Зачем нужна геология - Дуг МакДугалл
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
Все изменилось с открытием радиоактивности в 1896 году. Как только обнаружилось, что радиоактивные изотопы распадаются с постоянной скоростью, стало очевидно, что это явление можно использовать для геологического датирования. Первым этим занялся один из пионеров исследований радиоактивности физик-экспериментатор Эрнест Резерфорд. Он попросил коллег-геологов передать ему породы, которые они считали очень старыми. По радиоактивным изотопам в этих образцах он установил, что им примерно 500 миллионов лет. Этот поразительный результат потряс научный мир: ведь если результат Резерфорда был верен, то Земле больше 500 миллионов лет, то есть она гораздо старше, чем принято было думать.
По сегодняшним меркам эксперименты Резерфорда были грубыми. С тех пор геохронология — наука о датировании горных пород — добилась больших успехов. Принцип остался тем же самым: мы основываемся на факте, что радиоактивные изотопы распадаются с постоянной скоростью. Однако современные аналитические инструменты способны производить очень точные измерения с очень небольшим количеством материалов, и даты, полученные в результате, тоже очень точны. Все данные о границах на рисунке 1 основаны на радиоизотопном датировании (как обычно называют этот метод), и этот же метод показал, что возраст нашей планеты — от 4,5 до 4,6 миллиарда лет[10]. Время — настолько важная часть расшифровки прошлого, что стоит потратить несколько страниц, чтобы понять, как работает радиоизотопное датирование (иначе — радиометрическое датирование).
Прежде всего нужно сказать, что геологическое время — необъятный промежуток. Четыре с половиной миллиарда лет — срок, который человеку очень трудно осознать. В нашу эпоху миллионеров и дотаций в триллионы долларов само это число не кажется чем-то необычным, однако оказывается колоссальным, если вдуматься в эту цифру. Наш вид Homo sapiens существует примерно 200 000 лет (возможно, немного меньше) — весьма долгое время по большинству стандартов. Однако это мизерная часть возраста Земли — примерно сорок миллионных. Часто проводят аналогию: изображают историю земли в виде воображаемого трехчасового фильма. Три часа для фильма — очень много, однако даже в этом случае Homo sapiens появляется только в последние полсекунды.
Одно из следствий огромного масштаба геологического времени — то, что многие геологические процессы, протекающие с ничтожной скоростью, могут вызвать колоссальные изменения. Как мы увидим далее, литосферные плиты двигаются со скоростью всего несколько сантиметров в год; однако умножьте эту величину на сотни миллионов лет — и окажется, что так могут открываться и закрываться целые океанические бассейны. Целые горные хребты за это время могут подняться, а затем снова исчезнуть в результате эрозии.
Однако вернемся к деталям методов датирования, которые применяют для измерения гигантских промежутков времени: к счастью, в периодической таблице есть много элементов с природными радиоактивными изотопами, и множество природных материалов содержат один или несколько этих изотопов в том или ином количестве. Это значит, что в принципе при разумном отборе образцов датировать можно практически всё. Однако каждая из разработанных учеными процедур датирования имеет определенные ограничения. Например, радиоуглеродное датирование (вероятно, наиболее известный из геохронологических методов) можно использовать только для датировки органического материала, который был частью живого растения или животного, причем материал должен быть моложе 50 тысяч лет. Ограничение вызвано тем, что метод основан на радиоактивном распаде радиоуглерода (углерода-14), который распадается очень быстро. (Число в названии изотопа означает общее количество протонов и нейтронов в ядре атома — в случае углерода-14 в ядре 6 протонов и 8 нейтронов. В научной литературе оно обычно указывается индексом сверху, то есть 14С, однако я буду использовать более длинное, но более удобное для чтения название углерод-14).
Чаще всего методы радиоизотопного датирования, применяемые для горных пород, задействуют изотопы относительно распространенных и известных элементов, например, калия и урана, однако используются также и некоторые более экзотические элементы — например, рубидий, рений и самарий. У каждого из методов есть свои достоинства и недостатки, и выбор самого полезного метода диктуется обстоятельствами — например, геологическими условиями нахождения образца. Самый частый метод для древних пород, с которым мы будем регулярно сталкиваться в этой книге, основан на цепочках распада урана, заканчивающихся изотопами свинца. Одна из причин распространенности уран-свинцового метода датирования — тот факт, что во многих горных породах содержится минерал циркон, который одновременно и достаточно богат ураном, и стоек к изменениям, к тому же его легко извлечь для анализа.
Как можно догадаться по названию, циркон содержит цирконий, а из его химической формулы ZrSiO4 видно, что другими его основными компонентами являются кремний и кислород. Уран присутствует только в следовых количествах, но его концентрация все же гораздо выше, чем в большинстве других минералов, потому что атомы урана легко занимают место циркония в структуре этого вещества. Циркон — твердый и плотный минерал, обычно красноватого цвета; его мелкие зерна повсеместно встречаются в магматических породах. Более редкие крупные кристаллы иногда продают в качестве полудрагоценных камней, однако для геологов настоящая ценность циркона заключается в пользе для датирования. Он настолько устойчив к изменениям, что даже в тех случаях, когда горные породы погружаются вглубь Земли, нагреваются и подвергаются метаморфизму, кристаллы циркона нередко остаются целыми, сохраняя при этом возраст исходной породы. Когда на поверхности планеты породы наподобие гранитов подвергаются выветриванию, многие содержащиеся в них минералы растворяются или превращаются в глину, однако кристаллы циркона выживают. Поэтому песок на пляже неизменно содержит зерна этого минерала.
Наряду с уран-свинцовым методом мы встретимся с другим широко применяемым способом радиоизотопного датирования, который использует распад калия до одного из изотопов аргона. Минерала, который был бы эквивалентен циркону, у калия нет, однако это относительно распространенный на планете элемент, и для датирования можно использовать многие обычные минералы — например, некоторые разновидности слюды и полевого шпата. По различным техническим причинам метод калий-аргонового датирования полезен для более молодых частей геологической летописи.
С помощью уран-свинцового и калий-аргонового методов было получено большинство дат на современной геологической шкале. В тех случаях, когда были доступны подходящие образцы, оба метода применяли
