كيف يتم تحديد عمر الحفريات؟

كيف نحدد عمر الحفرية؟ منذ كم ألف أو مليون سنة عاش الكائن الحي الذي تم اكتشافه؟ كيف نحدد العصر الجيولوجي الذي ينتمي إليه التكوين الصخري؟ يستخدم الجيولوجيون وعلماء الحفريات طريقتين أساسيتين للتأريخ: الطريقة النسبية والطريقة المطلقة. الطريقة النسبية أسرع ولكنها أقل دقة، بينما تتطلب الطريقة المطلقة إجراء تحليل مختبري لفحص العينة. من خلال فهم معدل اضمحلال بعض النظائر ومقدار ما اضمحل منها، يمكننا تحديد عمر الكائن الحي بدقة، أو في أغلب الأحيان، عمر الصخرة التي عُثر عليه فيها.

تُستخدم طريقة التأريخ النسبي عندما نكون على علم مسبق بما تم العثور عليه ومكان العثور عليه. على سبيل المثال، إذا عثرنا على سن تيرانوصور في تكوين هيل كريك، فلن نحتاج إلى مختبر لتحديد عمره الدقيق. فنحن نعرف بالفعل متى عاش التيرانوصور والفترة الزمنية التي يغطيها تكوين هيل كريك.

ولكن ماذا لو صادفنا طبقات صخرية لم تُستكشف بعد؟ في هذه الحالة، تأتي الحفريات الدلالية لنجدتنا. وهي عادةً كائنات حية محددة تنفرد بها فترة زمنية معينة، وقد تم تحديد عمرها بالفعل باستخدام طرق مطلقة. على سبيل المثال، تُعدّ البراكيوبودات حفريات دلالية قيّمة. فهذه الكائنات اللافقارية لا تساعدنا فقط في تحديد عمر الصخور، بل توفر أيضًا معلومات عن البيئة الفيزيائية والجغرافية للمنطقة قيد الدراسة. فعلى سبيل المثال، أشارت البراكيوبودات التي عُثر عليها على ضفاف نهر شيديرتي في عام 2014 إلى أن عمر الصخور يتراوح بين 345 و400 مليون سنة، وأن المنطقة كانت في الماضي بحرًا دافئًا تبلغ متوسط درجة الحرارة السنوية فيه ما بين +5 و+25 درجة مئوية. وبالتالي، فإن بقايا الكائنات الحية الأخرى التي عُثر عليها في نفس الطبقة التي توجد فيها هذه البراكيوبودات تُعزى أيضًا إلى العصر الديفوني.

من الممكن استخدام مؤشرات متعددة. لنتخيل أننا عثرنا على تكوين صخري يحتوي على براكيوبودات معروفة يعود تاريخها إلى ما بين 345 و400 مليون سنة. وفي الطبقات نفسها، إلى جانب البراكيوبودات، نجد ثلاثيات الفصوص التي يرجع تاريخها إلى ما بين 410 و390 مليون سنة. وببعض العمليات الحسابية البسيطة، يمكننا تقدير عمر التكوين الصخري بما يتراوح بين 400 و390 مليون سنة.

بالإضافة إلى ذلك، في طريقة التأريخ النسبي، من الضروري أن نتذكر أن الطبقات تتراكم بالتسلسل. فإذا عثرنا على أحافير نعرف عمرها، فإن الطبقة التي فوقها ستكون أحدث، والطبقة التي تحتها ستكون أقدم.

يتم تحديد العمر الدقيق للحفريات باستخدام الطريقة المطلقة من خلال القياس الإشعاعي (التأريخ بالنظائر المشعة). ويستخدم القياس الإشعاعي نظائر مشعة متنوعة، تعمل كساعات. ويساعدنا الانحلال الإشعاعي المنتظم لهذه النظائر على تحديد العمر الدقيق للصخور من مختلف العصور الجيولوجية، بدءًا من أدوات أسلافنا وصولاً إلى العمر الدقيق للأرض نفسها.

غالبًا ما تساعد الصخور البركانية، التي تترسب على شكل طبقات، في تحديد عمر الحفرية. ومن خلال تحديد عمر الطبقات البركانية الموجودة فوق الحفرية وتحتها، يمكننا تقدير عمر البقايا المكتشفة.

يكمن التحدي في الطريقة المطلقة في أننا قد لا نتمكن دائمًا من العثور على النظير اللازم لعصر معين. على سبيل المثال، عندما يتعلق الأمر بالتأريخ بالنظائر المشعة، غالبًا ما يتبادر إلى الذهن التأريخ بالكربون (التأريخ بالكربون المشع). ومع ذلك، نادرًا ما يُستخدم هذا الأسلوب لتأريخ الحفريات لأن دقته تكون في أفضل حالاتها مع البقايا التي يقل عمرها عن 60,000 سنة. خلال تلك المدة، يمر النظير C-14 بعشرة أعمار نصفية، مما يقلل كميته بمقدار 1,000 مرة.

عمر النصف هو الوقت الذي يستغرقه نصف كمية معينة من النظائر ليتحلل. بالنسبة للكربون-14، تبلغ هذه المدة 5,730 ± 40 سنة. بعبارة أخرى، بعد مرور 5,730 سنة، يتحلل نصف كمية النظير، وبعد مرور 5,730 سنة أخرى، يتحلل نصف الكمية المتبقية، وهكذا دواليك.

ولكن ماذا لو احتجنا إلى تحديد عمر يبلغ ملايين أو مئات الملايين من السنين؟ هناك طرق أخرى متاحة لهذا الغرض تستخدم نظائر مختلفة.

التأريخ باليورانيوم والرصاص تتضمن استخدام نظائر اليورانيوم: اليورانيوم-235 أو اليورانيوم-238. وتعد طريقة اليورانيوم-الرصاص واحدة من أقدم الطرق وأكثرها دراسةً لتأريخ الصخور التي يبلغ عمرها مئات الملايين أو مليارات السنين. وتتميز هذه الطريقة بدقة عالية جدًا؛ فبالنسبة للصخور التي يبلغ عمرها 2 مليار سنة، يبلغ هامش الخطأ ± 2 مليون سنة (0.1%). ومن مزايا هذه الطريقة نطاقها الواسع من حيث العمر. يبلغ عمر النصف لليورانيوم-235 الذي يتحول إلى الرصاص-207 700 مليون سنة، بينما يستغرق تحول اليورانيوم-238 إلى الرصاص-206 4.5 مليار سنة. في بعض الأحيان تُستخدم طريقة اليورانيوم-الثوريوم-الرصاص مع النظير الثوريوم-232. وتستغرق عملية تحول الثوريوم-232 إلى الرصاص-208 فترة تبلغ 14 مليار سنة.

التأريخ بالرصاص-الرصاص تقوم هذه الطريقة بفحص وجود ثلاثة نظائر في الصخور: الرصاص-206، والرصاص-207، والرصاص-204. وتُستخدم هذه الطريقة لتحديد عمر النيازك والصخور التي فقدت نظائر اليورانيوم-235 واليورانيوم-238. وقد استُخدمت طريقة الرصاص-الرصاص لتحديد عمر الأرض. وقد وفرت نسبة الرصاص-207 إلى الرصاص-206، الناتجة عن اضمحلال اليورانيوم-235 واليورانيوم-238 على التوالي، في صخور الأرض والنيازك، تاريخ تكوين الكوكب. وأدق رقم حتى الآن هو 4,567,200,000 ± 600,000 سنة.

التأريخ بالبوتاسيوم والأرجون مفيد لأن البوتاسيوم موجود في العديد من المواد، مثل الميكا، والمعادن الطينية، والرواسب البركانية، والرواسب التبخيرية. ونظرًا لطول عمر النصف، تُستخدم طريقة البوتاسيوم-الأرجون لتأريخ الحفريات التي يزيد عمرها عن 100,000 سنة.

هذه ليست بالطبع الطرق الوحيدة لتحديد عمر أي اكتشاف، سواء باستخدام الطرق النسبية أو المطلقة. فنحن لا نواجه صعوبات تذكر عند تحديد عمر حفرية معروف نوعها وموقعها. لكن الأمر يصبح أكثر صعوبة عندما تفتقر العينة إلى معلومات دقيقة عن موقع اكتشافها أو تكون قد فقدت هذه المعلومات. وينطبق هذا غالبًا على المعروضات القديمة في المتاحف، أو الاكتشافات التي يقوم بها هواة علم الحفريات، أو الحفريات المصادرة من المنقبين غير الشرعيين.