זמן גאולוגי

הזמן הגאולוגי הוא קצב התרחשותם של המאורעות הגאולוגיים. הוא איטי מאוד וכה ארוך עד שקשה לנו לתפוס אותו בתודעתנו. ובכל זאת פיתח מדע הגאולוגיה שיטות למדידת הזמן הגאולוגי – שתי השיטות הנפוצות ביותר הן שיטת המאובנים והשיטה הרדיואקטיבית, אך יש גם שיטות נוספות.

שיטת המאובנים

שלד מאובן של דימטרודון

מאובן הוא כל שריד של בעלי חיים או צמחים (או שרידים של פעילות של בעלי חיים) שהשתמרו באופן טבעי בסלע. יש מאובנים של עופות, של דגים, של יונקים, אבל גם של עלים או עצים, של מחילות וטביעות כף רגל – כל אלו נחשבים למאובנים.

שיטת המאובנים היא שיטה למדידת גיל של סלע. היא לא נותנת גיל מוחלט/מדויק (כלומר אומרת "בן כמה הסלע"/מתי נוצר הסלע) אלא זמן יחסי, כלומר האם הסלע עתיק יותר מסלע אחר או צעיר ממנו.

שיטת המאובנים מבוססת על תורת האבולוציה בעולם החי והצומח, תורה שהגה החוקר והמדען צ'ארלס דרווין. תורה זו טוענת שבעולם הביולוגי חלה התפתחות מבעלי חיים וצמחים פשוטים וראשוניים (אמבות, בקטריות וכו') לבעלי חיים וצמחים מורכבים ומתקדמים יותר (יונקים, צמחי סחלב – הצמחים המתקדמים ביותר וכו'). מחקר השוואתי של מאובנים של בעלי חיים וצמחים שהשתמרו בסלע מאפשר לקבוע את גילו היחסי – הסלע שיכיל מאובנים פרימיטיביים יהיה קדום לסלע שיכיל מאובנים של בעלי חיים וצמחים מתקדמים.

לא כל מאובן הוא מאובן טוב לצורך השוואה בין דוגמאות סלע, ונעדיף מאובנים בעלי התכונות הבאות:

• מאובנים שלמין שלהם היה טווח קיום קצר (המין נוצר, חי ונכחד תוך זמן קצר של מספר מיליוני שנים).
• מאובנים של בעלי חיים שהייתה להם תפוצה גאוגרפית נרחבת ביותר (כדי שההשוואה תהיה כלל עולמית ולא מקומית).

בעלי חיים ימיים עונים של שני הקריטריונים (תפוצה גאוגרפית וזמן חיים קצר למין).
המאובנים הטובים ביותר להשוואה נקראים מאובנים מנחים – אלו מאובנים של בעלי חיים ימיים שהיה להם טווח קיום קצר (למין שלהם, לא לפרט בודד), שהייתה להם התפשטות גאוגרפית נרחבת, בעלי קליפה קשה, נוכחות נרחבת בסלעים והם קלים להגדרה. דוגמאות בעזרת הטבלה מספרו של עקיבא פלכסר "גיאולוגיה – יסודות ותהליכים", עמוד 203:

• מאובנים שנקראים טרילוביטים חיו רק בעידן שנקרא עידן הפלאוזואיקון. לכן סלע שיש בו טרילוביטים הוא מזמן עידן הפלאוזואיקון. אם לעומת זאת נמצא בסלע שלנו גם טרילוביטים וגם ספירפרים, הרי שצמצמנו את זמן הסלע לפלאוזואיקון העליון.
• תפוצת הדינוזאורים מוגבלת לעידן המזוזואיקון בלבד. אולם אם נמצא בדגימת סלע שרידי דינוזאורים ושרידי יונקים, צמצמנו את זמן הסלע לתקופת הקרטיקון.
• אמוניטים חיו עד לסוף תקופת הקרטיקון, אבל למינים רבים של אמוניטים יש טווח חיים קצר ולכן הם נחשבים למאובנים מנחים מעולים (האמוניטים נכחדו ביחד עם הדינוזאורים).
• ברכיופוד מסוג לינגולה וצדפה מסוג פקטן הן שתי דוגמאות למאובנים שאינם יכולים לשמש מאובנים מנחים מכיוון שהם התקיימו במשך כל הזמנים.
• האדם נוצר לפני זמן קצר מאוד יחסית – מציאת מאובן של אדם בסלע תתארך את הסלע לתקופה הגאולוגית הצעירה ביותר – תקופת הרביעון.

מהדוגמאות הנ"ל ראינו שניתן לקבוע גיל של סלע בעזרת מספר מאובנים או על פי מאובן בודד בעל טווח קיום קצר.

יתרונות השיטה

• מהירה יחסית – רואים ומזהים מאובן ומיד יודעים את הזמן היחסי.
• אין צורך במכשור מיוחד ומסובך – אם המאובנים אינם נראים בעין ניתן לראותם במיקרוסקופ פשוט, כך שניתן להשתמש בשיטת המאובנים גם בשדה (בשטח).

חסרונות השיטה

• השיטה אינה נותנת גיל מוחלט אלא גיל יחסי בלבד.
• לא בכל סלע יש מאובנים – למשל גרניט הוא סלע ללא מאובנים כלל ולכן לא נוכל לתארך אותו בעזרת שיטת המאובנים.

השיטה הרדיואקטיבית

ערך מורחב – תיארוך פחמן-14

השיטה הרדיואקטיבית נותנת זמן מוחלט – מתי בדיוק נוצר הסלע, ובכך יתרונה הגדול. השיטה הרדיואקטיבית מבוססת על העובדה שאיזוטופים מסוימים הם בלתי יציבים ומתפרקים בצורה ספונטנית ליסודות אחרים (תוך שחרור אנרגיה). למשל אשלגן מתפרק והופך לארגון, אורניום הופך לעופרת וכו'. מתברר שלהתפרקות הרדיואקטיבית יש קצב מסוים וקבוע, ששונה מחומר לחומר, לדוגמה: יש לנו 800 אטומים של רובידיום. אחרי 1,622 שנים חצי מהאטומים של הרובידיום הפכו לאטומים של רדון. נשארנו עם 400 אטומים של רובידיום. כעבור עוד 1,622 שנה, חצי מהם הפכו לרדון, וכך הלאה. הזמן שבו מופחתת כמות מסוימת של חומר למחציתה על ידי פירוק רדיו אקטיבי נקרא "זמן מחצית חיים" והוא שונה מחומר לחומר.

פחמן 14 הוא איזוטופ בלתי יציב אשר מתפרק והופך לפחמן-12. זמן מחצית החיים שלו הוא 5,717 שנה, כלומר: תוך 5,717 שנים הופכת מחצית הכמות של פחמן-14 לפחמן-12. בעזרת פחמן-14 מתארכים גיל של מאובנים, וגם ממצאים אחרים ממקור אורגני (חי וצומח). לדוגמה, רמת הגולן עשויה בזלת – סלע שאין בו חלקים אורגניים. באחד מזרמי הלבה שהתקשו והפכו לסלע בזלת נמצאה כבשה מאובנת אשר נלכדה בזרם הלבה החם, מתה, וכשהלבה התקררה לבזלת היא נשארה בתוכה. תיארוך שרידי הכבשה על ידי פחמן-14 קבע שהיא בת 4,000 שנה. מכאן מסיקים שהרי הגעש של רמת הגולן היו פעילים גם לפני 4,000 שנה.

שיטת תיארוך פחמן-14 נחשבת טובה עד גיל של 40,000 שנים, ומאבדת מהדיוק שלה אחר כך. הסיבה היא שבמאובנים בני ארבעים אלף שנים, יחס הכמויות בין פחמן 14 לפחמן 12 הוא בערך 1:128. עבור מאובנים ישנים יותר היחס יורד לחצי בכל 5,717 שנים. כך, למשל, עבור מאובן בן מאתיים אלף שנים, היחס הוא בערך אחד ל-35 מיליארד, וקשה למדוד יחסים כאלה.

הנוסחה לחישוב גיל הסלע באמצעות השיטה הרדיו-אקטיבית

אם מחצית מהאטומים מסוג "מקור" (או מוצא) הופכים לאטומים מסוג "תוצאה" כעבור Y שנים, ואם יש בסלע S אטומים מסוג מקור ו-R אטומים מסוג תוצאה, אז גיל הסלע הוא:

${\displaystyle Y\times \operatorname {log} _{2}\left({\frac {S+R}{S}}\right)}$

הנוסחה משתנה קצת במקרה שבמצב ההתחלתי נוכחים בסלע גם חומר המוצא וגם חומר התוצאה, כמו במקרה של תיארוך לפי פחמן 14.

דוגמה ליישום השיטה: נניח שמצאנו בסלע 600 אטומים של רדון ו־200 אטומים של רובידיום. בן כמה הסלע?
אפשר לחשב בלי הנוסחה: בעבר היו בו 800 אטומים, וכולם של רובידיום. כעבור 1,622 שנים הפכו מחציתם לרדון. עתה היו בסלע 400 אטומי רדון ו-400 אטומי רובידיום. כעבור עוד 1,622 הפכו מחצית מ-400 אטומי הרובידיום הנותרים לרדון, ונותרו 200 אטומי רובידיום ו-600 אטומי רדון. כלומר, התקופה שחלפה היא 2*1622=3244 שנים.

אפשר גם להציב בנוסחה:
${\displaystyle {\begin{matrix}Y=1622\\S=200\\R=600\end{matrix}}}$

הגיל הוא
${\displaystyle {\begin{matrix}Y\times \operatorname {log} _{2}\left({\frac {S+R}{S}}\right)&=&1622\times \operatorname {log} _{2}\left({\frac {200+600}{200}}\right)\\\ &=&1622\times \operatorname {log} _{2}\left({\frac {800}{200}}\right)\\\ &=&1622\times \operatorname {log} _{2}\left(4\right)\\\ &=&1622\times 2\\\ &=&3244\end{matrix}}}$

יתרונות השיטה

• נותנת זמן מוחלט של גיל הסלע
• ההתפרקות הרדיואקטיבית היא ספונטנית ואינה תלויה בגורמים חיצוניים כמו לחץ וטמפרטורה – אם יש חומר רדיואקטיבי בסלע הוא יתפרק בוודאות ובקצב קבוע.

חסרונות השיטה

• מסובכת יותר ולוקחת זמן רב יותר משיטת המאובנים.
• דורשת מכשור מתקדם (שיספור אטומים) שקיים רק במעבדות.
• לא בכל סלע יש יסודות רדיואקטיביים וגם אם יש, ייתכן שהם "נשטפו" בחלקם מהסלע או שהתווספו אטומים נוספים של החומר ממקור חיצוני אחר, וזה משנה את מספר האטומים של החומר ומעוות את התוצאה.
• הדיוק מוגבל למשכי זמן שבהם יש כמויות משמעותיות הן מחומר המוצא והן מחומר התוצר.

ראוי לציין שלמעשה שיטת המאובנים כיום הפכה משיטה שנותנת גיל יחסי, לשיטה שנותנת זמן מוחלט – בעזרת השיטה הרדיואקטיבית תארכו מתי חי כל מאובן ומאובן כך שמאובן מעכשיו יעיד על זמנו המוחלט של הסלע ולא על זמנו היחסי.

שיטות נוספות למציאת הזמן הגאולוגי

1. קביעת גיל בעזרת טבעות עצים – גזעי עצים גדלים מן המרכז והחוצה, בטבעות. עובי הטבעת משתנה בהתאם לתנאי האקלים. ספירת הטבעות מעידה על הגיל.
2. קביעת גיל הסלע בעזרת פלאומגנטיזם – כלומר בעזרת התכונות המגנטיות ש"התאבנו" בסלע. בסלעים מסוימים ישנם מינרלים ברזליים שמצביעים לכיוון צפון בדומה למצפן. מסתבר שהיו תקופות בהם הצפון היה דווקא בדרום כלומר תקופות בהם המצפן היה מצביע דרומה. בסלעים מסוימים אכן המינרלים מצביעים דרומה וזה עוזר בתארוך הסלע לאותן התקופות^[1].
3. קביעת גיל הסלע בעזרת משקעים אגמיים הנקראים וורוות – בתחתית כל אגם מצטברים משקעים: בעונה הגשומה צבעם יהיה חום בגלל הסחף המגיע לאגם עם הנחלים, ובעונה היבשה יהיה צבע המשקעים לבן. כשהאגם נעלם נשארו רק אותם שכבות דקות של משקעים (ורוות) וכל מה שנותר לנו לעשות הוא לספור: שכבה לבנה + שכבה חומה = שנה אחת. גאולוגים ישראלים ספרו שכבות דקיקות כאלה באזור ים המלח ותארכו את האגם הקודם שהיה שם (שמו – ימת הלשון והוא נמשך עד הכנרת). הם ספרו 60,000 שכבות, כלומר זהו גילו של האגם.

ראו גם

• לוח הזמנים הגאולוגי – טבלה של כל התקופות הגאולוגיות

לקריאה נוספת

• עקיבא פלכסר וענת ילין-דרור, גאולוגיה: כדור הארץ - חומרים מבנה ותהליכים, הוצאת כתר.

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא זמן גאולוגי בוויקישיתוף

• זמן גאולוגי, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)

הערות שוליים

1. תופעה הקיימת ברמת הגולן ולכן לעיתים המצפן מראה את הצפון לא בכיוון הנכון