التأريخ بالروبيديوم-السترونتيوم

طريقة التأريخ بالروبيديوم -سترونتيوم (Rb-Sr) هي تقنية تأريخ إشعاعي، يستخدمها العلماء لتحديد عمر الصخور والمعادن من خلال محتواها من نظائر محددة من الروبيديوم ( ^87Rb ) والسترونتيوم ( ^87Sr ، ^86Sr ). يتحلل أحد نظيري الروبيديوم الطبيعيين، ^87Rb ، إلى ^87Sr بنصف عمر يبلغ 49.23 مليار سنة. يُعدّ ^87Sr الناتج المشع ، والذي ينتج عن عملية التحلل هذه، النظير الوحيد من بين نظائر السترونتيوم الأربعة الطبيعية الذي لم ينتج حصريًا عن طريق التخليق النووي النجمي الذي سبق تكوين النظام الشمسي. بمرور الوقت، يؤدي تحلل ^87Rb إلى زيادة كمية ^87Sr المشع ، بينما تبقى كمية نظائر السترونتيوم الأخرى ثابتة.

يمكن قياس نسبة ^87Sr / ^86Sr في عينة معدنية بدقة باستخدام مطياف الكتلة. إذا أمكن تحديد كمية نظائر السترونتيوم والروبيديوم في العينة عند تكوّنها، يُمكن حساب عمرها من الزيادة في نسبة ^87Sr / ^86Sr . تتشابه جميع المعادن المختلفة التي تبلورت من نفس الصهارة السيليسية في نسبة ^87Sr / ^86Sr الأولية مع الصهارة الأصلية. مع ذلك، ولأن الروبيديوم يحل محل البوتاسيوم في المعادن، ولأن هذه المعادن لها نسب بوتاسيوم /كالسيوم مختلفة، فإن نسب الروبيديوم/سترونتيوم الأولية تختلف، وبالتالي لن تزداد نسبة 87Sr/86Sr النهائية ^بنفس القدر ^في المعادن الأقل غنىً بالروبيديوم. عادةً، تزداد نسبة Rb/Sr بالترتيب التالي: بلاجيوكلاز، هورنبلند، فلسبار بوتاسي، بيوتيت، مسكوفيت. لذا، إذا توفر وقت كافٍ لإنتاج كميات كبيرة من السترونتيوم المشع ^{87Sr ، فإن قيم 87Sr} / ^86Sr المقاسة ستختلف بين المعادن، وتزداد بنفس الترتيب. وبالتالي، فإن مقارنة المعادن المختلفة في عينة صخرية واحدة تُمكّن العلماء من استنتاج النسبة الأصلية لـ ^87Sr / ^86Sr وتحديد عمر الصخرة.

بالإضافة إلى ذلك، يُعدّ الروبيديوم عنصرًا غير متوافق للغاية ، إذ يُفضّل، أثناء الانصهار الجزئي للوشاح، الانضمام إلى الصهارة المنصهرة بدلًا من البقاء في معادن الوشاح. ونتيجةً لذلك، يزداد تركيز الروبيديوم في صخور القشرة الأرضية مقارنةً بالوشاح، وتكون نسبة ^87Sr / ^86Sr أعلى في صخور القشرة الأرضية منها في صخور الوشاح. وهذا يُتيح للعلماء التمييز بين الصهارة الناتجة عن انصهار صخور القشرة الأرضية والصهارة الناتجة عن انصهار صخور الوشاح، حتى لو نتج عن تمايز الصهارة اللاحق تركيب كيميائي عام متشابه. ^{[ 1 ]} كما يُمكن للعلماء تقدير وقت تكوّن صخور القشرة الأرضية لأول مرة من الصهارة المستخرجة من الوشاح، من خلال نسبة ^87Sr / ^86Sr ، حتى لو خضعت هذه الصخور لاحقًا للتحوّل أو حتى الانصهار وإعادة التبلور. وهذا يُقدّم أدلةً على عمر قارات الأرض. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

وقد ساهم في تطوير هذه العملية الكيميائيون الألمان ليز مايتنر وأوتو هان وفريتز ستراسمان ، الذين اكتشفوا الانشطار النووي في ديسمبر 1938.

على سبيل المثال، لنأخذ مثالاً صخراً نارياً كالجرانيت الذي يحتوي على عدة معادن رئيسية حاملة للسترونتيوم، منها بلاجيوكلاز الفلسبار ، وفلسبار البوتاسيوم ، والهونبلند ، والبيوتيت ، والمسكوفيت . لكل من هذه المعادن نسبة أولية مختلفة من الروبيديوم إلى السترونتيوم، تعتمد على محتواها من البوتاسيوم، وتركيز الروبيديوم والبوتاسيوم في الصهارة، ودرجة الحرارة التي تشكلت عندها. يحل الروبيديوم محل البوتاسيوم داخل الشبكة البلورية للمعادن بمعدل يتناسب مع تركيزه في الصهارة.

وفقًا لسلسلة تفاعلات بوين، يتمثل السيناريو الأمثل في بدء تبلور صهارة الجرانيت لتكوين مجموعة متراكمة من البلاجيوكلاز والهونبلند (أي التوناليت أو الديوريت )، وهي مجموعة منخفضة البوتاسيوم (وبالتالي الروبيديوم) ولكنها غنية بالسترونتيوم (حيث يحل محل الكالسيوم)، مما يُثري الصهارة بالبوتاسيوم والروبيديوم بشكل متناسب. يؤدي هذا بدوره إلى ترسب الأورثوكلاز والبيوتيت، وهما معدنان غنيان بالبوتاسيوم يمكن للروبيديوم أن يحل محلهما. ستكون نسب الروبيديوم إلى السترونتيوم الناتجة، بالإضافة إلى وفرة كل من الروبيديوم والسترونتيوم في الصخور ككل وفي المعادن المكونة لها، مختلفة بشكل ملحوظ. وبالتالي، يسمح هذا بتطور معدل مختلف للسترونتيوم المشع في الصخور المنفصلة والمعادن المكونة لها مع مرور الوقت.

يُحدد عمر العينة بتحليل عدة معادن ضمن عينات فرعية متعددة من أجزاء مختلفة من العينة الأصلية. تُرسم نسبة ^87Sr / ^{86Sr لكل عينة فرعية مقابل نسبة 87Rb} / ^86Sr الخاصة بها على رسم بياني يُسمى خط التساوي الزمني . إذا شكلت هاتان النسبتان خطًا مستقيمًا، فهذا يعني أن العينات الفرعية متطابقة، وأن العمر المُحدد موثوق على الأرجح. ويُحدد ميل الخط عمر العينة.

بالنظر إلى القانون العام للتحلل الإشعاعي وتحلل بيتا للروبيديوم التالي :${\displaystyle {\ce {^{87}_{37}Rb->[{\beta ^{-}}]~_{38}^{87}Sr~+e^{-}\ +{\bar {\nu }}_{e}}}}$، نحصل على التعبير الذي يصف نمو السترونتيوم-87 من تحلل الروبيديوم-87:$${\displaystyle _{38}^{87}{\text{Sr}}(t)=~_{38}^{87}{\text{Sr}}(0)+~_{37}^{87}{\text{Rb}}(e^{\lambda t}-1)\ ,}$$${\displaystyle {\ce {\lambda}}}$وهو ثابت اضمحلال الروبيديوم. علاوة على ذلك، نأخذ في الاعتبار عدد${\displaystyle {\ce {^{86}_{38}Sr}}}$باعتباره ثابتًا، لأنه مستقر وغير مشع. ومن ثم، $${\displaystyle {\frac {^{87}{\text{Sr}}}{^{86}{\text{Sr}}}}=\left({\frac {^{87}{\text{Sr}}}{^{86}{\text{Sr}}}}\right)_{0}+{\frac {^{87}{\text{Rb}}}{^{86}{\text{Sr}}}}(e^{\lambda t}-1)}$$هي معادلة التساوي الزمني. بعد قياس تركيز الروبيديوم والسترونتيوم في المعدن، يمكننا بسهولة تحديد عمر العينة، أي قيمة t. ^{[ 4 ]}

يعتمد التأريخ باستخدام Rb-Sr على قياس نسبة Rb-Sr بشكل صحيح لعينة معدنية أو صخرية كاملة، بالإضافة إلى استخلاص نسبة ⁸⁷ Sr/ ⁸⁶ Sr دقيقة للعينة المعدنية أو الصخرية الكاملة.

يجب استيفاء العديد من الشروط المسبقة قبل أن يُعتبر تاريخ Rb-Sr ممثلاً لوقت وضع أو تكوين الصخر.

• يجب أن يكون النظام قد ظل مغلقًا أمام انتشار الروبيديوم والسترونتيوم منذ الوقت الذي تشكلت فيه الصخور أو انخفضت درجة حرارتها عن درجة حرارة الإغلاق (التي تعتبر عمومًا 650  درجة مئوية)؛
• يجب أن تكون المعادن التي يتم استخراجها من الصخور لبناء خط التساوي الزمني قد تشكلت في حالة توازن كيميائي مع بعضها البعض، أو في حالة الرواسب، يجب أن تترسب في نفس الوقت؛
• لا بد أن الصخرة لم تخضع لأي عملية تحول صخري من شأنها أن تُخل بنظام الروبيديوم-سترونتيوم حرارياً أو كيميائياً.

من أبرز عيوب استخدام عنصري الروبيديوم والسترونتيوم في تحديد التاريخ الإشعاعي (وفي المقابل، أهم استخداماتهما) سهولة تحركهما، خاصةً في السوائل الحرارية المائية . فالروبيديوم والسترونتيوم عنصران قلويان سهلا الحركة نسبيًا، وبالتالي يسهل تحريكهما بواسطة السوائل الحرارية المائية الساخنة، والتي غالبًا ما تكون كربونية، الموجودة أثناء التحول الصخري أو النشاط الصهاري.

في المقابل، قد تُحدث هذه السوائل تحولاً ميتاصوماتياً في الصخور، مُدخلةً عناصر جديدة من الروبيديوم والسترونتيوم إليها (عادةً أثناء التحول البوتاسي أو التحول الكلسي ( الألبيتيز )). ويمكن استخدام نظائر الروبيديوم والسترونتيوم في المعادن المتغيرة لتحديد تاريخ هذا التحول، ولكن ليس تاريخ تكوّن الصخر.

لذا، يتطلب تحديد دلالة عمرية لنتيجة ما دراسة التاريخ التحولي والحراري للصخر، وأي أحداث تحولية، وأي دليل على حركة السوائل. قد لا يكون تاريخ الروبيديوم-سترونتيوم المخالف لنتائج المقاييس الجيولوجية الأخرى عديم الفائدة، بل قد يقدم بيانات عن حدث لا يمثل عمر تكوين الصخر.

• التأريخ الإشعاعي

• جاكوبسن، إس بي؛ ويلز، جيه؛ ين، كيو. (1997). سجلات نظائر مياه البحر، وتطور القشرة الأرضية، والتكتونيات، وتطور الغلاف الجوي (ملف PDF) . المؤتمر السنوي السابع لـ في إم غولدشميت. توسون، أريزونا. الصفحات 103-104 . مؤرشف (ملف PDF) من الأصل بتاريخ 9 أكتوبر 2022. 
• "الجدول الدوري - السترونتيوم" . موارد حول النظائر . هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية. يناير 2004. تم الاطلاع عليه في 10 نوفمبر 2016 .
• أتيندورن، هـ. ج.؛ بوين، ر. ن. س. (1997). "التأريخ بالروبيديوم-السترونتيوم" . جيولوجيا النظائر المشعة والمستقرة . ص 159-191 . doi : 10.1007/978-94-011-5840-4_7 . ISBN  978-94-010-6467-5.
• والثر، جون فيكتور (2009). "تصنيف الروبيديوم-سترونتيوم" . أساسيات الجيوكيمياء . جونز وبارتليت للتعليم. ص 383-385 . ISBN  978-0-7637-5922-3.

• قسم البترول في منظمة الكومنولث للبحوث العلمية والصناعية - التطور العالمي لنظائر السترونتيوم في مياه البحر