là nửa triệu năm. Đọc sai số luôn phải nhìn cả hai mặt.
Không phù hợp với vật liệu trẻ. Urani–chì cần thời gian đủ dài để chì tích tụ đo được; với vật liệu khảo cổ vài nghìn năm, người ta dùng carbon-14 hay urani–thori.
Đo thời điểm kết tinh, không phải lắng đọng. Zircon trong đá trầm tích cho biết tuổi của đá gốc đã bị bào mòn, không phải lúc trầm tích lắng xuống. Tuổi lắng đọng chỉ bị chặn ở mức trẻ hơn hạt zircon trẻ nhất.
Cần phòng thí nghiệm sạch chì. Chì có mặt khắp nơi trong môi trường hiện đại; việc chống nhiễm chì từng là thách thức lớn và đến nay vẫn đòi hỏi quy trình nghiêm ngặt.
Gợi ý cho giáo viên khi dạy về tuổi Trái Đất
- Bắt đầu từ câu hỏi: vì sao không thể lấy hòn đá cổ nhất để đo? Học sinh sẽ tự dẫn tới vòng tuần hoàn đá.
- Dùng hình ảnh hai chiếc đồng hồ cát chảy tốc độ khác nhau trong cùng một hộp để giải thích hai chuỗi urani.
- Nhấn mạnh con số khoảng 4,54 tỷ năm đến từ sự hội tụ của nhiều phép đo, không từ một thí nghiệm duy nhất.
- Phân biệt tuổi Trái Đất với tuổi vũ trụ, con số thuộc một ngành khác và dùng phương pháp khác.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao zircon được dùng nhiều nhất để định tuổi urani–chì?
Vì zircon nhận urani nhưng gần như không nhận chì khi kết tinh, lại rất bền trước phong hoá và nhiệt. Gần như mọi lượng chì đo được trong zircon đều sinh ra từ urani tại chỗ.
Tuổi Trái Đất là bao nhiêu và biết bằng cách nào?
Khoảng 4,54 tỷ năm, sai số chừng năm mươi triệu năm. Con số đến từ định tuổi đồng vị chì trên thiên thạch hình thành cùng Hệ Mặt Trời, được nhiều phương pháp độc lập xác nhận.
Đường concordia là gì?
Là đường trên đồ thị biểu diễn các điểm mà hai đồng hồ urani-238 sang chì-206 và urani-235 sang chì-207 cho cùng một tuổi. Mẫu nằm trên đường này được coi là chưa bị mất hay nhận thêm chì.
Urani–chì có dùng cho đồ khảo cổ được không?
Hầu như không, vì chì tích tụ quá ít trong vài nghìn năm. Đồ khảo cổ dùng carbon-14, phát quang, hoặc urani–thori với thạch nhũ và san hô.
Đá cổ nhất Trái Đất bao nhiêu tuổi?
Những khối đá cổ nhất còn tồn tại khoảng 4 tỷ năm, còn các hạt zircon lẻ cổ nhất khoảng 4,4 tỷ năm, sót lại trong đá trầm tích trẻ hơn.