عمل الجيولوجيون هو رواية القصة الحقيقية لتاريخ الأرض - بشكل أدق ، قصة تاريخ الأرض التي هي أصعب من أي وقت مضى. قبل مائة عام ، لم يكن لدينا فكرة عن طول القصة - لم يكن لدينا مقياس جيد للوقت. اليوم ، بمساعدة طرق المواعدة النظائرية ، يمكننا تحديد أعمار الصخور تقريبًا بالإضافة إلى تعيين الصخور نفسها. لذلك ، يمكننا أن نشكر النشاط الإشعاعي ، الذي اكتشف في مطلع القرن الماضي.
الحاجة إلى ساعة جيولوجية
قبل مائة عام ، كانت أفكارنا حول أعمار الصخور وعمر الأرض غامضة. ولكن من الواضح أن الصخور أشياء قديمة جدًا. انطلاقا من عدد الصخور الموجودة ، بالإضافة إلى المعدلات غير المحسوسة للعمليات التي تشكلها - التآكل ، الدفن ، التحجر، رفع - يجب أن يمثل السجل الجيولوجي ملايين لا حصر لها من السنين. هذه البصيرة ، التي تم التعبير عنها لأول مرة في عام 1785 ، هي التي جعلت جيمس هوتون والد الجيولوجيا.
لذلك عرفنا عن "وقت عميق، "ولكن استكشاف ذلك كان محبطًا. لأكثر من مائة عام ، كانت أفضل طريقة لترتيب تاريخها هي استخدام الأحافير أو الطب الحيوي. وقد نجح ذلك فقط في الصخور الرسوبية وبعضها فقط. كانت صخور عصر ما قبل العصر الكمبري تحتوي على عدد أقل من الأحافير النادرة. لا أحد يعرف حتى كم من تاريخ الأرض غير معروف! كنا بحاجة إلى أداة أكثر دقة ، نوعًا من الساعة ، لبدء قياسها.
صعود النظائر المشعة
في عام 1896 ، أظهر اكتشاف هنري بيكيريل العرضي للنشاط الإشعاعي ما يمكن أن يكون ممكنًا. علمنا أن بعض العناصر تخضع لتحلل إشعاعي ، يتغير تلقائيًا إلى نوع آخر من الذرات مع إطلاق دفعة من الطاقة والجسيمات. تحدث هذه العملية بمعدل منتظم ، ثابت مثل الساعة ، ولا تتأثر بدرجات الحرارة العادية أو الكيمياء العادية.
مبدأ استخدام الاضمحلال الإشعاعي كطريقة للمواعدة بسيط. ضع في اعتبارك هذا التشبيه: شواية مليئة بالفحم المحترق. يحرق الفحم بمعدل معروف ، وإذا قمت بقياس مقدار الفحم المتبقي ومقدار الرماد المتشكل ، يمكنك معرفة المدة التي مضى عليها إشعال الشواية.
المكافئ الجيولوجي لإضاءة الشواية هو الوقت الذي تصلب فيه الحبوب المعدنية ، سواء كان ذلك منذ فترة طويلة في الجرانيت القديم أو اليوم فقط في تدفق الحمم البركانية الطازجة. الحبوب المعدنية الصلبة تحبس الفصيلة ذرات مشعة ومنتجات الاضمحلال ، مما يساعد على ضمان نتائج دقيقة.
بعد وقت قصير من اكتشاف النشاط الإشعاعي ، نشر المجربون بعض تواريخ تجارب الصخور. إدراكًا أن تحلل اليورانيوم ينتج الهيليوم ، حدد إرنست رذرفورد عام 1905 عمرًا لقطعة من خام اليورانيوم عن طريق قياس كمية الهيليوم المحبوس فيها. استخدم بيرترام بولتوود في عام 1907 الرصاص ، وهو المنتج النهائي لتحلل اليورانيوم ، كطريقة لتقييم عمر اليورانيوم في بعض الصخور القديمة.
كانت النتائج مذهلة لكنها سابقة لأوانها. يبدو أن الصخور قديمة بشكل مذهل ، وتتراوح أعمارهم بين 400 مليون إلى أكثر من 2 مليار سنوات. ولكن في ذلك الوقت ، لم يكن أحد يعرف عن النظائر. ذات مرة تم تفسير النظائر، خلال 1910s ، أصبح من الواضح أن طرق التأريخ الإشعاعي لم تكن جاهزة لوقت الذروة.
مع اكتشاف النظائر ، عادت مشكلة المواعدة إلى المربع الأول. على سبيل المثال ، تتلاشى سلسلة الاضمحلال من اليورانيوم إلى الرصاص بالفعل - يتحلل اليورانيوم -235 إلى الرصاص 207 ويتحلل اليورانيوم 238 إلى الرصاص 206 ، ولكن العملية الثانية أبطأ سبع مرات تقريبًا. (الذي يجعل يؤرخ الرصاص اليورانيوم مفيدة بشكل خاص.) تم اكتشاف حوالي 200 نظير آخر في العقود القادمة. ثم تم تحديد معدلات الاضمحلال في تلك الإشعاعية في التجارب المعملية المضنية.
بحلول الأربعينيات من القرن العشرين ، أتاحت هذه المعرفة الأساسية والتقدم في الأدوات إمكانية تحديد التواريخ التي تعني شيئًا للجيولوجيين. لكن التقنيات لا تزال تتقدم اليوم لأنه ، مع كل خطوة إلى الأمام ، يمكن طرح مجموعة من الأسئلة العلمية الجديدة والإجابة عليها.
طرق التعارف النظري
هناك طريقتان رئيسيتان للتواعد النظائر. يكتشف المرء ويحسب الذرات المشعة من خلال إشعاعها. استخدم رواد تاريخ الكربون المشع هذه الطريقة لأن الكربون 14 ، النظائر المشعة للكربون ، نشط جدًا ، ويتحلل مع نصف عمر يبلغ 5730 عامًا فقط. تم بناء أول مختبرات للكربون المشع تحت الأرض ، باستخدام مواد قديمة قبل حقبة الأربعينيات من التلوث الإشعاعي ، بهدف إبقاء إشعاع الخلفية منخفضًا. ومع ذلك ، يمكن أن يستغرق الأمر أسابيع من عد المرضى للحصول على نتائج دقيقة ، خاصة في العينات القديمة التي لا تزال فيها ذرات الكربون المشع قليلة جدًا. هذه الطريقة لا تزال قيد الاستخدام للنظائر المشعة النادرة للغاية مثل الكربون 14 والتريتيوم (الهيدروجين -3).
معظم عمليات الاضمحلال ذات الأهمية الجيولوجية بطيئة جدًا بالنسبة لطرق حساب الاضمحلال. تعتمد الطريقة الأخرى على العد الفعلي لذرات كل نظير ، وليس انتظار بعضها للتحلل. هذه الطريقة أصعب لكنها أكثر واعدة. أنه ينطوي على إعداد العينات وتشغيلها من خلال مطياف الكتلة، التي تنخلهم ذرة بذرة وفقًا للوزن تمامًا مثل إحدى آلات فرز العملات المعدنية.
على سبيل المثال ، خذ بعين الاعتبار طريقة تأريخ البوتاسيوم والأرجون. تأتي ذرات البوتاسيوم في ثلاثة نظائر. البوتاسيوم -39 والبوتاسيوم -41 مستقران ، لكن البوتاسيوم -40 يخضع لشكل من الاضمحلال يحوله إلى الأرجون -40 بعمر نصف يبلغ 1277 مليون سنة. وبالتالي كلما كبرت العينة ، كلما قلت النسبة المئوية للبوتاسيوم 40 ، وعلى العكس كلما زادت نسبة الأرجون 40 بالنسبة للأرجون 36 والأرجون 38. يؤدي عد بضعة ملايين من الذرات (سهلة باستخدام ميكروجرامات من الصخور فقط) إلى الحصول على تواريخ جيدة جدًا.
يؤرخ التأريخ النظري للقرن بأكمله من التقدم الذي أحرزناه في تاريخ الأرض الحقيقي. وماذا حدث في تلك المليارات من السنين؟ هذا هو الوقت الكافي لملاءمة جميع الأحداث الجيولوجية التي سمعنا عنها على الإطلاق ، مع ترك المليارات. ولكن مع أدوات المواعدة هذه ، كنا مشغولين في رسم خرائط لوقت عميق ، والقصة تزداد دقة كل عام.