אודות הכרויות איזוטופיות: מקלות חצר לזמן גאולוגי

העבודה של גיאולוגים זה לספר את הסיפור האמיתי של ההיסטוריה של כדור הארץ - ליתר דיוק, סיפור ההיסטוריה של כדור הארץ האמיתי יותר ויותר. לפני מאה שנה, לא היה לנו מושג לגבי אורכו של הסיפור - לא היה לנו מקנה מידה טוב לזמן. כיום בעזרת שיטות היכרויות איזוטופיות אנו יכולים לקבוע את גילאי הסלעים כמעט כמו גם אנו ממפים את הסלעים עצמם. על כך אנו יכולים להודות לרדיואקטיביות, שהתגלתה בראשית המאה הקודמת.

לפני מאה שנה, הרעיונות שלנו לגבי ימי הסלעים ותקופת כדור הארץ היו מעורפלים. אך ברור, סלעים הם דברים ישנים מאוד. אם לשפוט על פי מספר הסלעים שיש, בנוסף לשיעורים הבלתי מורגשים של התהליכים היוצרים אותם - שחיקה, קבורה, מאובנים, הרמה - הרשומה הגיאולוגית חייבת לייצג מיליוני שנים רבות. התובנה הזו, שבאה לידי ביטוי לראשונה בשנת 1785, היא שהפכה את ג'יימס האטון לאבי הגיאולוגיה.

אז ידענו על "זמן עמוק, "אבל לחקור את זה היה מתסכל. במשך יותר ממאה שנה השיטה הטובה ביותר לסידור ההיסטוריה שלה הייתה שימוש במאובנים או ביוסטראטיגרפיה. זה עבד רק עבור סלעי משקע ורק חלקם. בסלעים של תקופת פרה-קמבריה היו רק התעלולים הנדירים ביותר של מאובנים. איש לא ידע אפילו כמה מההיסטוריה של כדור הארץ אינה ידועה! היינו צריכים כלי מדויק יותר, סוג כלשהו של שעון, כדי להתחיל למדוד אותו.

בשנת 1896, גילוי מקרי של אנרי בקרל ברדיואקטיביות הראה מה יכול להיות אפשרי. למדנו שכמה אלמנטים עוברים ריקבון רדיואקטיבי, ומשתנים באופן ספונטני לסוג אחר של אטום תוך שהם מפטרים פרץ של אנרגיה וחלקיקים. תהליך זה קורה בקצב אחיד, יציב כמו שעון, שאינו מושפע מטמפרטורות רגילות או כימיה רגילה.

העיקרון של השימוש בריקבון רדיואקטיבי כשיטת היכרויות הוא פשוט. קחו למשל את האנלוגיה הזו: גריל ברביקיו מלא בפחם בוער. הפחם נשרף בקצב ידוע, ואם מודדים כמה פחם נותר וכמה נוצר אפר, תוכלו לדעת כמה זמן כבר הדליק הגריל.

המקבילה הגיאולוגית של הדלקת הגריל היא התקופה בה התמצק גרגר מינרלי, בין אם זה מזמן בגרניט עתיק ובין אם זה פשוט בזרם לבה טרי. גרגר המינרלים המוצק לוכד את אטומים רדיואקטיביים ומוצרי הריקבון שלהם, ועוזרים להבטיח תוצאות מדויקות.

זמן קצר לאחר שהתגלה הרדיואקטיביות פרסמו הנסיינים כמה תאריכי ניסוי של סלעים. לאחר שהבין כי התפרקות האורניום מייצרת הליום, ארנסט רות'רפורד בשנת 1905 קבע את הגיל עבור חתיכת עפרות אורניום על ידי מדידת כמות הליום שנלכדה בו. ברטרם בולטווד בשנת 1907 השתמש בעופרת, תוצר הסוף של ריקבון אורניום, כשיטה להערכת גיל האורניום המינרלי בכמה סלעים עתיקים.

התוצאות היו מרהיבות אך מוקדמות. נראה כי הסלעים ישנים להפליא, ונעו בין 400 מיליון ליותר מ -2 מיליארד שנים. אבל באותה עת איש לא ידע על איזוטופים. פעם אחת איזוטופים נבדקובשנות העשרה של המאה העשרים התברר ששיטות ההיכרויות הרדיומטריות אינן מוכנות לפריים טיים.

עם גילוי האיזוטופים, בעיית התיארוך חזרה לכיכר. לדוגמה, מפל עששת האורניום-להוביל הוא באמת שני - דעיכת אורניום -235 לעופרת -207 ואורניום -238 מתפרק להוביל -206, אך התהליך השני איטי כמעט פי שבע. (זה עושה אורכרוני להוביל אורניום שימושי במיוחד.) כ -200 איזוטופים אחרים התגלו בעשורים הבאים; לאלו הרדיואקטיביים אז נקבעו שיעורי הדעיכה שלהם בניסויי מעבדה קפדניים.

עד שנות הארבעים הידע הבסיסי וההתקדמות במכשירים אפשרו להתחיל לקבוע תאריכים שמשמעותם משהו לגיאולוגים. אולם הטכניקות ממשיכות להתקדם בימינו מכיוון שעם כל צעד קדימה ניתן לשאול ולהשיב שורה של שאלות מדעיות חדשות.

ישנן שתי שיטות עיקריות של היכרויות איזוטופיות. אחד מזהה וסופר אטומים רדיואקטיביים באמצעות קרינתם. חלוצי התיארוך הרדיואקטיבי השתמשו בשיטה זו מכיוון שפחמן 14, האיזוטופ הרדיואקטיבי של הפחמן, פעיל מאוד, מתפורר עם מחצית החיים של 5730 שנה בלבד. מעבדות הרדיו הפחמניות הראשונות נבנו מתחת לאדמה, תוך שימוש בחומרים עתיקים שלפני עידן הארבעים של זיהום רדיואקטיבי, במטרה לשמור על קרינת רקע נמוכה. אף על פי כן, זה יכול לארוך שבועות של ספירת מטופלים כדי להגיע לתוצאות מדויקות, במיוחד בדגימות ישנות בהן נותרו מעט מאוד אטומי רדיואן. שיטה זו משמשת עדיין לאיזוטופים נדירים ורדיואקטיביים במיוחד פחמן -14 וטריטיום (מימן -3).

מרבית תהליכי ריקבון בעלי עניין גיאולוגי הם איטיים מדי לשיטות ספירת ריקבון. השיטה האחרת מסתמכת על ספירת האטומים של כל איזוטופ בפועל, ולא מחכה לחלקם להתפורר. שיטה זו קשה יותר אך מבטיחה יותר. זה כרוך בהכנת דגימות והפעלתן דרך א ספקטרומטר המוני, שמפנה אותם אטום אטום לפי משקל בצורה יפה כמו אחת מאותן מכונות למיון מטבעות.

לדוגמה, שקול את שיטת היכרויות אשלגן-ארגון. אטומי אשלגן מגיעים בשלושה איזוטופים. אשלגן -39 ואשלגן -41 יציבים, אך אשלגן -40 עובר סוג של ריקבון שהופך אותו לארגון -40 עם אורך חיים של 1,277 מיליון שנה. כך ככל שמדגם ישן יותר, כך אחוז האשלגן -40 קטן יותר, ולהיפך, אחוז הארגון -40 גדול יותר ביחס לארגון -36 וארגון -38. ספירת כמה מיליוני אטומים (קלים עם מיקרוגרם סלע בלבד) מניבה תאריכים די טובים.

תיארוך איזוטופי מדגיש את כל מאה ההתקדמות שעשינו בהיסטוריה האמיתית של כדור הארץ. ומה קרה באותם מיליארדי שנים? זה מספיק זמן כדי להתאים לכל האירועים הגיאולוגיים ששמענו עליהם אי פעם, עם מיליארדים שנותרו. אבל עם כלי ההיכרויות האלה, היינו עסוקים במיפוי זמן עמוק, והסיפור הולך ומדויק מדי שנה.