التأريخ المطلق للصخور

• أتعرّف عُمر الصخور باستخدام التأريخ المُطلق.
• أربط بين العُمر المُطلق للنيازك وعُمر الأرض والشمس.

النشاط الإشعاعي: لماذا تتحلّل بعض الذرات؟

درستُ سابقًا أنّ التأريخ النسبي يُرتّب الأحداث الجيولوجية التي مرّت بسطح الأرض وَفْقًا لحدوثها، ولكنه لا يُحدّد زمن تلك الأحداث أو أعمار الصخور بدقة (بالسنوات)

• لذا لجأ العلماء إلى استخدام طرائق أخرى تعتمد على النشاط الإشعاعي للعناصر المشعة الموجودة في الصخور لإعطائها أعمارًا مُحدّدة
• يتكوّن العنصر من النوع نفسه من الذرات، ويُحدّد نوعه بعدد البروتونات الموجودة في نواته، في ما يُعرف بالعدد الذري للعنصر.
• قد يختلف عدد النيوترونات في نواة ذرة العنصر الواحد؛ وهذا يُسبّب اختلاف العدد الكُتلي له.

• العدد الذري لعنصر الكربون ⁦(C)⁩ هو 6؛ لأنّه يحتوي ستة بروتونات في نواته
• تحتوي بعض عناصره أعدادًا مختلفة من النيوترونات، مثل: 6، 7، 8؛ لذا توجد نظائر مختلفة، منها: ⁦12C⁩، ⁦13C⁩، ⁦14C⁩.

• ترتبط البروتونات والنيوترونات معًا في معظم ذرات النظائر بقوى ترابط نووية قوية، ولذلك تكون معظم النظائر مستقرة.
• إلا أنّ بعض النظائر تكون غير مستقرة؛ أي مشعة، فتتحلّل ذراتها تلقائيًا بإطلاق جُسيمات ألفا ⁦(α)⁩ وبيتا ⁦(β)⁩ وأشعة غاما ⁦(γ)⁩، مُنتجة نظائر أكثر استقرارًا.
• وقد يستمرّ التحلّل الإشعاعي لبعض الذرات في عدد من المراحل حتى يتكوّن نظير مستقر؛ أي غير مشع.
• فمثلاً، يتحلّل اليورانيوم ⁦238U⁩ بمرور الزمن مُكوّنًا نظير الرصاص ⁦206Pb⁩ المستقر.

عُمر النصف: كم ننتظر حتى يتحلّل نصف الذرات؟

• تتحلّل نظائر العناصر المشعة إلى نظائر مستقرة في زمن مُحدّد ثابت يُسمّى عُمر النصف.

• يبيّن الشكل (18) أنّ مُدّة عُمر النصف في البداية تساوي صفرًا، وهذا يدلّ على أنّ الاضمحلال الإشعاعي لم يبدأ بعد.
• يُلاحظ أنّ العيّنة تقتصر بداية (حين تكون مُدّة عُمر النصف صفرًا) على النظيرة الأم المشعة بنسبة 100% كما يظهر في المنحنى الأزرق
• عندئذ تكون نسبة النظيرة الوليدة المستقرة صفرًا أيضًا كما يظهر في المنحنى الأحمر.

• وبزيادة عدد مُدد عُمر النصف يبدأ النقصان في النسبة المئوية لذرات النظيرة الأم المشعة المتبقية تقابله زيادة في النسبة المئوية لذرات النظيرة الوليدة المستقرة حتى تقترب النسبة المئوية لذرات الأم المشعة المتبقية من الصفر.

ولنفهم المنحنيين عمليًا، نمذجهما بالقصّ والرسم.

أُوضِّح العلاقة بين النظيرة الأُمّ المشعّة والنظيرة الوليدة المستقرة.

أقارن بين منحنى كل من النظيرة الأم المشعة المتبقية والنظيرة الوليدة المستقرة في مُدّة عُمر النصف الثانية.

أحدّد: ماذا تُسمّى النظيرة المشعة عند مُدّة عُمر النصف صفر؟

أحسُب النسبة بين النظيرة الأم المشعة المتبقية والنظيرة الوليدة المستقرة عند مُدّة عُمر النصف الثالثة.

أقارن بين منحنى النظيرة الأم المشعة المتبقية ومنحنى النظيرة الوليدة المستقرة.

أستنتج قيمة النظيرة الوليدة المستقرة بعد مُدّة عُمر النصف الخامسة.

التأريخ المُطلق: كم عُمر الصخر بالسنوات؟

• تُستخدم عملية الاضمحلال الإشعاعي لتحديد الأعمار المُطلقة للصخور والأحداث الجيولوجية التي مرّت بسطح الأرض.

• يُمثّل العُمر المُطلق عدد السنوات التي انقضت منذ تشكّل المعدن وانحباس النظيرة الأم المشعة داخله حتى وقتنا الحاضر.
• يستخدم العلماء جهاز مطياف الكتلة في قياس نسبة النظيرة الأم المشعة إلى النظيرة الوليدة المستقرة في عيّنة المعدن
• ثم حساب النظيرة الأم الأصلية لتحديد مُدد عُمر النصف التي انقضت منذ بدء الاضمحلال الإشعاعي.
• وكلّما كانت العيّنة المأخوذة من الصخر المراد قياسه أقدم، احتوت كميّة أكبر من النظيرة الوليدة المستقرة.

• ومن المعادن المُستخدمة في تحديد العُمر المُطلق للصخور، معدن الزركون الذي يحوي عنصر اليورانيوم المشع لحظة تبلوره، ولكنه لا يحوي عنصر الرصاص

أي النظائر تصلح لتأريخ الصخور؟

• توجد في الطبيعة العديد من النظائر المشعة. كما تعرّفتُ سابقًا، فإنّ الزمن اللازم لاضمحلال تلك النظائر وتحلّلها إلى نظائر وليدة مستقرة دائمًا ثابت.

• وفي المقابل، فإنّ العديد من تلك النظائر تحتاج إلى سلسلة من التحوّلات حتى تصل إلى نظيرة وليدة مستقرة مثل نظائر اليورانيوم.
• يستخدم العلماء خمسة نظائر على نحوٍ خاص في تحديد الأعمار المُطلقة للصخور، وهي: اليورانيوم ⁦(238U)⁩، اليورانيوم ⁦(235U)⁩، البوتاسيوم ⁦(40K)⁩، الروبيديوم ⁦(87Rb)⁩، الكربون ⁦(14C)⁩؛ ذلك أنّ عُمر النصف لمعظمها يوازي الأحداث الجيولوجية

• عُمر النصف في الجدول غير مطلوب للحفظ.

حساب عُمر الصخر خطوة بخطوة

يُمكن حساب العُمر المُطلق للصخور التي تحوي نظائر مشعة باتّباع الخطوات الآتية:

• تحديد عدد ذرات كلّ من النظيرة الأم المشعة المتبقية، والنظيرة الوليدة المستقرة.
• يُمكن إيجاد النظيرة الأم المشعة الأصلية التي تمثّل ذرات العنصر المشع لحظة تبلور المعدن، وبدء عملية الاضمحلال الإشعاعي كالآتي:

• $N_0$: عدد ذرات النظيرة الأم المشعة الأصلية.
• $N_p$: عدد ذرات النظيرة الأم المشعة المتبقية.
• $N_d$: عدد ذرات النظيرة الوليدة المستقرة.

• تحديد عدد مُدد عُمر النصف ⁦(n)⁩ بإيجاد نسبة عدد الذرات النظيرة الأم المشعة المتبقية إلى عدد ذرات النظيرة الأم المشعة الأصلية.
• أو باستخدام العلاقة الآتية:

• n: عدد مُدد عُمر النصف.
• إيجاد العُمر المُطلق للمعدن أو الصخر عن طريق ضَرْب عدد مُدد عُمر النصف الخاصة بالعيّنة في قيمة عُمر النصف للعنصر المشع المُستخدم كما في المعادلة الآتية:

• T: العُمر المُطلق.
• $T_{\frac{1}{2}}$: عُمر النصف.

1. أقيس الذرات: أحدّد عدد ذرات النظيرة الأم المتبقية وعدد ذرات النظيرة الوليدة.
2. أجمع: أجمعهما لأجد عدد ذرات النظيرة الأم الأصلية.
3. أحسب المُدد: أقارن المتبقية بالأصلية لأجد عدد مُدد عُمر النصف.
4. أضرب: أضرب عدد المُدد في عُمر النصف فأحصل على العُمر المُطلق.

وماذا لو أعطانا السؤال أعداد الذرات بدل الكتل؟

جرّب الآن مسألة أحفورة بنفسك.

هل نستطيع تأريخ كل أنواع الصخور؟

تعلمتُ سابقًا أنّ العلماء والمؤرّخين يستخدمون التأريخ الإشعاعي في تحديد أعمار الصخور والأحداث الجيولوجية التي مرّت بسطح الأرض، فهل يُمكن تأريخ أعمار جميع أنواع الصخور؟ وما أفضل أنواع الصخور التي يُمكن تأريخها بالنشاط الإشعاعي؟

الصخور النارية: أفضل الصخور للتأريخ

• تُعدّ الصخور النارية أفضل الصخور استخدامًا في التأريخ الإشعاعي
• ذلك أنّ معادنها التي تُستخدم في التأريخ الإشعاعي عند تبلورها من الماغما تحوي النظيرة الأم المشعة فقط
• ثم تتحلّل بمرور الزمن إلى نظيرة وليدة مستقرة، وتحتفظ البلورات بكلتا النظيرتين من دون كسب أو فقدان.
• ولهذا، فإنّ عُمر الصخر الناري الذي يقاس بطرائق التأريخ الإشعاعي يشير إلى عُمر الصخر منذ لحظة تبلور المعادن المُكوّنة له من الماغما، وانحباس النظيرة الأم المشعة في البلورة، لا عند نشأة الماغما.

• يُبيّن الشكل (20) تحلّل ذرات النظيرة الأم المشعة الأصلية إلى ذرات نظيرة وليدة في بلّورات أحد المعادن في الصخور النارية
• ويُلاحظ من الشكل (20/ أ) توزّع ذرات النظيرة الأم المشعة الأصلية في الماغما.

• وما إن تبرد الماغما، حتى تبدأ المعادن
• المختلفة تتبلور فيها، وتحبس النظيرة الأم المشعة الأصلية في التركيب البلّوري للمعدن.
• أما في الشكل (20/ب) فيُلاحظ أنّ عُمر الصخور أصبح صفرًا، وأنّ عدد مُدد النصف المنقضية هو أيضًا صفر

كم نسبة الذرات الأم المشعة المتبقية إلى ذرات النظيرة الوليدة المستقرة إذا مرّت مُدّتان من عُمر النصف؟

الصخور المُتحوّلة: تؤرّخ التحوّل لا الأصل

• عند تعرّض مختلف أنواع الصخور لعوامل التحوّل من حرارة وضغط، وحدوث إعادة تبلور لها، فإنّ ذلك قد يؤدّي إلى فتح النظام الإشعاعي
• وحدوث كَسْب أو فَقْد للنظيرة الأم المشعة، أو النظيرة الوليدة المستقرة من البلورة، وهذا يؤدّي إلى تغيير نسبتهما فيها.
• وعند توقّف عملية التحوّل، تصبح البلورات الجديدة نظامًا مغلقًا من جديد، ويبدأ العنصر المشع بالتحلّل إلى عنصر مستقر.

• ومن ثَمّ، فإنّ التأريخ باستخدام الاضمحلال الإشعاعي للصخور المُتحوّلة هو الذي يؤرّخ لحظة انتهاء عملية التحوّل وإغلاق النظام الإشعاعي في الصخور، وليس نشأة الصخر الأصلي.
• يؤدّي كل ما سبق إلى اختلاف عُمر الصخر؛ لذا فإنّ استخدام طرائق الاضمحلال الإشعاعي في الصخور المُتحوّلة يعطيها دائمًا عُمرًا أحدث من عُمر الصخر الأصلي
• لأنّ هذه الطرائق ترصد حادثة التحوّل، لا نشأة الصخر الأصلي.

تبلور صخر الغرانيت قبل ⁦200 million years⁩ ثم تعرّض إلى حرارة وضغط شديدين قبل ⁦100 million years⁩، فتحوّل إلى صخر النايس، فإذا تمّ أخذ عيّنة لمعدن الغارنت من صخر النايس وتمّ تحليلها إشعاعيًا بجهاز مطياف الكتلة، فما العُمر المتوقع لمعدن الغارنت؟

الصخور الرسوبية: أيها نؤرّخ مباشرة؟

• تُستخدم طرائق الاضمحلال الإشعاعي في الصخور الرسوبية الكيميائية التي تترسّب نتيجة زيادة تركيز المواد الذائبة في المحاليل المائية، مثل الصخور الجيرية؛ إذ يغلق النظام الإشعاعي فيها لحظة حدوث الترسيب.
• ومن ثَمّ، فإنّ تأريخ الصخور الرسوبية الكيميائية يرصد عُمر الرسوبيات التي يتكوّن منها الصخر الرسوبي الكيميائي؛ أي أنّه يؤرّخ لحظة الترسيب.

• يُستخدم الكربون ⁦(14C)⁩ في تأريخ بعض أنواع الصخور الرسوبية الكيميائية والصخور الرسوبية الكيميائية الحيوية، مثل تأريخ طبقات الفحم الحجري.
• يستخدم الجيولوجيون طرائق غير مباشرة في تحديد أعمار الصخور الرسوبية، وذلك بمقارنة أعمارها بأعمار مُطلقة لأجسام من صخور نارية محيطة بها باستخدام التأريخ النسبي
• إذ يُحدّد الجيولوجيون جسمين من الصخور النارية، أحدهما أقدم نسبيًا من الصخور الرسوبية، والآخر أحدث من الصخور الرسوبية، أنظر الشكل (21).

أستنتج عُمر الطبقة الرسوبية (3).

أُفسِّر سبب عدم استخدام طرائق الاضمحلال الإشعاعي في تأريخ الصخور الرسوبية الفتاتية.

نشاط: عُمر الطبقة بين صخرين ناريين

لتعرُّف كيفية تحديد أعمار الصخور الرسوبية، أُنفِّذ النشاط الآتي.

• تُستخدم الصخور النارية في تحديد أعمار الصخور الرسوبية على نحو غير مباشر.
• ويُمثّل الشكل الآتي تتابعات من الصخور الرسوبية (أ، ب، ج، د، هـ)، والصخر الناري (ص)، والقاطعين الناريين (ع، ل)، والطفح البركاني (س)، علمًا أنّ جميع أعمارها المُطلقة مقيسة بملايين السنين ⁦(million years)⁩

أحدّد مبدأين للتأريخ النسبي يُمكن استخدامهما في الشكل لترتيب الطبقات والأحداث الجيولوجية من الأقدم إلى الأحدث.

أستنتج عُمر التعاقب الطبقي (أ، ب، ج).

أستنتج عُمر الطبقة (هـ).

سُلّم الزمن الجيولوجي: تقويم تاريخ الأرض

• جمع العلماء معلومات كثيرة عن أعمار صخور القشرة الأرضية في مناطق مُتنوّعة من الأرض، واستخدموا العديد من المبادئ لتشكيل عمود يُمثّل تلك الصخور بحسب أعمارها، ويضمّ أسفله أقدم الصخور، ويوجد في أعلاه أحدثها

• ولتعرّف زمن الأحداث الجيولوجية التي مرّت بسطح الأرض ومواضع الصخور زمنيًا في تاريخ الأرض؛ قسّم العلماء تاريخ الأرض إلى وَحَدات زمنية مختلفة الأطوال بناءً على تلك الأحداث
• ووضعوها في جدول سُمّي سُلّم الزمن الجيولوجي.

• يؤرّخ سُلّم الزمن الجيولوجي تاريخ الأرض منذ نشأتها قبل ⁦4600 million years⁩ حتى وقتنا الحاضر.

• العُمر (بملايين السنين) ليس للحفظ.

كم عُمر الأرض؟ لماذا لا تخبرنا صخورها؟

• قاس العلماء عُمر صخور القشرة الأرضية باستخدام طرائق التأريخ الإشعاعي، ولكنهم لم يستطيعوا تحديد عُمر الأرض تحديدًا دقيقًا.
• بسبب العمليات التي تحدث للصخور في أثناء دورة الصخور في الطبيعة؛ إذ يُمكن للصخور أن تتحوّل من نوع إلى آخر، أو تنصهر داخل الستار، أو تتعرّض لعمليات التجوية والتعرية، وهذا يؤدّي إلى إزالة صخور، أو إنتاج صخور جديدة لها أعمار حديثة.

لماذا لا يستخدم العلماء طريقة الكربون 14 في تأريخ عُمر الأرض؟

صخور القمر والنيازك: شهود على بداية الأرض

• تمكّن رجال الفضاء من جمع عيّنات صخرية من القمر، تمثّل صخورًا بدائية تراوحت أقدم أعمارها بين ⁦4.4 - 4.5 billion years⁩.
• عثر العلماء على آلاف النيازك التي سقطت على سطح الأرض من كُويكبات تشكّلت مع بدء نشوء كل من النظام الشمسي والأرض.

أقدم صخور القشرة وعُمر الأرض

• تُعدّ صخور النايس شمال غرب كندا أقدم الصخور التي عُثر عليها في الأرض، وقد قُدّر عُمرها بنحو ⁦4.03 billion years⁩.
• تليها صخور حزام الحجر الأخضر إيسوا ⁦Isua Greenstone Belt⁩ غرب غرينلاند التي قُدّر عُمرها بنحو ⁦3.7 - 3.8 billion years⁩.
• وقد عُثر غرب أستراليا على بلّورات من الزركون قُدّر عُمرها بنحو ⁦4.4 billion years⁩، وكانت موجودة في صخور رسوبية أحدث منها.

• بناءً على تحديد أعمار صخور القشرة الأرضية وصخور القمر والنيازك، قدّر العلماء عُمر الأرض بنحو ⁦4.6 billion years⁩.

لماذا لا تُنبئ صخور القشرة الأرضية بالعُمر الحقيقي للأرض؟

مراجعة الدرس: اختبر نفسك

أُوضِّح سبب استخدام التأريخ المُطلَق في تحديد أعمار الصخور.

أُوضِّح المقصود بالنظائر.

عُثر على بلّورة من معدن الزركون في صخر الغرانيت، وكانت تحتوي وقت تبلورها على ⁦20 g⁩ من نظير اليورانيوم ⁦235U⁩. كم عُمر صخر الغرانيت إذا تبقّى من نظير اليورانيوم ⁦235U 5 g⁩ علمًا أنّ عُمر النصف لليورانيوم ⁦(235U)⁩ هو ⁦710 million years⁩؟

كيف يتغيّر عُمر عيّنة من المايكا تحوي نظيريّ البوتاسيوم ⁦40K⁩ والأرغون ⁦40Ar⁩ بعد تسخينها في درجات حرارة عالية؟

لماذا تُستخدَم النيازك في تحديد العمر المُطلَق للأرض؟

العبارة الآتية: «وجود صخور نارية بين تتابعات من صخور رسوبية يُمثّل أهمية كبيرة في تحديد أعمار تلك الصخور الرسوبية».

ما أهمية سُلّم الزمن الجيولوجي؟

مستعينًا بالجدول الآتي الذي يمثل عُمر النصف ⁦(years)⁩ لأربع نظائر، فإنّ النظيرة الأنسب لقياس عُمر الأرض هي:

$س:\ 150\ \text{years}$ $ص:\ 2500\ \text{years}$ $ع:\ 4 \times 10^5\ \text{years}$ $و:\ 9 \times 10^9\ \text{years}$