رازگشایی از سن زمین

اشاره:

سیاره ی زمین حدود 4/5 میلیارد سال پیش شکل گرفته است. این تصویری است که امروزه در مورد زمان پیدایش زمین در جامعه ی علمی وجود دارد. اما این سن آیا واقعی است یا اینکه بر اساس حدسیات است؟ در گذشته سن های مختلفی برای پیدایش زمین در نظر گرفته می شد، تا اینکه با پیشرفت علوم در قرن بیستم و استفاده از فناوری های نوین، استفاده از زمان سنج های ایزوتوپی به ابزاری مطمئن برای سنجش سن بدل شد و سن سنگ های مختلف زمین با دقت تعیین شدند

قدم های نخستین:

اینکه چه کسی و در چه زمانی برای نخستین بار سن زمین را تخمین زده است، ما هیچ گاه نخواهیم فهمید. ولی مشخص است که بشر از گذشته های خیلی دور در مورد این سؤال جالب کنجکاو بوده است. اینکه زمین کی «خلق شد؟ آیا تشکیل آن هم زمان با تشکیل بقیه ی اجرام کیهانی همچون ماه و خورشید و ستاره ها بوده است. یا این که زمین به شکل دنیایی مستقل از دیگر نقاط کیهان به وجود آمده است؟ اما به سبب نبود علم کافی جواب این سؤال ها فقط در قالب استدلال های عجیب و غریب ارائه می شدند که برخی از آن ها در اسناد مربوط به چند هزار سال پیش هم دیده می شوند. تخمین هایی به دست افراد مختلف از فرهنگ های متفاوت انجام شده که بیش ترشان سن زمین را بر اساس باورهای مذهبی شان بین پنج هزار تا ده هزار سال می پنداشتند. سنی که هندوها تخمین زده بودند خیلی بیشتر از این ها بود و آن ها معتقد بودند که زمین در یک میلیارد و 972 میلیون و 949 هزار و 94 سال پیش تشکیل شده است. سنی که امروزه با پیشرفت علوم هنوز نمی توانیم برای سنگی با چنین دقت حساب کنیم! اما در دنیای جدید و با پیشرفت علوم، نتایج باید بر اساس شواهد تجربی و قابل لمس ارائه می شدند. دانشمندان اروپایی از قرن هجدهم به کمک مشاهده، محاسبات و تئوری های علمی روش هایی را برای تعیین سن زمین ابداع کردند، جالب ترین آن ها ساخت زمان سنج با استفاده از آهنگ سرد شدن زمین و میزان انباشت سالیانه ی نمک در اقیانوس ها بود. لرد کلوین با این فرض که زمین در زمان تشکیل کاملاً مذاب بوده است و با در نظر گرفتن دمای کنونی سنگ های نزدیک سطح و زمان لازم برای رسیدن به این دما، سن 20 میلیون تا 400 میلیون سال را برای زمین محاسبه کرد. افراد گیری نیز بعدها با این روش سن زمین را در محدوده های سنی بسیار پراکنده ای محاسبه کردند؛ سن هایی کمتر از 100 میلیون تا 1300 میلیون سال. مشکل اساسی این روش در نظر نگرفتن جریان های همرفتی درون زمین و گرمای حاصل از واپاشی مواد پرتوزا بود که در آن زمان ناشناخته بودند و منجر به بالا رفتن دما در سنگ های نزدیک به سطح می شدند. امکان استفاده از میزان شوری اقیانوس ها برای ساخت ساعت زمین شناسی و محاسبه ی سن اقیانوس ها نیز از حدود 300 سال پیش مطرح بود. در این مدل فرض می شد که اقیانوس ها در ابتدا منابع عظیمی از آب شیرین بودند که با طی زمان، با اضافه شدن نمک ها از طریق رودخانه ها، به شکل مواد محلول شور درآمدند. با تبخیر آب از سطح اقیانوس ها و بارش آن در خشکی، مواد معدنی به شکل محلول از سطح زمین شسته می شوند و در نهایت به اقیانوس می رسند. اگر ما تخمینی از میزان مواد محلولی که هر ساله از طریق رودخانه ها به اقیانوس ها می ریزند، داشته باشیم و میزان نمک اقیانوس ها را نیز اندازه گیری کنیم، می توانیم سن تشکیل اقیانوس ها را تخمین بزنیم. اما این کار با مشکلات اساسی مواجه است. از جمله این که در این مدل آب اقیانوس های نخستین، کاملاً خالص در نظر گرفته می شود و دیگر این که اقیانوس ها محلی فرض می شوند که تغییری در میزان نمک آن در طی زمان صورت نگرفته است. در حالی که امروزه می دانیم این فرض اشتباه است و مقادیر فراوانی از نمک ها از اقیانوس ها به شکل نهشته های عظیم وهمچنین در طی فرورانش ( لغزش ورقه ی زمین شناسی به زیر ورقه ی دیگر) جدا می شوند. فرض اشتباه دیگراین است که میزان نمک ورودی در طی زمان ثابت فرض می شد که امروزه می دانیم این فرض نیز اشتباه است. دانشمندان بسیاری با استفاده از این روش تخمین هایی برای سن اقیانوس ها ارائه دادند که بیشتر آن ها درمحدوده ی چند ده میلیون سال بود. بررسی سرعت بسیار آهسته ی رسوب گذاری در دریاها و مشاهده ی لایه های ضخیم سنگ های رسوبی، سن بسیار بیشتری را نشان می داد. اما رسوب گذاری نیز زمان سنج مطمئنی نبود.

یک زمان سنج مطمئن

در اواخر قرن نوزدهم خاصیت پرتوزایی برخی عناصر کشف شد که بعدها با پیشرفت فیزیک اتمی معلوم شد که طی آن اتم های ناپایدار با آزاد سازی انرژی و ذره در نهایت به اتم های پایدار تبدیل می شوند. بیشتر اتم های عناصر، تعداد نوترون و جرم اتمی متفاوت اما عدد اتمی ثابت دارند که ایزوتوپ نامیده می شوند. برای مثال سرب چهار ایزوتوپ طبیعی و اصلی با اعداد جرمی 204، 206، 207 و 208 دارد یا عناصر دیگر که ایزوتوپ های طبیعی و مصنوعی دارند. ایزوتوپ ها خود به دو شکل ناپایدار (رادیواکتیو) و پایدار دیده می شوند که انواع ناپایدار با گذشت زمان به ایزوتوپ های پایدار تبدیل می شوند. که برای نشان دادن مدت زمان لازم برای رسیدن به حالت پایدار می توان از نیمه عمر استفاده کرد. نیمه عمر، زمان لازم برای کاهش ایزوتوپ های ناپایدار به نصف و تبدیل آن ها به ایزوتوپ های پایدار است. هر ایزوتوپ ناپایدار با میزان ثابتی به ایزوتوپ های پایدار تبدیل می شود که این بهترین زمان سنج را برای زمین شناسان فراهم می آورد. در طی تشکیل کانی (کانی عنصر با ترکیب شیمیایی همگنی است که به طور طبیعی تشکیل می شود) یا مجموعه ای از کانی ها - که سنگ می نامیم - ایزوتوپ های مختلف وارد شبکه اتمی شده و طی زمان تبدیل به ایزوتوپ های پایدار می شوند. اگر سیستم بسته باشد یعنی میزان ایزوتوپ ها کم یا زیاد نشده باشند، می توانیم با استفاده از طیف سنج های جرمی و اندازه گیری فراوانی ایزوتوپ ها، سن سنگ یا کانی را به دست بیاوریم.
در سن سنجی، از ایزوتوپ های مختلفی استفاده می شود. که هر سیستم نیمه عمرهای متفاوتی دارد. مانند ایزوتوپ روبیدیوم 87 (87 عدد جرمی این ایزوتوپ است) که با نیمه عمر 8/ 48 میلیارد سال به استرونسیم 87 تبدیل می شود و برای سنجش سن سنگ های قدیمی خیلی مناسب است و ساماریوم 147 که با نیمه عمر بسیار طولانی 106 میلیارد سال به نئودیمیوم 143 تبدیل می شود.

محاسباتی برای سن زمین

با در نظر گرفتن این فرض که زمین از اجتماع قطعات کوچک تر در یک سحابی اولیه ایجاد شده است و اینکه اختلاف زمانی بین تشکیل آن قطعات و تشکیل زمین در مقیاس کیهانی کم بوده است. از نمونه های این قطعات برای بیان سن زمین و منظومه ی شمسی استفاده می شود.
شهاب سنگ ها در واقع نمونه هایی از آن قطعات هستند، اجرامی که در دام گرانش زمین می افتند و با عبور از جوبه سطح زمین راه پیدا می کنند. بیشتر شهاب سنگ ها برخلاف سنگ های زمینی دچار تغییر و تحول زیادی نشده اند و نمونه های بکری از روزهای اولیه منظومه ی شمسی به حساب می آیند. برای سن سنجی انواع شهاب سنگ ها از روش های مختلفی استفاده شده است که همه ی آن ها سن هایی حدود 5/4 میلیارد سال را نشان می دهند. البته نمونه سنگ های مریخی (مانند زاگامی با سن 116 میلیون سال) و کره ی ماه (بازالت های ماه با سن 7/3 میلیارد) سن های کمتری دارند که دلیل آن فعالیت های آتشفشانی گسترده در سطح این اجرام است که تا مدت زمان طولانی پس از تشکیل شان ادامه داشته است.
برای سنجش سن زمین از گروه های مختلف شهاب سنگی استفاده شده است. درجدول زیر سن شهاب سنگ کندریت رایج سینت سورین ( Saint - Severin) که در سال 1345/ 1966 در فرانسه سقوط کرد و با استفاده از روش های سن سنجی متفاوت محاسبه شده است. آورده شده است.

قدیمی ترین سنگ های زمین

زمین سیستم بسیار پیچیده ای است. صفحات سخت و عظیم تکنونیکی که روی لایه ای می لغزند و در مناطقی از هم دور می شوند و در مناطقی به یکدیگر برخورد می کنند. با اینکه سرعت این پدیده ها در مقیاس انسانی بسیار کم است (سرعت باز شدن پشته ی شرقی اقیانوس آرام حدود 10 سانتی متر بر سال است که سرعت بالایی محسوب می شود) در طی زمان های زمین شناسی، منجر به تشکیل اقیانوس ها و بسته شدن آن ها و دیگر اتفاقات عظیم زمین شناختی می شود. طی این پدیده ها قسمت اعظمی از سنگ ها تولید شده دوباره به اعماق زمین می روند و با ذوب خود سنگ های جدیدی را ایجاد می کنند؛ این پدیده ای است که چرخه ی سنگ نامیده می شود و یکی از دلایلی است که نمی توانیم سنگ های بسیار قدیمی متعلق به روزهای اولیه ی زمین را به وفور ببینیم و به نوعی این سنگ ها کمیاب هستند و در مناطق خاصی از زمین که کمتر تحت تأثیر حوادث بعدی قرار گرفته اند؛ دیده می شوند. این مناطق که درون قاره ها جای دارند سپر نامیده می شوند علت دیگر کمیاب بودن سنگ های بسیار قدیمی در زمین، حضور مقادیر فراوان سنگ های رسوبی و دیگر سنگ های جوان تر است که به شکل پوششی روی این سنگ ها را پوشانده اند و مانع از دیده شدن آن ها در سطح می شوند. بر اساس تقسیم بندی های زمین شناسی، زمان قدیمی تر از 3800 میلیون سال را هادئن ( Hadean) و محدوده ی بین 3800 میلیون تا 2500 میلیون سال پیش را آرکئن ( Archean) نامیده اند. قدیمی ترین سنگ های زمین که خیلی کم، برونز دارند، متعلق به آرکئن هستند. سنگ هایی نیز در چند سال اخیر کشف شده اند که سن شان حتی به هادئن می رسد. امروزه سن سنجی این سنگ ها یکی از بحث های اصلی در همایش های مربوط به تاریخ منظومه ی شمسی و سیاره زمین است. قدیمی ترین ماده ی زمینی، گروهی از کانی های زیرکن در جک هیلز غرب استرالیا است. زیرکن با ترکیب شیمیایی (〖ZrSiO〗_4 ) یکی از کانی های متداول برای سن سنجی است. مقاومت بالای این کانی در برابر حوادث بعدی همچون فرسایش وحوادث دگرگونی اجازه ورود و خروج ایزوتوپ ها را به درون سیستم نمی دهد و در نتیجه دقت سن سنجی را بالا می برد. خود کانی های زیرکن در جک هیلز درون ماسه سنگ ها قرار دارند. سنگی رسوبی که از قطعات دیگر تشکیل شده اند. دراین نوع سنگ ها دانه های قدیمی وبا سن متفاوت که دراثر هوازدگی از سنگ اصلی شان کنده شده اند، کنار یکدیگر جمع شده و سنگ جوان تر را تشکیل می دهند. سن ماسه سنگ های جک هیلز حدود 3 میلیارد سال پیش است، در حالی که قدیمی ترین دانه زیرکن داخل آن نزدیک به 35/4 میلیارد سال سن دارد که نشان دهنده ی وجود سنگ های اولیه با این سن در آن دوران است.

سن محاسبه شده(میلیاردسال)	نیمه عمر (سال)	روش سن سنجی
15/0- /+68/4	6/41	رِنیم – اوسمیوم
33/0 - / + 55/ 4	106	ساماریوم – نئودیمیوم
15/0 - /+51/4	8/48	روییدیوم – استرونسیوم
019/0- /+543/4		سرب - سرب

شواهد ایزوتوپی دیگر که درون این کانی ها محبوس شده بودند. نشان می دهند که در زمان تشکیل این کانی ها آب مایع در سطح سیاره ی زمین وجود داشته است. همان طور که گفته شد قدیمی ترین سنگ های زمین در سپرها دیده می شوند که مهم ترین آن ها در کانادا، آفریقا و استرالیا قرار دارند. سن سنجی های اخیر که روی سنگ های اسیدی
واقع در سپر کانادا انجام گرفته است. سن حدود 4 میلیارد سال را نشان می دهد. گروهی از سنگ های قدیمی نیز در اطراف خلیج هادسون برونزد دارند که سن سنجی های انجام گرفته به روش ساماریوم – نئودیمیوم سن 4280 میلیون سال را نشان می دهد. اگر چه کارهای بعدی نشان دادند که این سن زمان جدایش ماگمای مولد این سنگ ها را از گوشته نشان می دهند و سن تشکیل آن ها 8/3 میلیارد سال پیش است.
توضیح عکس:
نواحی قرمز رنگ سپرهای قاره ای را نشان می دهند. مناطق قهوه ای رنگ نیز نشان دهنده ی کمر بندهای چین خورده هستند که در اثر فشارهای تکنونیکی صفحات تغییر کرده اند.

قدیمی ترین سنگ های ایران

سرزمین ایران از جالب ترین مناطق برای زمین شناسان است، ناحیه ای از زمین که در آن سنگ های متعلق به قبل پیدایش حیات پیشرفته دیده می شوند تا آتشفشان هایی که نیمه خفته اند. زمین شناسان خارجی و ایرانی از گذشته در مورد سنگ های قدیمی ایران تحقیق کرده اند و سنگ هایی را به پر کامبرین ( قبل از 545 میلیون سال) نسبت داده اند اما تعیین سن این سنگ ها بیشتر نسبی بود ( در روش سن سنجی نسبی، از روابط صحرایی سنگ ها استفاده می شود و نتیجه ی نهایی نشان می دهد که توده ای سنگی از توده ی دیگر جوان تر یا قدیمی تر است و برخلاف سن سنجی مطلق داده کمی دراختیار نمی گذارد.) کارهای بعدی زمین شناسان که به کمک دستگاه های جدید و استفاده از روش های سن سنجی ایزوتوپی بودند، نشان دادند که سن بیشتر سنگ ها کمتر از چیزی است که تصور می شد.

قدیمی ترین سنگ ها در کجای ایران واقع اند؟

زمین شناسان از گذشته توده های گسترده ای را از سنگ های دگرگونی و آذرین در حوالی ساغند ( واقع در جنوب شرقی یزد) شناسایی کرده بودند که کارهای تکمیلی دکتر حقی پور ( از اساتید بنام زمین شناسی) در سال 1352 سن پرکامبرین را برای آن ها پیشنهاد داد که بر پایه سن سنجی نسبی بود کارهای اخیر دکتر رمضانی که در دانشگاه واشنگتن انجام داده بودند (مشغول به تحقیق در MIT ) و همه آن ها برسن سنجی های ایزوتوپی استوار بودند. نشان دادند که در واقع سن گروهی از سنگ های این ناحیه بسیار زیاد است. تعدادی از دانه های زیر کنی که درون این سنگ ها قرار دارند، سنی حدود 5/1 میلیارد تا 8/1 میلیارد سال را نشان می دهند در حالی که نمونه ای از زیرکن ها سن حدود 141/2 میلیارد سال را نشان می دهند.
منبع: نشریه نجوم، شماره 218