Геологические часы - Александр Олейников

Изучение возраста Земли на основании выявления закономерностей радиоактивного распада началось еще в первые годы нынешнего века. Удалось установить, что гелий, впервые обнаруженный на Солнце и получивший свое название по имени древнегреческого бога этого светила Гелиоса, встречается на Земле достаточно часто, причем родителями его всегда являются радиоактивные элементы уран и торий. Первые опыты определения возраста минералов по этим элементам провел великий английский физик Эрнест Резерфорд.

Последующие работы зарубежных и советских ученых принесли много ценных сведений о законах радиоактивного распада и заложили основы приближенного исчисления геологического возраста Земли в абсолютных единицах времени.

Новые горизонты открыло перед естествоиспытателями знание процессов радиоактивности. Это позволило рассматривать кристаллы минералов в качестве природных хронометров, отсчитывающих ход геологического времени. В различных районах Земли были вновь изучены разрезы земной коры, возраст которых был установлен ранее по шкале относительной геохронологии. Полученные данные показали, что возраст горных пород, определенный «абсолютным» методом, в общих чертах совпадает с последовательностью, которую давала для этих пластов традиционная геология. Стрелка уранового хронометра достаточно определенно указывала очередность напластований: одни отложения оказались более древними, другие - более молодыми, как и предполагали раньше геологи.

Представилась возможность проверить некоторые старые предположения о происхождении и развитии нашей планеты. Процессы радиоактивного распада приводят к выделению тепловой энергии, которая постоянно поступает из недр к поверхности Земли. Этот факт заставил отвергнуть гипотезу об однонаправленном остывании земного шара. Пришлось отказаться и от космогонических моделей, подобных тем, которые были взяты в основу геохронологических определений Бюффоном и Томсоном.

Полученные физиками новые сведения сразу «удлинили» земную историю сначала до 200 млн. лет, а вскоре и до 2 млрд. лет. Учение об абсолютном возрасте Земли обретало силу.

ВЕЧНЫЕ ЧАСЫ

О появлении новых элементов и о нескольких способах определения возраста земных слоев

Специалистам, занимающимся установлением возраста древних отложений, пришлось иметь дело с огромным разнообразием горных пород. Одни породы являются первичными продуктами земных недр, другие возникли в результате их разрушения и изменения.

При процессах выветривания образуются глины, пески и галечники; в водных бассейнах происходит химическое осаждение солей; в итоге жизнедеятельности организмов могут формироваться известняки, кремнистые породы и залежи каменного угля. Все эти породы называются осадочными.

Расплавленная магма, внедряясь из глубин Земли в толщу земной коры и застывая в ней, дает породы, получившие название интрузивных (граниты, сиениты, габбро и др.). Если же магме удается достигнуть земной поверхности, образуются вулканогенные породы: эффузивы (застывшие потоки лавы) и туфы (вулканический пепел и продукты его переработки). Интрузивные и эффузивные породы называют магматическими.

Под действием давления, высокой температуры и химически активных веществ магматические и осадочные образования могут совершенно изменить свой облик и перейти в перекристаллизованное состояние. Таковы, например, гнейсы, кристаллические сланцы, мраморы. Эти породы названы метаморфическими.

Каждому типу пород присущ своеобразный комплекс минералов. Различно происхождение этих минералов, различна их история. Химические компоненты, входящие в состав вещества минералов, ведут себя по-разному. Поэтому, ставя перед собой задачу определить возраст горной породы, необходимо тщательно изучить ее происхождение и выбрать из арсенала научных методов те, которые могли бы обеспечить наибольшую достоверность ожидаемых результатов.

Как известно, радиоактивность может проявляться в двух основных формах, получивших название альфа (a)- и бета (b)- распада. При альфа-распаде ядро радиоактивного элемента испускает альфа-частицу - ядро атома гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов, и один квант гамма-излучения. При бета-распаде ядро излучает бета-частицу, которая представляет собой электрон, и нейтрино. Оба вида распада сопровождаются нагреванием окружающего вещества. Кроме того, ядро может иногда захватывать электрон с ближайшей электронной оболочки, излучая при этом нейтрино. На изучении этих процессов и построены главнейшие методы абсолютной геохронологии.

Одним из первых способов определения абсолютного возраста был уже упоминавшийся свинцово-изотопный метод, основанный на изучении процессов распада изотопов уран-238, уран-235 и торий-232. По соотношению этих элементов и изотопов свинца, образующихся в результате их радиоактивного распада, удается с высокой точностью установить время появления горной породы.

Однако урановые и ториевые минералы недостаточно стойкие, легко разрушаются и, кроме того, не так уж часто встречаются в природе. Это поначалу накладывало существенные ограничения на использование свинцового метода. Но поскольку содержание урана и тория в горных породах не оставалось постоянным в ходе геологической истории, изменения эти неизбежно должны были отразиться и на соотношении продуктов их распада. Следовательно, совершенно необязательно, чтобы в минералах непременно присутствовали уран и торий. Достаточно, если нам будет известен, например, изотопный состав содержащегося в минерале свинца.

Природный свинец представляет собой смесь четырех изотопов, из которых три (свинец-206, -207, -208) являются продуктами радиоактивного распада. Анализы показывают, что в образующихся ныне слоях эти изотопы содержатся в отношении

204Pb:206Pb:207Pb:208Pb = 1:19,04:15,69:39,00.

В отложениях минувших эпох это соотношение изменяется: чем древнее горная порода, тем меньше в ней радиогенных изотопов свинца.

По известной нам скорости распада материнских элементов нетрудно вычислить, какое количество каждого изотопа должно присутствовать в породах того или иного возраста. Если же установить, в каком соотношении пребывают изотопы свинца в интересующем нас минерале, можно решить и обратную задачу: по количеству изотопов установить время образования породы.

Свинец неплохо исполняет роль «метрического свидетельства» горных пород, особенно в тех случаях, когда приходится иметь дело с большими залежами, насыщенными этим элементом. Но распространен свинец в земной коре неравномерно. При сравнении результатов многочисленных анализов было замечено, что в одних местах количество свинца по отношению к урану и торию явно занижено, а в других - чрезмерно завышено.

Радиоактивное семейство урана-235. Для каждого изотопа приведен период полураспада.

Поэтому, пользуясь при определении геологического возраста одними только изотопами свинца, можно впасть в серьезную ошибку. Лишь для очень древних отложении свинцовый метод дает погрешность около 10%, с которой еще можно примириться, учитывая колоссальную отдаленность времени их образования, исчисляемую миллиардами лет. В остальных же случаях «свинцовый» возраст горной породы желательно проконтролировать с помощью иных элементов.

На подсчете содержания в породе продуктов радиоактивного распада урана и тория основан и другой метод, получивший название гелиевого. И уран и торий выделяют при распаде гелий:

238U - 206Pb + 84He;

235U - 207Pb + 74He;

232Th - 208Pb + 64He.

В геохронологической лаборатории определяют количество скопившегося в породе радиогенного гелия, находят отношение его к общему содержанию урана и тория. Затем вычисляют, сколько должно было пройти лет, чтобы в исследуемом веществе установилось наблюдаемое соотношение этих элементов.

Гелий хорошо сохраняется в магнитном железняке, самородном железе, а также в некоторых силикатных минералах, приуроченных к обогащенным железом магматическим горным породам. Удалить гелий из таких пород можно лишь продолжительным действием высокой температуры. Но зато из остальных минералов этот газ легко улетучивается, и поэтому абсолютный возраст, определенный гелиевым методом, как правило, оказывается заниженным. Это досадное обстоятельство заставило искать другие, более надежные геологические часы.

Ленинградскими учеными внедрен метод, использующий накопление в горных породах другого инертного газа - аргона. Он основывается на подсчете количества радиогенного аргона в минералах, содержащих калий. Таких минералов, к группе которых принадлежат все слюды и полевые шпаты, в природе очень много, и распространены они повсеместно. Поэтому аргоновый метод быстро нашел широкое применение в советских и зарубежных геохронологических лабораториях.