Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом - Дэвид Хелфанд

на западной окраине Индии. Возможно, извержения действительно оказали долгосрочное воздействие на климат, учитывая большие выбросы CO2, которые, судя по всему, должны были сопровождать такой выброс лавовых потоков, но в том, что смертельным ударом для динозавров стал именно астероид, нет никаких сомнений.

Место столкновения

Когда Альварес и его коллеги выдвинули гипотезу о столкновении, отсутствовало одно важное доказательство: кратер. Астероид размером около 10 км, ударившийся о Землю с ожидаемой скоростью, должен был оставить кратер глубиной не менее 20–30 км и шириной более 160 км. Небесные тела Солнечной системы, лишенные атмосферы и жидкой воды, такие как Луна, Меркурий, Марс и спутники внешних планет, имеют множество кратеров такого размера и даже более широких и глубоких. Но из-за непрестанных эрозионных воздействий воды и ветра – не говоря уже о медленном смещении тектонических плит – кратеры на поверхности Земли остаются незаметными на протяжении очень долгого времени (с геологической точки зрения). Знаменитый ударный кратер к востоку от Флагстаффа, штат Аризона, диаметром менее полутора километров и глубиной 180 м, как полагают, был образован космическим булыжником диаметром около 30 м. Ему примерно 50 000 лет, не больше. Поскольку эрозия и дрейф континентов играли свою роль в тысячу с лишним раз дольше, считалось, что даже гораздо больший кратер, ожидаемый от астероида-убийцы, вряд ли получится найти.

Однако за два года до того, как Уолтер Альварес открыл аномалию Иридия, несколько инженеров, работающих в мексиканской национальной нефтяной компании Pemex, сопоставили карту аномалий магнитного поля, составленную ими в ходе полетов над полуостровом Юкатан, с данными о гравитационных аномалиях6, собранными десятилетиями ранее, и обнаружили, что оба набора данных «очерчивают» идеальный круг – кольцевую структуру диаметром 180 км с центром недалеко от северного побережья Юкатана. Поскольку данные исследования были запатентованы, результат не был опубликован в научной литературе, и потребовалось еще десять лет, прежде чем свидетельства, собранные со всего Карибского бассейна, и керны, пробуренные в скалах Юкатана, позволили однозначно назвать кратер Чикшулуб7 местом рокового события.

Так мы определили, «где» все произошло, но «когда» и «что именно» случилось, еще только предстояло установить. Четыре десятилетия и сотни научных исследований, проведенных в разных точках мира, воссоздали тот судьбоносный день с поразительной точностью.

Датирование события

Дату удара устанавливали при помощи нескольких методов. Один из старейших методов геологического датирования предполагает сравнение пары соотношений изотопов Урана и Свинца. Другие требуют измерять Калий и Аргон, а также Рубидий и Стронций. В каждом случае долгоживущий радиоактивный изотоп распадается на материнское и стабильное дочернее ядро – так называемое радиогенное ядро – и относительное количество каждого из них в образце показывает возраст.

Цирконы – это минералы, содержащие 40-й элемент, Цирконий. Их структура выражается формулой ZrSiO4. Цирконы образуются при высоких температурах в процессе вулканической активности или ударных столкновений. Они необычайно стабильны, а их размеры варьируются от долей миллиметра до сантиметра и более. Важная особенность кристаллизации этих минералов состоит в том, что они легко встраивают в свою кристаллическую структуру атомы Урана, но категорически не приемлют Свинец. А два природных изотопа Урана, 238U и 235U, в ходе многоступенчатых процессов альфа- и бета-распада превращаются в 206Pb и 207Pb соответственно (в последнем случае оба изотопа стабильны).

Рис. 12.1. Конкордия Урана и Свинца. Кривая линия представляет возраст отношений Pb/U, рассчитанный на основе соответствующих периодов полураспада двух изотопов Урана. Прямая линия соответствует точкам измеренных данных для наблюдаемых соотношений, указывая на то, что различные количества радиогенного Свинца утекли из измеренных образцов. Пересечение двух линий отмечает точку отсутствия потери Свинца и, следовательно, реальный возраст

Измерив отношения 235U/207Pb и 238U/206Pb и отобразив их на горизонтальной и вертикальной осях графика, можно получить так называемую конкордию, или кривую времени. Поскольку нам известны периоды полураспада 238U (4,47 миллиарда лет) и 235U (710 миллионов лет), эти соотношения дают уникальный возраст. Например, если взять образец возрастом ровно 1 миллиард лет и начать с 1,0 грамма каждого изотопа Урана (в природе столько не найти, но в целях иллюстрации полезно), можно ожидать, что в образце все еще будет присутствовать (½)1/4,47 238U, или 0,857 г, а вместе с этим накопится 0,143 г 206Pb, поэтому соотношение 206Pb/238U составит 0,167. Если бы мы измеряли 235U с его более коротким периодом полураспада, то осталось бы (½)1/0,710, или всего 0,377 г, поэтому ожидаемое соотношение составит 1,65 (см. рис. 12.1).

Если часть Свинца со временем вытечет из образца, на конкордии, вопреки ожиданиям, это соотношение не отразится. Поскольку оба изотопа Свинца будут вытекать с одинаковой скоростью (здесь нет химической дискриминации), оба соотношения уменьшатся – количество Свинца будет ниже, чем ожидалось, но количество Урана останется неизменным. Поскольку 238U распадается медленнее, недостающий 206Pb даст более значительный дробный эффект, и измеренные значения окажутся еще ниже конкордии. Для различных образцов циркона, потерявших разное количество Свинца, на одной диаграмме можно построить линию «дискордии», или «несогласованности». Верхняя точка пересечения двух линий позволит оценить истинный возраст выборки.

Всего через несколько лет после открытия кратера Чикшулуб Т. Крог, С. Камо и Б. Бохор8 при помощи уран-свинцового метода измерили возраст кристаллов циркона, обнаруженных в пограничном слое K-Pg в Колорадо. У этих кристаллов просматривались серьезные деформации, вызванные ударными волнами. Их возраст был установлен на отметке 65,5 ± 3,0 млн лет, что соответствует более ранним оценкам, полученным при помощи калий-аргонового (см. ниже) и рубидий-стронциевого методов (см. гл. 14). Кроме того, исследователи выяснили, что первоначальное образование этих кристаллов циркона, возникших в результате столкновения на глубине около 30 км в земной коре, произошло 545 млн лет назад. Построив дискордию, ученые пришли к выводу, что во время выброса этих цирконов утекло некоторое количество Свинца, и предположили, что эта потеря была связана с нагревом кристаллов в облаке пламени, которое сопровождало удар, а потом подняло их на большую высоту, прежде чем в конечном итоге отбросить на тысячи километров.

Другой давний и в конечном счете более точный метод радиоактивного датирования основан на распаде Калия. Калий (символ элемента K) имеет два стабильных изотопа (39K и 41K) и один радиоактивный изотоп природного происхождения 40K с периодом полураспада 1,25 миллиарда лет. У него существует две формы распада: обратный бета-распад и распад с захватом электрона (см. гл. 6):

40K → 40Ca + e+ + ve (89 %),

а также:

40K + e– → 40Ar + ve (11 %).

Аргон – один из благородных газов. Он не вступает ни в какие химические реакции и при земных температурах всегда находится в газообразном состоянии. Когда горная порода либо пребывает в форме горячей лавы, извергаемой из вулкана, либо оказывается расплавленной от жара, рожденного столкновением, газ, прежде захваченный в породе, может свободно улетучиться. Но по мере того, как