Краткая история планеты Земля: горы, животные, огонь и лед - Дж. Д. Макдугалл

Датирование с помощью углерода 14 было применено для определения возраста Туринской плащаницы, раковин из мусорных куч североамериканских индейцев, доисторических извержений вулканов на Гавайских островах. Как же конкретно производится датирование определенных образцов с помощью этого метода? Во-первых, нужно найти материал, который содержит углекислоту (и значит, углерод 14), заимствованную из атмосферы. Для этого подойдет все, что угодно, лишь бы оно содержало углерод и было живо во время события, время которого мы хотим определить, хотя некоторые вещества более пригодны для этого, чем другие. Часто используются растительные остатки, как, например, древесина или даже древесный уголь. Когда растение умирает или падает под ударами топора, или сгорает в лавовом потоке и поглощается им, оно перестает связывать углерод из атмосферы; начиная с этого момента содержащийся в нем радиоактивный углерод 14 начинает распадаться в соответствии с хорошо известной величиной — постоянной распада и с графиком, показанным на рис. 6.2. Если образец старого дерева имеет возраст, точно соответствующий периоду полураспада углерода 14, то есть 5700 лет, то он содержит в точности 50% количества этого изотопа, которое содержится в современных растениях; если его возраст равен двойному периоду полураспада — то 25% и так далее. Из рис. 6.2 очевидно, что после времени, равного нескольким периодам полураспада, остается не так уж много радиоактивного изотопа. И все же современная техника позволяет определить исключительно малые количества углерода 14 и таким образом измерить возраст образцов до сорока или пятидесяти тысяч лет. Это составляет более восьми периодов полураспада, поэтому в образце такого возраста содержится 1/254 часть первоначального количества углерода 14.

Единственная неопределенность при использовании этого метода заключается в содержании углерода 14 в древней атмосфере — оно, возможно, отличалось от сегодняшнего. Однако существуют различные способы проверить эту возможность — например, путем калибровки возраста, определенного радиокарбоновым методом, да и с помощью других методов. Далее при отмеченных флуктуациях содержания углекислоты в древней атмосфере эти проверки показали, что в общем и целом допущение о приблизительно постоянном содержании углерода 14 в атмосфере хорошо выдерживается для того отрезка времени, для которого пригоден этот метод.

Это краткое описание дает пример того, как можно использовать радиоактивные изотопы для определения возраста объектов или событий. Тем не менее период полураспада углерода 14 столь мал, что этот изотоп можно использовать для установления хронологии лишь очень недавнего прошлого. Для остальной же части геологической шкалы времени применяются гораздо более долгоживущие изотопы; способы их использования тоже различаются.

В главе 2 мы упоминали об изотопах свинца и об их полезности для измерения возраста Земли и датирования зерен устойчивого к выветриванию минерала циркона. Мы узнали, что различные изотопы свинца являются устойчивыми конечными продуктами распада радиоактивных урана и тория. Ураново-свинцовый метод был по существу первым из всех применяющихся сейчас способов определения возраста пород с помощью радиоактивного распада; он все еще является одним из самых полезных в геологии. Другие общеупотребительные пары изотопов используют распад изотопа калия до изотопа газа аргона или распад рубидия 87 до стронция 87. Исходный изотоп в каждом случае является широко распространенным компонентом пород земной коры; период его полураспада достаточно длинный, чтобы метод можно было применить для всей истории Земли.

В принципе методы, использующие долгоживущие радиоактивные изотопы, подобны методу, использующему углерод 14, но есть некоторые важные отличия. Одно из них заключается в том, что исходные («родительские») изотопы не возникают на Земле непрерывно и постоянно; количество их постепенно уменьшается в результате радиоактивного распада. Поэтому сейчас на Земле имеется значительно меньше урана, чем в период формирования — большая часть его распалась, превратившись в свинец.

Для обычно используемых методик датирования процедура состоит в измерении количества «дочернего» изотопа, который образовался за время жизни образца, а не «родительского», оставшегося в образце, как при использовании углерода 14. Тем самым мы избегаем необходимости знать количество родительского изотопа, присутствовавшего в образце в момент, когда были запущены радиоактивные часы. Поскольку каждый «родительский» атом распадается, производя «дочерний», то количество последних всегда равно количеству распавшихся «родительских» атомов.

Хорошим примером того, как работает эта методика, является калий-аргоновый метод. Калий 40 — единственный радиоактивный из трех встречающихся в природе изотопов калия. Хотя калий 40 не так уж распространен и составляет всего около 0,01 процента от общего количества атомов калия, сам калий является обычным компонентом минералов земной коры, что делает его весьма полезным для датирования горных пород — как имеющих возраст Земли, так и молодых, около 100 000 лет или даже меньше. Дочерним изотопом для этой реакции распада является аргон 40 — газ; хотя аргон не столь уж редкий элемент — в атмосфере он содержится в количестве около одного процента, — большинство изверженных пород, особенно вулканические породы, прорвавшиеся на поверхность земли, при своем образовании вовсе не содержат аргон 40. Любой аргон, который был растворен в расплавленной лаве, просто уходит в атмосферу во время извержения вулкана. Поэтому все количество аргона 40, определенное в древней вулканической породе, должно было образоваться в результате радиоактивного распада калия 40 за время жизни образца. Поскольку период полураспада калия 40 хорошо известен, не так уж сложно вычислить время, необходимое для накопления этого количества аргона. Некоторые самые обычные минералы, как, например, полевой шпат или слюда, богаты калием и поэтому представляют собой особенно чувствительные хронометры…

Другие долгоживущие радиоактивные изотопы, используемые в геохронологии, применяются аналогичным образом, хотя каждый имеет свои особенности. Поскольку в этих методах используются разные химические элементы, некоторые лучше, чем другие, подходят для датирования конкретных пород. Однако часто случается, что одну и ту же породу можно датировать разными методами. Хотя используемые при этом радиоактивные изотопы могут иметь весьма различные значения периода полураспада, а «родительские» и «дочерние» изотопы — совершенно разные химические свойства, возраст обычно определяется один и тот же. Это придает геологам уверенность в правильности каждого метода, а также подтверждает точность определения периодов полураспада, используемых в расчетах.

Но что же здесь, собственно, датируется? Приведенный выше пример вулканической породы, накапливающей аргон 40 с момента ее выхода на поверхность в виде лавы, очень прост: определяется время извержения, равное возрасту вулканической породы. А как быть в случае осадочной или метаморфической породы? Применимы ли к ним такие же правила? Ответом будет: и да и нет.

Рассмотрим случай осадочной породы. Предположим, что богатый калием минерал отобран из образца для датировки калий-аргоновым методом; его возраст определяется в 300 миллионов лет. Является ли эта дата временем образования осадка? В общем случае ответ будет отрицательным, поскольку многие из минералов, встречающихся в осадочной породе, могут быть осколками ранее существовавших пород. Они были перенесены из своего первоначального источника к месту отложения реками или океанскими течениями. Измеренный возраст для зерен богатого калием минерала, скорее всего, правилен, но он, вероятно, отражает время образования гранита, из которого эти минеральные зерна были выветрены, а не время его отложения как части осадочной породы. В этом случае можно утверждать только то, что данная осадочная порода не может быть старше 300 миллионов лет. Она должна быть моложе, чем ее составные части, а насколько моложе — это не всегда легко определить.

В случае метаморфической породы задача еще больше осложняется. Все методы датирования в определенной степени чувствительны к температуре, особенно калий-аргоновый метод. Если нагреть богатый калием минерал, то некоторое количество накопившегося газообразного аргона 40, вероятно, опять диффундирует в атмосферу. Поскольку метаморфизм почти неизменно связан с повышением температуры пород, большинство пород во время метаморфизма теряет часть своего аргона. Если эта потеря является полной, то радиоактивные часы тем самым переводятся на нулевое время; определенный по ним возраст породы — это возраст ее метаморфизма. Но в общем случае потеря аргона является лишь частичной и, более того, обычно невозможно установить, какая часть аргона потеряна. Иногда эту трудность можно обойти, используя несколько разных методов датировки или минералов с разной чувствительностью к температуре. Тем не менее полученную таким образом информацию не всегда легко интерпретировать. И все же в последнее время были достигнуты большие успехи в понимании поведения различных элементов вроде аргона при нагревании; в некоторых случаях оказалось возможным реконструировать температурную историю породы на основании тщательного анализа ее изотопного состава. Этот подход оказался особенно плодотворным при изучении истории горных цепей, таких, например, как Гималаи, в которых глубоко погребенные (и поэтому очень горячие) породы были подняты на более холодные этажи близ земной поверхности, где они снова начали сохранять свой аргон. При благоприятных условиях хронология поднятия горных массивов определяется достаточно точно.