أعمار الصخور والنظائر منذ أن تشكلت الأرض

كيف تغيرت أعمار النظائر والعناصر منذ تشكل سطح الأرض؟

منذ أن تشكلت الأرض ازدادت وفرة نظائر مشعة وعناصر أخرى بمرور الوقت، فعلى سبيل المثال تغيرت نسبة الرصاص من الكتلة 206 إلى الكتلة 204 من القيمة الأولية التي كانت حوالي 10 عندما تشكلت الأرض إلى متوسط ​​قيمة حوالي 19 في الصخور على سطح الأرض اليوم، وهذا صحيح لأن اليورانيوم ينتج باستمرار المزيد من الرصاص، إن المعدن الغني بالرصاص الذي تم تكوينه وعزله في وقت مبكر من تاريخ الأرض سيكون له نسبة منخفضة من الرصاص 206 إلى الرصاص 204؛ لأنه لم يتلق إضافات لاحقة من خلال التحلل الإشعاعي لليورانيوم.

أهم المعلومات عن النظائر في سطح الأرض القديم:

• إذا كان باطن الأرض عبارة عن خزان بسيط ومتجانس، فيما يتعلق بنسبة اليورانيوم إلى الرصاص فإن عينة واحدة يستخرجها بركان ستوفر وقت الاستخراج، وهذا من شأنه أن يسمى عمر النموذج، لكن لا توجد قيمة بين العناصر والنظائر الحقيقية لنظام مغلق.

• بدلاً من ذلك مجرد قياس نظيري واحد للرصاص ينظر إليه، فيما يتعلق بالتطور المتوقع للرصاص على الأرض وفيها، ولسوء الحظ فإن الافتراض المبسط في هذه الحالة غير صحيح وأعمار النموذج الرئيسي تقريبية في أحسن الأحوال.

• يمكن حساب أعمار النماذج (نماذج العناصر والنظائر على سطح الأرض) الأخرى باستخدام نظائر النيوديميوم عن طريق استقراء القيم الحالية إلى خط تطور الوشاح المقترح.

• في كلتا الحالتين إن الأعمار التقريبية التي لها درجة من الصلاحية فيما يتعلق بنتيجة أخرى، لكنها تدريجياً أقل موثوقية، حيث يتم انتهاك الافتراضات التي يتم حساب النموذج على أساسها.

• تكتسب الزيادة التدريجية في وفرة النظائر الحقيقية بمرور الوقت أهمية خاصة، حيث يتم إثراء العنصر الأم بشكل تفضيلي إما في الوشاح أو القشرة.

على سبيل المثال يتركز الروبيديوم في القشرة، ونتيجة لذلك فإن القارات الحالية المعرضة للعوامل الجوية لديها نسبة إشعاعية مرتفعة إلى نظائر مستقرة (87Sr / 86Sr) تبلغ 0.720، في المقابل تشير الصخور البركانية الحديثة في المحيطات إلى أن معظم الوشاح له قيمة بين حوالي 0.703 و0.705، وفي حالة إعادة تدوير مادة القشرة فإن توقيع نظائر السترونشيوم للذوبان سيكون تشخيصياً.

دلائل على وجود أعمار متعددة لصخرة واحدة – التأثير الحراري:

• تسجل الأحافير العمر الأولي أو البدائي لوحدة الصخور، من ناحية أخرى فإنه يمكن للأنظمة النظيرية أن تنتج إما العمر الأولي أو وقت حدث لاحق؛ لأن المواد البلورية محددة جداً في أنواع الذرات التي تدمجها من حيث الحجم والشحنة الذرية.

• يختلف العنصر الذي يتكون من الاضمحلال الإشعاعي تماماً عن الذرة الأم، وبالتالي فهو في غير مكانه بالنسبة للمعدن المضيف، إن كل ما يتطلبه الأمر لإزالة هذا العنصر من المعدن هو حرارة كافية للسماح بالانتشار الصلب.

• كل معدن له درجة حرارة يتم عندها الانتشار السريع، بحيث أنه كمنطقة يتم تسخينها ببطء يفقد أحد المعادن أولاً ثم الآخر نظائره، وعندما يحدث هذا يتم إعادة ضبط الساعة النظيرية إلى الصفر، حيث تبقى حتى يبرد المعدن تحت درجة حرارة الانسداد.

هذه هي درجة الحرارة التي يصبح دونها المعدن نظاماً كيميائياً مغلقاً لسلسلة تحلل إشعاعي معينة، وبناءً على ذلك تشير النسبة النظيرية بين الوالدين إلى الابنة إلى الوقت المنقضي منذ الوصول إلى تلك العتبة الحرجة)، وفي هذه الحالة يمكن أن يحتوي المعدن المضيف العمر المطلق أقدم بكثير مما هو مسجل في السجل النظيري.

• قد يسمى العمر النظيري بعصر التبريد، بل إنه من الممكن باستخدام سلسلة من المعادن ذات درجات حرارة إعاقة مختلفة لإنشاء تاريخ تبريد لجسم صخري، أي الأوقات منذ أن تم تبريد الجسم الصخري تحت درجات حرارة منخفضة بشكل متتابع.

• يمكن أن تكون مثل هذه المحاولات معقدة بسبب حقيقة أن المعدن قد ينمو تحت درجة حرارة الانسداد بدلاً من أن يصبح ببساطة مغلقاً أمام الهجرة النظيرية، وعندما يحدث هذا فإن العمر لا علاقة له بوقت التبريد.

• تنشأ مشكلة أخرى إذا خضعت المنطقة لحدث إعادة التسخين الثاني، وقد تسجل معادن معينة الحدث الأول بينما قد يسجل البعض الآخر الحدث الثاني، وأي اقتراح للتبريد التدريجي بين الاثنين غير صالح.

• لا تنشأ أي من المضاعفات عند حدوث التبريد السريع، وتعد الأعمار المتطابقة لمجموعة متنوعة من المعادن ذات درجات حرارة منع مختلفة على نطاق واسع دليلاً لا لبس فيه على التبريد السريع.

نظرة الجيولوجيين لأعمار الصخور منذ تشكل الأرض:

لحسن الحظ بالنسبة للجيولوجيين، فإن الصخرة نفسها تسجل في قوامها ومحتواها المعدني ظروف تكوينها، ويمكن توقع أن تكون الصخور المتكونة على السطح مع عدم وجود ما يشير إلى دفن عميق أو نمو معادن جديد عمراً أولياً صالحاً بفضل المعادن ذات درجات الحرارة المنخفضة.

من ناحية أخرى لا يمكن للمعادن ذات نقطة الانسداد المنخفضة من صخرة تحتوي على معادن تشير إلى درجات حرارة وضغوط عالية، حيث أن تعطي عمراً أولياً صالحاً، ومن المتوقع أن تظل هذه المعادن مفتوحة حتى يتم رفع الصخور العميقة من هذا النوع وتبريدها.

بالنظر إلى هذه العوامل المعقدة يمكن للمرء أن يفهم بسهولة لماذا يقضي علماء الجيولوجيا الزمنية قدراً كبيراً من وقتهم وجهدهم في محاولة رؤية الأحداث الحرارية التي حدثت بعد تشكل الصخور، وإنه لا يمكن المبالغة في أهمية تحديد وتحليل المعادن ذات درجات حرارة الحجب العالية، تعتبر المعادن ذات درجات الحرارة العالية التي تمنع تكوينها فقط في درجات حرارة عالية ذات قيمة خاصة، وبمجرد تكوينها يمكن لهذه المعادن أن تقاوم فقدان البنت وتسجيل العمر الأولي على الرغم من أنها ظلت ساخنة (على سبيل المثال 700 درجة مئوية) لفترة طويلة.

يعتبر معدن الزركون القابل للتأرجح بواسطة طريقة اليورانيوم (الرصاص أحد هذه المعادن يحتل البيوتايت المعدني الميكا المؤرخ إما بطريقة البوتاسيوم) الأرجون أو بطريقة الروبيديوم والسترونتيوم، الطرف الآخر من الطيف ولا يحتفظ بالمنتجات الوليدة حتى يتم تبريده إلى أقل من 300 درجة مئوية، ويتم تسجيل درجات حرارة أعلى متتالية للحظر لنوع آخر من الميكا يُعرف باسم المسكوفيت والأمفيبول، ولكن يمكن إعادة ضبط أعمار هذين المعدنين تمامًا في درجات حرارة ذات تأثير ضئيل أو معدوم على الزركون.

بالنظر إلى المنظور فإنه من الواضح أن أجزاء كثيرة من قشرة الأرض شهدت إعادة تسخين درجات حرارة أعلى من 300 درجة مئوية، أي أن إعادة ضبط أعمار عنصر المايكا أمر شائع جداً في الصخور المتكونة على مستويات القشرة العميقة، وقد تم تحديد مناطق شاسعة داخل الدرع الكندي، والتي لها أعمار متطابقة تعكس تاريخ تبريد مشترك (تسمى هذه المقاطعات الجيولوجية)، وعلى النقيض من ذلك فإن الصخور التي اقتربت من نقطة الانصهار (لنقل 750 درجة مئوية اي 1،382 درجة فهرنهايت، والتي يمكن أن تسبب نمواً جديداً للزركون خلال حدث حراري ثانٍ) نادرة وتلك التي فعلت ذلك أكثر من مرة تكاد تكون معدومة.