تحليل المعادن وطرق التأريخ النظيري الجيولوجي منذ تشكل الأرض

كيف يتم تحليل المعادن الأرضية منذ تشكل الأرض؟

يتضمن التقدم الكبير في علم الأرض والكيمياء الجيولوجية للنظائر تحليل حبيبات المعادن الموجودة دون انحلال كيميائي، ويستخدم هذا النوع من التحليل المسبار الأيوني الدقيق عالي الدقة (SHRIMP)، وهو مقياس طيف كتلة أيوني ثانوي مزدوج التركيز، حيث يتم توجيه حزمة مركزة من الأيونات على بقعة من 5 إلى 30 ميكرون (1 ميكرون يساوي 0.00004 بوصة) بالقطر على عينة معدنية، وتنفجر هذه العملية الذرات من السطح وبعد تحليل لمدة 15 إلى 20 دقيقة يتم تكوين حفرة بعمق 1 ميكرون تقريباً.

يتم ترشيح الأيونات الثانوية المحررة وتركيزها في محلل إلكتروستاتيكي، ويتم قياسها وفقاً لكتلتها وطاقتها، كان ويليام كومبستون في الجامعة الوطنية الأسترالية هو الرائد في تأريخ اليورانيوم والرصاص للزركون باستخدام هذه الطريقة، على الرغم من أن هذه الطريقة ليست دقيقة مثل طرق الإذابة الكيميائية، إلا أنها تسمح بالدقة المكانية بترتيب عدة ميكرونات، وبالتالي من الممكن تأريخ كل من توقيت تبلور الصخور النارية وعمر بلورات الصخور المغلفة بالصهارة التي نمت عليها حواف الزركون النارية.

هناك تقدم تحليلي حديث آخر في تأريخ الزركون، وهو تطبيق الاجتثاث بالليزر، أي مقياس طيف الكتلة البلازمي المقترن بالحث (LA-ICP-MS) والمقترن بنظام الليزر، ينتج الليزر شعاعاً من الأيونات يركز على بقعة صغيرة بقطر 10 ميكرون، والتي تنتج أثناء التحليل حفرة بعمق يتراوح بين 2 و1200 ميكرون، ويتم تحليل الأيونات الناتجة أثناء الاجتثاث في مطياف الكتلة المقترنة وفقاً للكتلة والطاقة.

على الرغم من أن عدم اليقين التحليلي عادة ما يكون من 1 إلى 4 في المائة (أعلى إلى حد ما من طرق الإذابة الكيميائية ولكن يمكن مقارنته بطرق SHRIMP) تسمح تقنية (LA-ICP-MS) بتأريخ عدد كبير من حبيبات الزركون المفردة بسرعة، وتُستخدم الطريقة بشكل شائع لتحديد مصدر الحبيبات الفتاتية التي تشكل صخوراً رسوبية وهي مهمة تتطلب تحليل أكثر من 100 حبة فردية.

التأريخ النظيري الجيولوجي:

يتطلب التأريخ النظيري المتعلق بالتأريخ الأحفوري قدراً كبيراً من الجهد ويعتمد على المهارات المتخصصة المتكاملة للجيولوجيين والكيميائيين والفيزيائيين، ومع ذلك فهو مورد قيم يسمح بإجراء ارتباطات على مدار تاريخ الأرض بالكامل بدقة ممكنة مرة واحدة فقط مع الوحدات الأحفورية التي تقتصر على آخر 12 في المائة أو نحو ذلك من الزمن الجيولوجي.

على الرغم من أنه يمكن تجربة أي طريقة على أي وحدة، فإن أفضل استخدام لهذا المورد يتطلب بذل كل جهد لمعالجة كل مشكلة بالطريقة الأكثر كفاءة، ونظراً لعمر النصف الطويل لبعض النظم النظيرية أو الخلفية العالية أو النطاق المحدود لوفرة الوالدين، فإن بعض الطرق بطبيعتها أكثر دقة، كما تتجلى مهارة عالم الجيولوجيا الزمنية من خلال القدرة على الحصول على المعرفة المطلوبة والدقة اللازمة بأقل عدد من التحليلات، يتم هنا استكشاف العوامل التي تؤخذ في الاعتبار عند اختيار نهج معين.

طرق التأريخ النظيري:

• طريقة اليورانيوم الرصاص: مع تطوير واختبار وتحسين كل طريقة تأريخ بشكل رئيسي منذ عام 1950 تطور قدر كبير من المعرفة حول سلوك النظم النظيرية المختلفة في ظل ظروف جيولوجية مختلفة، ومن الواضح الآن أنه مع التطورات الحديثة فإن طريقة اليورانيوم الرصاص تتفوق في توفير معلومات دقيقة عن العمر بأقل عدد من الافتراضات.

تطورت الطريقة بشكل أساسي حول معدن الزركون (ZrSiO4)، وبسبب التواجد المحدود لهذا المعدن كان من الصحيح ذات مرة أنه لا يمكن تأريخ سوى بعض الصخور النارية الفلزية؛ (تلك التي تتكون إلى حد كبير من المعادن ذات الألوان الفاتحة والسيليكون والألمنيوم الغنية بالفلدسبار والكوارتز)، اليوم ومع ذلك تم العثور على (baddeleyite ZrO2) و(zirconolite CaZrTi2O7) على نطاق واسع في الصخور البركانية الفقيرة بالسيليكا.

بالإضافة إلى ذلك فقد ثبت أن البيروفسكايت (CaTiO3) وهو مكون شائع لبعض الصخور النارية فوق المافية قابل للتأريخ الدقيق لليورانيوم والرصاص، ونتيجة لهذه التطورات يمكن الآن تقريباً تأريخ جميع الصخور النارية، علاوة على ذلك تم تحسين هذه القدرة؛ لأن أكثر العوامل الجيولوجية الزمنية تقدماً قادرة على تحليل العينات التي تزن بضعة أجزاء من المليون من الجرام، ويمكن العثور على هذه الكمية في عدد كبير نسبياً من الصخور، بينما لا يمكن العثور على الكمية المطلوبة مسبقاً (حوالي 0.1 جرام).

• كرونومتر مزدوج من اليورانيوم والرصاص: إن السبب وراء تفوق التأريخ بين اليورانيوم والرصاص على الطرق الأخرى بسيط، لذلك يوجد كرونومتران من اليورانيوم والرصاص، ونظراً لوجود ذرتين من ذرات اليورانيوم المشع (ذرات الكتلة 235 و238) يمكن حساب عمرين من اليورانيوم والرصاص لكل تحليل، فإذا سقطت النقطة على المنحنى العلوي الموضح (موضع الأعمار المتطابقة) يُقال أن النتيجة متوافقة وقد تم تحديد عمر لا لبس فيه للنظام المغلق.

• طريقة الروبيديوم والسترونشيوم: كان الاضمحلال الإشعاعي للروبيديوم 87 (87Rb) إلى السترونشيوم 87 (87Sr) أول نظام تأريخ مستخدم على نطاق واسع يستخدم طريقة (isochron)، ويعتبر الروبيديوم عنصراً نادراً وفيراً نسبياً في قشرة الأرض، ويمكن العثور عليه في العديد من المعادن الشائعة المكونة للصخور، والتي يحل فيها محل عنصر البوتاسيوم الرئيسي، ونظراً لأن الروبيديوم يتركز في الصخور القشرية، فإن القارات لديها وفرة أعلى بكثير من نظير السترونشيوم 87 مقارنة بالنظائر المستقرة.

• (السماريوم) طريقة النيوديميوم: لقد ثبت أن الاضمحلال الإشعاعي للسماريوم الذي يبلغ كتلته 147 (147 سم) إلى نيوديميوم كتلته 143 (143 نيوتن دي) قادر على توفير أعمار متساوية زمنية مفيدة لبعض المواد الجيولوجية، وينتمي كل من هذه العناصر إلى مجموعة عناصر الأرض النادرة، والتي هي نفسها موضوع العديد من التحقيقات الجيولوجية.

إن جميع أعضاء هذه المجموعة لديهم خصائص كيميائية وشحنة متشابهة، لكنهم يختلفون بشكل كبير في الحجم؛ لهذا السبب يتم إزالتها بشكل انتقائي، حيث يتم ترسيب معادن مختلفة من الذوبان، وبالمعنى المعاكس يمكن أن تشير وفرتها النسبية في الذوبان إلى وجود بعض المعادن المتبقية أثناء الذوبان الجزئي، على عكس الروبيديوم المخصب فوق السترونشيوم في القشرة يتم إثراء السماريوم نسبياً فيما يتعلق بالنيوديميوم الموجود في الوشاح.

التأريخ بالكربون -14 وطرق تكوين الكون الأخرى:

يوفر وجود الكربون المشع الطبيعي في الغلاف الجوي فرصة فريدة لتأريخ المواد العضوية التي يعود تاريخها إلى ما يقرب من 60 ألف عام، وعلى عكس معظم طرق التأريخ النظيرية لا تعتمد تقنية التأريخ بالكربون -14 التقليدية على حساب نظائر الأبناء، بل إنه يعتمد بدلاً من ذلك على الاضمحلال التدريجي أو اختفاء النظير الأساسي المشع مع مرور الوقت.

بدأ اكتشاف الكربون الطبيعي 14 بواسطة الكيميائي الأمريكي ويلارد ليبي من الولايات المتحدة بإدراكه أن العملية التي أنتجت الكربون المشع في المختبر، كانت تجري أيضاً في الغلاف الجوي العلوي للأرض، أي قذف النيتروجين بالنيوترونات الحرة، ويُفترض أن ذرات الكربون 14 التي تم إنشاؤها حديثاً تتفاعل مع الأكسجين الجوي لتكوين جزيئات ثاني أكسيد الكربون (CO2).

وهكذا تم تصور الكربون المشع على أنه يكتسب الدخول حيثما يدخل ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي إلى:

• النباتات البرية عن طريق التمثيل الضوئي.

• الحيوانات التي تتغذى على النباتات.

• يوجد في المياه البحرية والعذبة كمكون مذاب.

• عثر في النباتات والحيوانات المائية.

منذ دراسات الجيولوجيين التأسيسية تم إجراء عشرات الآلاف من قياسات الكربون 14 للمواد الطبيعية الصخرية على سطح الأرض، وتم التعبير عنها بجزء صغير من المستوى المعاصر، وقد كان علم الآثار هو المستفيد الرئيسي من التأريخ بالكربون المشع، ولكن الدراسات الجيولوجية المتأخرة عن العصر الجليدي وما بعد الجليدي قد تم دعمها أيضاً بشكل كبير.