खडकांचे वय

खडकांचे वय : भूवैज्ञानिक पद्धतींनी स्तरित (थरांच्या), विशेषत: ज्यांच्यात जीवाश्म (गतकालीन जीवांचे शिळारूप अवशेष) आहेत अशा खडकांची व त्यांच्याशी संलग्न असलेल्या अग्निज खडकांची सापेक्ष वये ठरविता येतात. शिवाय कोणता एखादा खडक दुसऱ्या खडकापेक्षा जुना किंवा नवा आहे, हे ठरविता येते पण त्यांचे निरपेक्ष वय ठरविता येत नाही. कोणत्याही खडकात जर अशी एखादी प्रक्रिया घडत असेल की, जिच्यामुळे त्या खडकात एका ठराविक वेगाने कोणता तरी बदल होत राहील व त्या वेगाचे आणि बदलामुळे घडून येणाऱ्या एकूण परिणामांचे मापन करता येईल, तर त्या खडकाचे वय ठरविता येईल. किरणोत्सर्गी विघटन (कण अथवा किरण बाहेर टाकून देऊन पदार्थाचे तुकडे होणे) ही अशी एक प्रक्रिया आहे आणि एखाद्या खडकात असलेल्या किरणोत्सर्गी खनिजाच्या विघटनाचे मापन करून त्याचे वय ठरविता येते. किरणोत्सर्गाचा शोध लागून (१८९६) किरणोत्सर्गी खनिजांच्या खडकातील वाटणीविषयी पुरेशी माहिती मिळाल्यावर (१९०६) हे कळून आले.

कोष्टक क्र. १. खडकांचे वय मोजण्यासाठी वापरल्या जाणाऱ्या प्रमुख किरणोत्सर्गी मूलद्रव्यांचे अर्धायुकाल.

(समस्थानिक म्हणजे मूलद्रव्याचा अणुक्रमांक तोच पण अणुभार भिन्न असलेला त्याच मूलद्रव्याचा प्रकार, कोष्टकात प्रत्येक मूलद्रव्याच्या नावाच्या कंसात पुढे दिलेला आकडा त्याच्या अणुभाराचा आहे).

एखाद्या किरणोत्सर्गी मूलद्रव्याच्या विघटनाच्या प्रक्रियेत त्याच्या अणूच्या केंद्रातून कणांच्या व तरंगांच्या रूपाने ऊर्जा सतत बाहेर टाकली जात असते आणि मूळच्या मूलद्रव्याच्या अणूपेक्षा भिन्न अशा मूलद्रव्याचे अणू तयार होत असतात. उदा., किरणोत्सर्गी विघटनात विमुक्त होणारी व उष्णतेच्या स्वरूपाने प्रकट होणारी ऊर्जा वगळली, तर थोरियम (Th²³²) पासून अखेरीस शिसे व हीलियम  (Pb²⁰⁸+6He⁴) असे स्थिर पदार्थ तयार होतात. एखाद्या खनिजातील किरणोत्सर्गी मूलद्रव्याच्या विघटनाचा वेग माहीत असला व त्याच्या विघटनाने तयार झालेल्या नव्या मूलद्रव्याचे व विघटन न झालेल्या अंशाचे मापन करता आले, तर त्या खनिजाचे व त्याच्यावरून ते खनिज ज्याच्यात आहे त्या खडकाचे वय हिशोब करून काढता येते.

निरनिराळ्या किरणोत्सर्गी मूलद्रव्यांच्या विघटनाचा वेग निरनिराळा पण कोणत्याही एका विवक्षित मूलद्रव्याच्या विघटनाचा वेग स्थिर असतो. उष्णता, दाब इ. कोणत्याही भौतिक प्रेरणांचा परिणाम त्याच्यावर होत नाही, असे प्रत्यक्ष प्रयोगांवरून कळून आलेले आहे व गत काळातही तो वेग स्थिर राहिलेला आहे, असे गृहीत धरले जाते..

एका सेकंदात, वर्षात, शतकात किंवा काळाच्या कोणत्याही सोयीस्कर अशा एककात विघटित होणाऱ्या अणूंची संख्या (n) व अणूंची मूळची एकूण संख्या (N) या नेहमी समप्रमाणात असतात. उदा., रेडियमाच्या (N =) १ कोटी अणूंपैकी (n =) ४,२७३ अणूंचे विघटन दरवर्षी होते. n/N या अपूर्णांकाला विघटन स्थिरांक म्हणतात आणि तो λ अक्षराने दर्शवितात. रेडियमाचा λ प्रत्येक वर्षास ०·०००४२७३ इतका भरतो. पण असा स्थिरांक देण्यापेक्षा अणूंच्या मूळ संख्येपैकी निम्म्याइतके अणू शिल्लक राहण्याला लागणारा काळ म्हणजे अर्धायुकाल (T ) देणे सोयीस्कर ठरते.

म्हणजे रेडियमाचे प्रारंभी होते त्याच्या निम्मेच अणू अर्धायुकालाच्या अखेरीस शिल्लक राहतात.

किरणोत्सर्ग मापनाने वय ठरविण्याच्या पद्धतीचे तत्त्व पुढे दिल्याप्रमाणे आहे. एखादे किरणोत्सर्गी मूलद्रव्य असणारे खनिज t वर्षांपूर्वी निर्माण झाले असून त्याच्यातील किरणोत्सर्गी जनक मूलद्रव्याच्या अणूंची संख्या N_p इतकी आहे आणि त्याच्यातील किरणोत्सर्गी मूलद्रव्यांचे विघटन होऊन या काळात निर्माण झालेल्या अखेरच्या वंशज स्थिर मूलद्रव्याच्या अणूंची संख्या N_d इतकी आहे, अशी कल्पना करू. खनिजाचे विश्लेषण करून N_p व N_d ही कळून येतात. प्रयोगशाळेतील मापनावरून जनक मूलद्रव्याचा विघटन स्थिरांक कळतो.

t = (2·323/ λ ) x Log₁₀ (1 + N_d/N_p)

ही माहिती मिळाली म्हणजे वरील समीकरण वापरून किंवा अर्धायुकाल वापरून पुढील समीकरणाने वय मिळते.

t = 3·323 T x Log₁₀ (1 + N_d / N_p)

किरणोत्सर्ग मापनाने वय काढण्याच्या पद्धतीचे तत्त्व साधे असले, तरी प्रत्यक्ष मापनाचे काम अत्यंत अवघड असून ते अचूक व्हावे म्हणून अतिशय काळजी घ्यावी लागते. किरणोत्सर्गी खनिज निर्माण झाल्यापासून ते स्वत: व त्याच्या विघटनाने तयार झालेले पदार्थ सुरक्षित राहिलेले आहेत, याची खात्री करून घ्यावी लागते. नैसर्गिक घडामोडींत त्यांच्यापैकी काही किंवा त्यांचा काही अंश निघून गेलेला नसावा. ते वायुरूप असले, तर त्यांचा कमीअधिक अंश झिरपून किंवा विसरणाने (बाहेरील वायूत मिसळला गेल्याने) निघून जाण्याचा संभव असतो व त्यांचे मापन चुकीचे होते. उदा., हीलियम हा वायू हलका असल्यामुळे कमीअधिक प्रमाणात सहज निसटून जातो. ऑर्‌गॉन हा त्याच्या मानाने भारी असतो, पण तोही निसटून जाण्याचा संभव असतो. त्याचे मापन करून ठरविलेली कित्येक वये वाजवीपेक्षा कमी ठरलेली आहेत.

ज्या खडकांचे किंवा खनिजांचे वय काढावयाचे आहे, त्यांच्या वयाशी स्थूलमानाने जुळणारा असा अर्धायुकाल असणारी किरणोत्सर्गी मूलद्रव्ये वयाच्या मापनासाठी वापरावी लागतात. वयमापनासाठी वापरल्या जाणाऱ्या प्रमुख अशा किरणोत्सर्गी मूलद्रव्यांचे अर्धायुकाल कोष्टक क्र. १ मध्ये दिले आहेत.

यांपैकी पहिल्या पाचांचे अर्धायुकाल प्रचंड असून काही लक्ष ते कित्येक अब्ज वय असणाऱ्या घटनांचे किंवा खडकांचे वय ठरविण्यासाठी त्यांचा उपयोग होतो, पण लहान कालावधी मोजण्यास त्यांचा उपयोग होत नाही. गेल्या सु. चार लक्ष वर्षांत तयार झालेल्या खडकांची वये आयोनियमासारख्या किरणोत्सर्गी मूलद्रव्याच्या साहाय्याने ठरविता येतात. अगदी अलीकडील म्हणजे गेल्या सु. ४०–५० हजार वर्षांतील घटनांच्या वयांच्या मापनासाठी उपयुक्त अशा कार्बन (१४) या कार्बनाच्या किरणोत्सर्गी समस्थानिकाचा शोध १९५१ साली लागला आणि प्राचीन ऐतिहासिक व त्याच्याही पूर्वीच्या मानवी ऐतिहासिक काळातील घटनांची वये ठरविण्यासाठीही कार्बनाच्या या किरणोत्सर्गी समस्थानिकाचा उपयोग होतो [→ किरणोत्सर्गी कार्बन कालनिर्णय पद्धति].

किरणोत्सर्गाचे मान करून वय ठरविण्याच्या १९०० ते १९३८ या अवधीत वापरल्या गेलेल्या पद्धती, युरेनियमाच्या खनिजातील शिसे व युरेनियम यांच्या किंवा विविध खनिजांतील हीलियम व युरेनियम यांच्या गुणोत्तराच्या मापनावर आधारलेल्या होत्या. त्यांच्या फलांवरून खनिजांची वये म्हणजे भूवैज्ञानिक काळाचे अवधी अतिशय दीर्घ असतात हे कळून आले. पण विश्लेषणाच्या त्या काळातील पद्धती एकंदरीत पुरेशा परिणत नव्हत्या. त्यानंतर नव्या तंत्रांचा शोध लागत जाऊन अधिक अचूक पद्धतींचा उपयोग होऊ लागला आणि इतर अनेक किरणोत्सर्गी मूलद्रव्यांचा उपयोग करणे शक्य झाले.

किरणोत्सर्गी विघटनाने युरेनियम (२३८) पासून शिसे (२०६) व युरेनियम (२३५) पासून शिसे (२०७) हे व थोरियम (२३२) पासून शिसे (२०८) असे शिशाचे समस्थानिक तयार होतात. युरेनियमाची पिचब्लेंडासारखी काही थोडी खनिजे वगळली, तर इतर सर्वांत युरेनियमाच्या जोडीने कमीअधिक थोरियम असते व म्हणून अशा खनिजांच्या विघटनाने शिशाचे वरील तीनही समस्थानिक एकाच वेळी तयार होत असतात. यांशिवाय किरणोत्सर्गी विघटनाने तयार न होणारा असा शिशाचा एक समस्थानिक शिसे (२०४) निसर्गात आढळतो. किरणोत्सर्गी विघटनाने तो निर्माण होत नसल्यामुळे त्याची राशी पूर्ववत राहिलेली असते. उलट विघटनाने निर्माण होणाऱ्या शिशाच्या एकूण राशीत सतत भर पडत असते. म्हणून किरणोत्सर्गी खनिजातील शिशाचे मापन करताना त्यातील शिसे (२०४) हा समस्थानिक एकूण शिशातून वजा करावा लागतो. ज्याच्यात युरेनियम व थोरियम ही लक्षात घेण्याइतक्या प्रमाणात आहेत अशी खनिजे सर्वांत महत्त्वाची होत. इतर किरणात्सर्गी खनिजांपैकी सर्वांत उपयुक्त म्हणजे पोटॅशियम व रुबिडियम यांची खनिजे होत. फेल्स्पार, अभ्रक यांसारख्या सामान्य खनिजांत व समुद्राच्या तळावरील गाळाच्या खडकांत तयार होणाऱ्या ग्लॅकोनाइट नावाच्या हिरव्या रंगाच्या खनिजात या दोहोंपैकी एक किंवा पुष्कळदा दोन्हीही आढळतात. बीटा विघटनाने (येथे ऋण बीटा कणाच्या म्हणजे निगॅक्ट्रॉनाच्या-इलेक्ट्रॉनाच्या उत्सर्जनाने) रूबिडियम (८७) चे स्ट्राँशियम (८७) होते. पोटॅशियम (४०) या पोटॅशियमाच्या समस्थानिकाचे विघटन अधिक जटिल रीतीने होते. विघटित होणाऱ्या अणूंपैकी शेकडा सु. ८९ इतक्यांचे बीटा विघटन होऊन कॅल्शियम (४०) हा कॅल्शियमाचा समस्थानिक तयार होतो. उरलेल्या सु. ११ टक्के अणूंपैकी प्रत्येकाच्या केंद्राकडून एकेक कक्षीय इलेक्ट्रॉन पकडला जातो व पोटॅशियम (४०) याचा आर्‌गॉन (४०) बनतो. कॅल्शियम हे निसर्गातील अत्यंत सामान्य मूल्यद्रव्य आहे. ते मुख्यत: कॅल्शियम (४०) स्वरूपात असते. त्याच्या मानाने पोटॅशियमापासून होणाऱ्या कॅल्शियमाची राशी उपेक्षणीय असते. म्हणून वयमापनासाठी किरणेत्सर्गी विघटनाने निर्माण झालेल्या कॅल्शियमाचा उपयोग होत नाही. आर्‌गॉनाचा उपयोग होऊ शकतो, पण तो वायू निसटून जाण्याचा संभव असतो. पोटॅशियम-आर्‌गॉन पद्धतीच्या मानाने रूबिडियम –स्ट्राँशियम पद्धतीने काढलेली वये अधिक विश्वसनीय असतात.

(वापरलेली खनिजे : शु – शुभ्र अभ्रक, कृ – कृष्णाभ्रक, यु – युरॅनिनाइट)

किरणोत्सर्गी मूलद्रव्याच्या विघटनाचा स्थिरांक (λ ) व त्याचा अर्धायुकाल (T ) यांची मूल्ये माहीत असली म्हणजे

Pb²⁰⁶/U²³⁸, Pb²⁰⁷/U²³⁵, Pb²⁰⁸/Th²³²Sr⁸⁷/Rb⁸⁷ व Ar⁴⁰/(K⁴⁰ चा ११%)

या गुणोत्तरांवरून खनिजाचे किंवा ते खनिज असलेल्या खडकाचे वय मिळते. Pb²⁰⁷/Pb²⁰⁶ या गुणोत्तरावरूनही वय ठरविता येते.

उदाहरणादाखल निरनिराळ्या किरणोत्सर्गी खनिजांचे मापन करून मिळालेली दोन खडकांची वये कोष्टक क्र. 2 मध्ये दिलेली आहेत. ऑरगॉन हा वायू निसटून जाण्याचा संभव असतो आणि ऑरगॉनाच्या मापनावरून काढलेली वये किंचित कमी भरतात हे या उदाहरणांवरून दिसून येईल.

किरणोत्सर्गी पद्धती वापरून मिळालेली पृथ्वीवरील सर्वांत जुन्या खडकांची वये ३·२ ते ३·४ अब्ज वर्षे इतकी असल्याने आढळून आलेले आहे. ते खडक म्हणजे रशियाच्या कोला द्वीपकल्पातील कटार्कियन खडक, ग्रीनलंडमधील इव्हिगुट गटाच्या अवशिष्ट भागाचे खडक, झाईरेतील कसाई व पश्चिम नाईल येथील खडक आणि स्वाझीलँडमधील अधिक जुना ग्रॅनाइट हे होत. भारतातील सर्वांत जुन्या अशा पूर्व धारवाडी खडकांच्या वयाचे मापन झालेले नाही. कोलारच्या खाणीतील मध्य धारवाड कालीन सोन्याच्या धातुकाचे (कच्च्या धातूचे) वय २·४ अब्ज वर्षे भरते.

कार्बनाच्या कार्बन (१४) या किरणोत्सर्गी समस्थानिकाच्या साहाय्यानेही खडकांचे वय मोजता येते. हिमकालाच्या उत्तर भागातील खडकांची व खोल समुद्राच्या तळात भोके पाडून मिळविलेल्या त्या काळातील गाळांची वये ठरविण्यासाठी किरणोत्सर्गी कार्बन पद्धती अतिशय उपयुक्त ठरली आहे.

किरणोत्सर्ग मापनाने वय काढताना ज्यांचे वय काढावयाचे त्या खडकांचे नमुने मिळविणे व त्यांच्यातील किरणोत्सर्गी खनिजे वेगळी काढणे ही कामे अतिशय काळजी पूर्वक व खडकांचे नमुने किंवा किरणोत्सर्गी खनिजे संदूषित होणार नाहीत किंवा गमावणार नाहीत, अशा रीतीने करावी लागतात. किरणोत्सर्गी मूलद्रव्यांचे व त्यांच्या विघटनाने तयार झालेल्या पदार्थांचे अचूक मापन करण्यासाठी काही खास रासायनिक किंवा भौतिक पद्धती वापरल्या जातात. आधीच उपलब्ध असलेल्या पद्धतींत सुधारणा करणे व नव्या नव्या पद्धती शोधून काढणे यांविषयी अन्वेषण (संशोधन) चालू असून त्याबाबतीत प्रगतीही होत आहे. उदा., सागरांच्या खोल तळावर असलेल्या गाळांच्या थरात भोके पाडून मिळविलेल्या नमुन्यांचे वय ठरविण्याच्या एका नव्या पद्धतीचा शोध १९६१ साली लागलेला आहे. त्या पद्धतीने गेल्या १,७५,००० वर्षांपर्यंतच्या काळात सागराच्या तळाशी साचलेल्या खडकांचे वय काढता येते. या पद्धतीत प्रोटॅक्टिनियम व आयोनियम यांच्या गुणोत्तराचा (Pa²³¹/Th²³⁰) उपयोग केला जातो. या पद्धतीचा उपयोग करून आतापर्यंत काढलेली वये कार्बन (१४) पद्धतीने काढलेल्या वयांशी चांगली जुळत असल्याचे दिसून आले आहे.

संदर्भ : 1. Aldrich, L.T. Wetherill, G.W. Geo-chronology by Radioactive Decay, 1958.

2. Hamilton E. I. Applied Geo-chronology, 1965.

3. Holmes A. Principles of Physical Geology, London, 1965.

4. Russel, R.D. Farquhar, R. M., Lead Isotopes in Geology, New York, 1960.

सोवनी, प्र. वि.