איך קובעים גיל של סלעים?

אחת השאלות הבסיסיות ביותר בכל מחקר גיאולוגי היא מה גילו של הסלע הנחקר? כמה שנים עברו מאז שהתופעה הנצפית התרחשה? התשובות עשויות להטות את המשך המחקר לכאן או לכאן, וכדי למצוא אותן משקיעים הגיאולוגים מאמץ ומחשבה רבה.

את הסלעים בקרום כדור הארץ נהוג לחלק לשתי משפחות עיקריות. הראשונה היא סלעי היסוד, שנוצרו ממגמה (סלע מותך) שעלתה מעומק כדור הארץ והתמצקה על פני השטח או קרוב אליו (מלמטה למעלה). במשפחה זו נכללים למשל הבזלת והגרניט. המשפחה השנייה היא של סלעי המשקע, שנוצרים כתוצאה משקיעה, הצטברות והתלכדות של חומרים שונים על פני כדור הארץ (מלמעלה למטה).

הגיל של סלעי יסוד

מהרגע שהמגמה קפאה והתקשתה, היא מוגדרת כסלע חדש ומהרגע הזה מתחילות להיספר השנים. כדי לגלות לפני כמה שנים סלע יסוד "נולד", חוקרים פיתחו את השיטה המכונה "שעונים רדיומטריים", שמבוססת על אטומים של יסודות מסוימים בסלע.

כל היסודות מורכבים מפרוטונים וניטרונים שנמצאים בגרעין האטום, ומאלקטרונים שסובבים סביב הגרעין. מספר הפרוטונים ייחודי וקבוע לכל יסוד, בעוד שמספר הניטרונים והאלקטרונים יכול להשתנות. למשל, אטום שיש בגרעינו ששה פרוטונים, תמיד יהיה אטום פחמן, בעוד גרעין עם שבעה פרוטונים תמיד יהיה חנקן. אטומים של יסוד מסוים שמספר הניטרונים בגרעינם שונה, נקראים איזוטופים של היסוד הזה. לדוגמה בגרעין של אטום פחמן המכיל ששה פרוטונים יכולים להיות ששה, שבעה או שמונה ניטרונים, והאיזוטופים נקראים פחמן 12, פחמן 13 ופחמן 14, לפי המספר הכולל של פרוטונים וניטרונים יחד.

חלק מהאיזוטופים של יסודות שונים אינם יציבים, ולאורך זמן הם נוטים להתפרק בתהליכים של דעיכה רדיואקטיבית. למשל האיזוטופ פחמן 14 הוא רדיואקטיבי והוא דועך לחנקן 14 כשאחד הניטרונים בגרעינו מתפרק לפרוטון, שנשאר בגרעין, ולאלקטרון שנפלט ממנו.

כדי לחשב את קצב הדעיכה, מדענים משתמשים במדד "זמן מחצית החיים" – כלומר משך הזמן שלוקח לחצי מכמות של איזוטופ להתפרק מהאיזוטופ המקורי (האב) לאיזוטופ החדש (הבת). קצבי הדעיכה של רבים מהאיזוטופים הרדיואקטיביים קבועים ואינם משתנים לאורך זמן. כל צמד כזה של אב ובת מתפקד כשעון מדויק שמתחיל לתקתק מהרגע שנוצר הסלע. אם ידועים יחסי הכמויות של שניהם בדוגמת הסלע המקורית וזמן מחצית החיים של האב, אפשר לחשב כמה שנים חלפו מאז שהחל השעון לפעול.

אחד מהשעונים הרדיומטריים הנפוצים במחקר מבוסס על דעיכת אשלגן לארגון. ארגון הוא גז אציל, שאינו מגיב עם חומרים אחרים ומשתחרר במהירות לאטמוספרה מתוך המגמה  הנוזלית. ברגע שהמגמה מתקררת והופכת לסלע היא נקייה מארגון, אך היא מכילה אחוז מזערי של האיזוטופ הרדיואקטיבי אשלגן 40, שדועך בין היתר לארגון 40. הארגון החדש נותר כלוא בסלע המוצק, ואם נמדוד את כמויות האשלגן 40 והארגון 40 בדוגמת הסלע, ונציב אותה בנוסחה עם זמן מחצית החיים של אשלגן 40, נקבל את גילו של הסלע.

כל שעון רדיומטרי מבוסס על איזוטופ אב בעל זמן מחצית חיים שונה, ומתאים לתארוך של סלעים בטווח גיל מסוים. שעון המבוסס על פחמן 14 מתאים לסלעים (ושרידים אורגניים) בני מאות שנים ועד 50 אלף שנים. שעון אשלגן משמש לתיארוך סלעים בני 100 אלף ועד לארבעה  מיליארד וחצי שנים, שהוא פחות או יותר גיל כדור הארץ. ושעון המבוסס על דעיכת אורניום לעופרת מתאים לסלעיםמגיל 10 מיליון שנים עד גיל כדור הארץ. בהרבה מהסלעים אפשר למדוד במקביל כמה איזוטופים, ולשפר כך את הדיוק של מדידת הגיל.

הסלע נולד ברגע שהמגמה התקשתה והשעון הרדיומטרי התחיל לתקתק. סלע יסוד בזלתי במפל מים | צילום: Shutterstock

הגיל של סלעי משקע

תארוך סלעים באמצעות שעונים רדיומטריים מוגבל בעיקר לסלעי יסוד שנוצרו ממגמה נוזלית שהתקררה. תיארוך של סלעי משקע, כגון גיר ואבן חול, דורש שיטות אחרות. סלעי משקע מורכבים מחומרים שונים שהצטברו על פני השטח והתלכדו יחדיו. לעתים החומרים שמרכיבים את סלעי המשקע הם שברים מתוך סלעי יסוד קדומים יותר, שהתפוררו מרכסי הרים ונסחפו בנהרות אל תוך הים. אפשר לתארך את השברים האלה בעזרת השיטות הרדיומטריות, אבל  נקבל את גיל ההיווצרות של הסלעים ברכסי ההרים, ולא את הגיל שבו הצטברו על קרקעית הים.

סלעי משקע נוטים לשקוע (מכאן שמם) בצורה אופקית על פני שטחים רחבים. ברוב המקרים אלה סלעי משקע קדומים יותר, וסלע המשקע החדש שוקע כשכבה מעל לסלע שמתחתיו. כך, מצטברות זו על גבי זו שכבות של סלעים, שאולי לא נדע את גילן בשנים, אך נוכל לומר בביטחון איזו שכבה צעירה יותר ואיזו קדומה יותר ביחס לאחרות ברצף. החוק הזה, שקובע ששכבה עליונה צעירה מהשכבה שמתחתיה, נקרא עקרון הסופרפוזיציה והוא אחד מהעקרונות הבסיסיים ביותר בגיאולוגיה.

אם התמזל מזלו של גיאולוג, והוא הצליח לאתר בתוך שכבת סלע משקע רסיסי בזלת שעפו מהר געש קדום, הוא יוכל לתארך אותם רדיומטרית ולגלות גם את הגיל המוחלט של השכבה, ולא רק את גילה ביחס לשכבות הצעירות יותר שמעליה והוותיקות יותר שמתחתיה.

בתוך סלעי משקע אפשר למצוא גם מאובנים, שרידים של יצורים חיים שהתקיימו בזמן שבו הצטבר המשקע על קרקעית הים, ונקברו בו לאחר מותם. מאובנים מסוימים הם כלי יעיל ביותר לתארוך סלעי משקע, ומכונים "מאובנים מנחים". אם מין של יצור חי התקיים על פני כדור הארץ לפרק זמן קצר במונחים גיאולוגיים, (כלומר הוא מופיע ברצף קצר של שכבות עוקבות) וטווח התפוצה שלו היה רחב, הוא יכול לעזור לנו ללמוד על גילו היחסי של הסלע. אם נמצא מאובן מנחה מסוים בסלעים שונים ומרוחקים זה מזה, נוכל לדעת שכולם בני אותו הגיל. אם נצליח לתארך את אחד ממחשופי הסלע בעזרת סלע יסוד בקרבתו, נדע גם את גיל המאובן ובעקבות כך גם את גילו של כל סלע משקע אחר שנושא את המאובן הזה. אחת הדוגמאות הטובות ביותר למאובן מנחה הם האמוניטים, קבוצה נכחדת של רכיכות ממחלקת הסילוניות, שהקונכייה הספירלית שלהן השתמרה בקלות כמאובן. בסלעים ברחבי העולם יש אלפי מינים של אמוניטים הנבדלים ביניהם בדגם הקונכייה, וכמעט כל אחד מהם ייחודי רק לטווח מצומצם של שכבות סלע. כיום רוב מיני האמוניטים כבר הוגדרו ומופו בתוך רצף השכבות העולה, והם כלי שימושי ביותר בתארוך גילם של סלעי משקע.

בדומה לשימוש במאובנים מנחים, אפשר להיעזר גם באיזוטופים יציבים מסוימים שהריכוז שלהם באוקיינוס השתנה לאורך תקופות גיאולוגיות. סלעי המשקע מכילים לרוב את הריכוז שהיה במים בתקופה שבה שקעו, ומהשוואתו לריכוזים הידועים של אותם איזוטופים בכל תקופה אפשר ללמוד על טווח השנים שבהם נוצרו הסלעים.

סדר השכבות מצביע על יחסי הזמנים של היווצרותן. סלעי משקע | צילום: Shutterstock

תיארוך מגנטי

כלי תיארוך נוסף הוא הפליאומגנטיזם (מגנטיות קדומה), והמתבסס על השינויים שחווה השדה המגנטי של כדור הארץ לאורך שנות קיומו. לכדור הארץ שני קטבים מגנטיים, צפוני ודרומי, שמצויים בקרבת הקטבים הגיאוגרפיים שלו. הקטבים המגנטיים מתהפכים ומתחלפים בתדירות משתנה, בין מאות אלפי למיליוני שנים. בתוך סלעי יסוד, ובתוך חלק מסלעי המשקע, מתגבשים מינרליים בעלי תכונות מגנטיות המתעדים בתוכם את מצב הקטבים המגנטיים בזמן התהוות הסלע. הם מסוגלים ללמד אם באותה עת הקטבים היו כפי שהם כיום או מהופכים.

מועדי ההיפוכים המגנטיים של כדור הארץ ידועים כיום עד לטווח של 150 מיליון שנה לפני זמננו, ואפשר להציב מולם את הנתון שהתקבל מהסלע הנחקר. למעשה השיטה הזו לא מלמדת אותנו על גילו של הסלע, אלא לאילו חלקים מההיסטוריה הגיאולוגית של כדור הארץ הוא עשוי להתאים. לכן התיארוך בעזרת פליאומגנטיזם מתאים רק לסלעים שכבר יש לנו מושג כללי לגבי טווח הגיל שלהם, והוא מסוגל למקד אותו במידה מסוימת.