الأدوات والاجراءات اللازمة لقياس عمر العينة الصخرية الجيولوجية

كيف يتم استخدام مطياف الكتلة في قياس الصخور؟

يُقاس عمر العينة الجيولوجية على أقل من جزء من المليار غرام من النظائر الأحفورية الحقيقية، علاوة على ذلك فإن جميع نظائر عنصر كيميائي معين متطابقة تقريباً باستثناء اختلاف بسيط جداً في الكتلة، وتتطلب مثل هذه الظروف أجهزة عالية الدقة والحساسية، وقد يتم استيفاء هذين المطلبين بواسطة مطياف الكتلة الحديث.

تم وصف مقياس الطيف الكتلي عالي الدقة من النوع المستخدم اليوم لأول مرة من قبل الفيزيائي الأمريكي ألفريد أونير في عام 1940، ولكن لم تصبح هذه الأدوات متاحة حتى عام 1950 تقريباً للبحث الجيولوجي.

خطوات التأريخ النظيري باستخدام مطياف الكتلة:

• للتأريخ النظيري باستخدام مطياف الكتلة يتم إنتاج حزمة من الذرات المشحونة أو الأيونات لعنصر واحد من العينة.

• يتم تمرير هذه الحزمة من خلال مجال مغناطيسي قوي في الفراغ، حيث يتم فصلها إلى عدد من الحزم كل منها يحتوي على ذرات لها نفس الكتلة فقط.

• بسبب الشحنة الكهربائية للوحدة على كل ذرة يمكن تقييم عدد الذرات في كل شعاع من خلال جمع الحزم الفردية بالتتابع في جهاز يسمى كوب فاراداي.

• بمجرد دخول هذا المجمع يتم قياس التيار الذي تحمله الذرات أثناء تسريبه عبر المقاوم إلى الأرض.

• التيارات المقاسة صغيرة من 10 إلى 11 أو من 10 إلى 15 أمبير فقط، لذا فإن التدريع والتمهيد الأولي مطلوبان بالقرب من كأس فاراداي قدر الإمكان.

• ليس من الممكن حساب الذرات ببساطة؛ لأن كل الذرات المحملة في المصدر لا تشكل أيونات وتضيع بعض الأيونات في الإرسال أسفل أنبوب الطيران.

• ومع ذلك يمكن الحصول على معلومات دقيقة ودقيقة عن عدد الذرات في العينة عن طريق قياس نسبة عدد الذرات في مختلف الحزم المنفصلة.

• من خلال إضافة نظير خاص مُخصب صناعياً أثناء انحلال العينة وقياس نسبة النظائر الطبيعية إلى النظائر المخصبة في الحزم المجاورة يمكن تحديد عدد النظائر الحقيقية بسهولة.

• يسمى النظير المخصب صناعياً (السنبلة) عادة ما يكون شكلاً شديد النقاء من نظير طبيعي منخفض الوفرة، ولكن السنبلة الأفضل هي نظير ذو كتلة غير موجودة في الطبيعة على الإطلاق، وينتج الرصاص 205 في نوع من معجل الجسيمات يسمى السيكلوترون مثل هذا الارتفاع المثالي.

عندما يتم تسخين العينة وتبخرها تحت الفراغ في منطقة المصدر لمقياس الطيف الكتلي، يُلاحظ عادةً أن النظائر الأخف تؤتي ثمارها أولاً، مما يتسبب في انحياز في القيم المقاسة يتغير أثناء التحليل، وفي معظم الحالات يمكن تصحيح هذا التحيز أو التجزئة إذا كانت النسبة الدقيقة لاثنين من النظائر المستقرة معروفة، وتنتج أحدث الأدوات اليوم قيماً لوفرة نظائر السترونشيوم والنيوديميوم التي يمكن استنساخها على مستوى حوالي 1 في 20000، وغالباً ما تكون هذه الدقة ضرورية في طريقة (isochron) بسبب التغييرات الصغيرة في الوفرة النسبية التي تحدث على مدار الزمن الجيولوجي.

التقدم التقني في معرفة عمر العينات الصخرية على سطح الأرض قديماً:

توفر القدرة على إضافة كتلة صناعية واحدة إلى الطيف بكمية معروفة وتحديد وفرة النظائر الأخرى، فيما يتعلق بذلك أداة تحليلية قوية، عن طريق هذه العملية (المعروفة باسم التخفيف بالنظائر) يمكن تحليل كميات صغيرة غير مرئية من المادة الصخرية، ولأن النسب فقط متضمنة فإن فقدان جزء من العينة أثناء التحضير ليس له أي تأثير على النتيجة، ويمكن معايرة حلول (Spike) ببساطة عن طريق الحصول على شكل عالي النقاء من العنصر الذي تتم معايرته.

بعد إزالة تلوث السطح بعناية يتم إذابة جزء مرجح بدقة من العنصر الصخري في حمض عالي النقاوة وتخفيفه إلى المستوى المطلوب في كمية موزونة من الماء، ومن المهم معرفة أنه ما هو مطلوب هو التخفيف من 1 سم مكعب إلى 1 لتر (0.23 بوصة مكعبة إلى 1 جالون)، حيث يتم تخفيف السنتيمتر المكعب الثاني مرة أخرى إلى لتر ليقترب من نطاق الأجزاء في المليون أو الأجزاء في المليار التي تصادف عادةً في العينات الصخرية.

بهذه الطريقة يمكن خلط عدد معروف من النظائر الطبيعية بكمية معروفة من السنبلة، ويتم تحديد التركيز في محلول السنبلة من نسبة الكتل، وبمجرد اكتمال المعايرة تنعكس العملية ويتم خلط مقدار وزن من السنبلة مع العنصر الحقيقي من معدن أو صخر، ومن ثم تعطي نسبة الكتل عدد الذرات المنتجة بشكل طبيعي في العينة، يسهل استخدام متتبعات النظائر المشعة المعايرة عمليات التحقق من التلوث على الرغم من أن العملية تستغرق وقتاً طويلاً، ويمكن تبخير كمية صغيرة ولكنها معروفة من مادة التتبع المضافة إلى دورق من الماء في ظل ظروف الغرفة النظيفة.

إجراءات لازمة لتحديد أعمار الصخور الأرضية والعناصر قديماً:

تختلف المواد التي تم تحليلها خلال التحقيقات النظيرية من كميات ميكروغرام من الحبوب المعدنية عالية النقاء إلى كميات الجرام من مساحيق الصخور، وفيما يلي بعض الإجراءات التي تلزم الجيولوجي من أجل تحديد أعمار الصخور والمعادن:

• في جميع الحالات يجب إذابة المادة دون تلوث كبير في الصخر ويجب إضافة السنبلة قبل الانحلال.

• يمكن إذابة معظم المعادن الموجودة في الصخور في يوم أو نحو ذلك عند درجة حرارة قريبة من 100 درجة مئوية (212 درجة فهرنهايت).

• قد تتطلب بعض المعادن شديدة المقاومة للحرارة سواء في الطبيعة أو في المختبر (مثل الزركون) خمسة أيام أو أكثر في درجات حرارة قريبة من 220 درجة مئوية (428 درجة فهرنهايت)، في هذه الحالة تكون العينة محصورة في وعاء ضغط مغطى بالمعادن من التيفلون، وقد قدمه عالم الأرض الكندي توماس إي كروغ في عام 1973.

أثبتت الطريقة التي تم وصفها للتو أنها اختراق تقني كبير، حيث أدت إلى تقليل تلوث خلفية الرصاص بعامل يتراوح بين 10000 و1000000 تقريباً، وهذا يعني أنه يمكن الآن تحليل حبة واحدة بمستوى تلوث أقل (أو تصحيح الخلفية)، مما كان ممكناً من قبل باستخدام 100000 حبة مماثلة، وكان التقدم في قياس الطيف الكتلي عالي الحساسية بالطبع ضرورياً لهذا التطور.

بمجرد حل العينة تصبح جاهزة للفصل الكيميائي لعناصر التأريخ، ويتم تحقيق ذلك بشكل عام باستخدام طرق كروماتوغرافيا التبادل الأيوني، في هذه العملية يتم امتصاص الأيونات بشكل مختلف من المحلول على المواد ذات الشحنات الأيونية على سطحها وفصلها عن بقية العينة، وبعد عزل عناصر التأريخ يتم تحميلها في مطياف الكتلة ويتم تحديد وفرة نظائرها النسبية.

يتم تحديد وفرة بعض النظائر المستخدمة للتأريخ من خلال حساب عدد التفككات في الدقيقة (أي نشاط الانبعاث)، والمعدل مرتبط بعدد هذه الذرات الموجودة خلال فترة نصف العمر، على سبيل المثال توجد كمية معينة من الكربون 14 (14 درجة مئوية) في جميع المكونات البيولوجية على سطح الأرض، ويتشكل هذا الكربون المشع باستمرار عندما تصطدم ذرات النيتروجين في الغلاف الجوي العلوي بالنيوترونات الناتجة عن تفاعل الأشعة الكونية عالية الطاقة مع الغلاف الجوي.

في تطور مماثل فإن استخدام مقاييس الطيف الكتلي للتأين الحراري عالي الحساسية يحل محل تقنيات العد المستخدمة في بعض المواعدة غير المتوازنة، ولم يؤدي هذا فقط إلى تقليل حجم العينة وأخطاء القياس، ولكنه سمح أيضاً بالتحقيق في مجموعة جديدة كاملة من المشكلات، وبعض نظائر الجيولوجيا تكون شديدة المقاومة للحرارة ولا تتأين في مقياس طيف الكتلة التقليدي، لحل هذه المشكلة يقوم الباحثون بتطوير أدوات جديدة يمكن من خلالها تبخير كمية صغيرة من المواد من السطح بنبضة من الطاقة وتأيينها بنبضة من ضوء الليزر.