النظائر المشعة واستخداماتها في تاريخ الأرض القديم

ما هو دور النظائر المشعة في تاريخ علم الأرض القديم؟

عندما تشكلت عناصر الأرض لأول مرة كان هناك العديد من النظائر المشعة، ومن بين هذه النظائر تبقى النظائر المشعة ذات عمر النصف طويل للغاية، وتجدر الإشارة إلى أن بعض النظائر المشعة الموجودة في وقت مبكر من تاريخ النظام الشمسي والتي انقرضت تماماً، الآن قد تم تسجيلها في النيازك في شكل وفرة مرتفعة من نظائر حقيقية، ويتيح تحليل هذه النيازك تقدير الوقت المنقضي بين تكوين العنصر وتكوين النيزك.

العناصر الطبيعية التي لا تزال مشعة اليوم تنتج منتجات حقيقية بمعدل بطيء للغاية، ومن ثم فمن السهل تحديد تاريخ معادن قديمة جداً، ولكن يصعب الحصول على عمر تلك التي تكونت في الماضي الجيولوجي الحديث، إن هذا ناتج عن حقيقة أن كمية النظائر الحقيقية الموجودة صغيرة جداً بحيث يصعب قياسها، ويمكن التغلب على هذه الصعوبة إلى حد ما من خلال تحقيق تلوث أقل في الخلفية وتحسين حساسية الأجهزة وإيجاد المعادن ذات النظائر الأم الوفيرة.

استخدامات النظائر الجيولوجية في تاريخ الأرض القديم:

• يمكن تأريخ الأحداث الجيولوجية للماضي غير البعيد بسهولة أكبر باستخدام النظائر المشعة المشكلة حديثاً مع فترات نصف عمر قصيرة تنتج المزيد من المنتجات الوليدة لكل وحدة زمنية.

• يوجد مصدران لهذه النظائر، في إحدى الحالات يمكن عزل النظائر الوسيطة في سلسلة اضمحلال اليورانيوم أو الثوريوم في معادن معينة بسبب الاختلافات في الخصائص الكيميائية.

• وبمجرد تثبيت النظائر يمكن أن تتحلل إلى نظائر جديدة مما يوفر قياساً للوقت المنقضي منذ عزلها.

• لفهم هذه النظائر يحتاج المرء إلى معرفة أنه على الرغم من أن اليورانيوم 238 (238U) يتحلل بالفعل إلى الرصاص 206 (206Pb) فهي ليست عملية من خطوة واحدة، في الواقع هذه عملية متعددة الخطوات تتضمن طرد ثمانية جسيمات ألفا وستة جسيمات بيتا إلى جانب كمية كبيرة من الطاقة، وتوجد سلسلة من العناصر المختلفة كل منها في حالة مستقرة، حيث تتشكل بنفس معدل تفككها، والعدد الحالي يتناسب مع معدل اضمحلالها، حيث تكون الأعضاء طويلة العمر أكثر وفرة.

• نظراً لأن كل هذه النظائر لها فترات نصف عمر قصيرة نسبياً فلا يبقى أي منها منذ تكوين العناصر، ولكن بدلاً من ذلك يتم توفيرها باستمرار من خلال اضمحلال الوالد طويل العمر، وسيتم استكشاف هذا النوع من المواعدة والمعروف باسم المواعدة غير المتوازنة.

نوع خاص آخر من التأريخ يستخدم النظائر المشعة التي تم تشكيلها مؤخراً الناتجة عن قصف الأشعة الكونية للذرات المستهدفة على سطح الأرض أو في الغلاف الجوي، كما أن الكميات المنتجة على الرغم من صغرها توفر نظرة ثاقبة للعديد من العمليات القريبة من السطح في الماضي الجيولوجي، وتزداد أهمية هذا الجانب من الجيولوجيا، حيث يحاول الباحثون قراءة التغييرات العالمية التي حدثت خلال الماضي القريب للأرض في محاولة لفهم المستقبل أو التنبؤ به.

إن أكثر النظائر المشعة المستخدمة على نطاق واسع هي الكربون الذي تبلغ كتلته 14 (14 درجة مئوية)، والذي يوفر طريقة لتأريخ الأحداث التي حدثت على مدار الستين ألف سنة الماضية تقريباً، يشمل هذا الوقت السجل التاريخي وجزء مهماً من سجل ما قبل التاريخ للبشر.

طريقة isochron في معرفة أعمار الصخور الأرضية:

تعتمد العديد من طرق التأريخ الإشعاعي على الإضافات الدقيقة للمنتجات الوليدة إلى صخرة أو معدن، حيث توجد فيه بالفعل كمية كبيرة من النظائر من نوع العناصر المشعة، ولم تأت هذه النظائر من الاضمحلال الإشعاعي في النظام بل تشكلت أثناء الإنشاء الأصلي للعناصر، في هذه الحالة من المزايا الكبيرة تقديم البيانات في شكل يتم فيه توفير وفرة نظائر أساسية والنظائر الحقيقية، فيما يتعلق بوفرة عناصر خلفية أولية، ويمكن بعد ذلك عرض الإضافات المتزايدة لنوع العنصر الحقيقي بما يتناسب مع وفرة الذرات الأم.

كان تأريخ الروبيديوم والسترونشيوم (Rb-Sr) هو أول تقنية تم فيها استخدام طريقة (isochron) للصخرة الكاملة على نطاق واسع، وتم العثور على بعض الصخور التي بردت بسرعة على السطح لتعطي إيزوكرونات خطية محددة بدقة، لكن العديد من الصخور الأخرى لم تفعل ذلك.

أظهرت بعض الدراسات أن الروبيديوم شديد الحركة في السوائل التي تهاجر عبر الصخور أثناء تبريدها، وفي السوائل الموجودة أثناء تعرض الصخور للعوامل الجوية الكيميائية، وأظهرت دراسات مماثلة أن (زوج الوالدين والابنة) السماريوم والنيوديميوم (Sm-Nd) أكثر مقاومة للهجرة الثانوية، ولكن في هذه الحالة يصعب تحقيق الانتشار الأولي الكافي في وفرة النظير الأم.

تحليل المعادن المفصولة عن الصخور قديماً:

عندما تتبلور صخرة نارية قد تتشكل مجموعة متنوعة من المعادن الرئيسية والنادرة، كل منها يركز عناصر معينة وعناصر أثر مشعة داخل الصخر، من خلال الاختيار الدقيق يمكن تحليل بعض المعادن التي تحتوي على القليل من العناصر الحقيقية أو لا تحتوي على عنصر حقيقي، ولكن وفرة من العناصر الأم، وفي هذه الحالة يمكن إعداد رسم بياني يمكن فيه حساب منحدر الخط من القيمة المفترضة للنسبة الأولية، وعادة ما يكون من الممكن إظهار أن أوجه عدم اليقين المتعلقة بهذا الافتراض لا تكاد تذكر.

هذا ممكن في تأريخ البوتاسيوم والأرجون (K-Ar) على سبيل المثال؛ لأن معظم المعادن لا تأخذ الأرجون في هياكلها في البداية، وفي تأريخ الروبيديوم والسترونتيوم تستبعد الميكا السترونشيوم عندما تتشكل، ولكنها تقبل الكثير من الروبيديوم، أما في تأريخ الزركون باليورانيوم (U-Pb)، وجد أن الزركون يستبعد الرصاص الأولي تماماً تقريباً.

المعادن أيضاً هي مركبات كيميائية يمكن التنبؤ بها، ويمكن إظهار أنها تتشكل في درجات حرارة معينة وتبقى مغلقة عند درجات حرارة معينة إذا تم إعادة تسخين الصخور أو تغييرها، ومن ناحية أخرى قد تحتوي الصخرة على معادن تشكلت في أكثر من مرة في ظل مجموعة متنوعة من الظروف، وفي ظل هذه الظروف يمكن أن يشير عزل وتحليل بعض المعادن إلى أي وقت سادت هذه الظروف، مثل:

• إذا كان معدن بسيط منتشراً على نطاق واسع في السجل الجيولوجي، فإنه يكون أكثر قيمة للتأريخ، حيث يمكن قياس المزيد من الوحدات بالنسبة للعمر ومقارنتها بنفس الطريقة.

• إذا كان من الممكن قياس زوج واحد من الذرات المشعة قابل للتحليل الدقيق في مجموعة متنوعة من المعادن فيمكن تحديد أعمار مجموعة متنوعة من أنواع الصخور بطريقة واحدة دون الحاجة إلى المعايرة البينية.

في بعض الحالات يؤدي اكتشاف معدن نادر إلى اختراق كبير؛ لأنه يسمح بتحديد الأعمار الدقيقة في وحدات غير قابلة للتغير سابقاً، على سبيل المثال، تبين أن المعادن (baddeleyite) وأكسيد الزركونيوم (ZrO2) والزيركونوليت (CaZrTi2O7) منتشرة بكميات صغيرة في الصخور البركانية المافيكة (أي تلك التي تتكون أساساً من واحد أو أكثر من المعادن الحديدية ذات اللون الداكن)، هنا يمكن أن يوفر تحليل نظير يورانيوم واحد من الرصاص عمراً أكثر دقة، مما يمكن الحصول عليه باستخدام طريقة (isochron) للصخور الكاملة التي تتضمن العديد من التحليلات.

عندما يتم تحليل معادن مفردة يمكن دراسة كل حبة تحت المجهر تحت ضوء جانبي مكثف، بحيث يمكن الكشف عن التغييرات أو العيوب واستبعادها، وفي حالة استخدام المعادن للتأريخ يتم إجراء الفحوصات اللازمة على الأعمار من خلال تحليل عينات من أكثر من موقع وعن طريق تحليل أحجام الحبوب المختلفة أو أنواع المعادن التي تستجيب بشكل مختلف للأحداث المزعجة، كما يمكن القول أن المعادن توفر درجة عالية من سلامة العينة التي يمكن التنبؤ بها على أساس الخبرة المكتسبة من خلال العديد من التحقيقات في ظل مجموعة متنوعة من الظروف الجيولوجية.