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 (α)- и бета (β)- 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:

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.

Встречающийся в природе калий состоит из смеси трех изотопов: калия-39, -40 и -41. Радиоактивен только калий-40, на долю которого приходится чуть больше 0,0001 общего количества элемента.

При радиоактивном распаде калия выделению свободных электронов (бета-распаду) сопутствует обратный процесс - поглощение электронов атомным ядром:

Это явление, известное под названием электронного захвата, несколько усложняет общую картину. Поэтому, чтобы определить возраст аргоновым методом, необходимо не только вычислить наблюдаемое в минерале соотношение аргона-40 и калия-40, но и учесть интенсивность электронного захвата и бета-распада. Но и в этом случае сохраняется основная закономерность: чем древнее порода, тем больше в ней радиогенного аргона.

На территории СССР - в Сибири, на Кавказе, на Украине, в Средней Азии, на Дальнем Востоке и в Канаде были проведены определения геологического возраста аргоновым методом. Аргоновый метод (его называют также калий-аргоновым) занял одно из ведущих мест в геохронологических исследованиях. И чем шире внедрялся он в практику, тем отчетливее проявлялись его достоинства и недостатки.

Выяснилось, что многие минералы удерживают аргон очень плохо. Недолго сохраняется он в так называемых "неустойчивых частях" полевых шпатов. Значит, если мы будем иметь дело с гранитом, состоящим из кварца, полевого шпата и слюды, и определим абсолютный возраст этой породы по слюде, то полученная цифра окажется заведомо больше, чем количество лет, исчисленное по шпату. Во избежание подобного разнобоя необходима сложная предварительная обработка полевого шпата с помощью раствора азотнокислого таллия.

Не лучше обстоит дело и с другим минералом - сильвином, очень широко используемым при геохронологических определениях. Недавно стало известно, что при перекристаллизации горных пород, а также под действием давления аргон легко улетучивается из сильвина. Стало быть, на древних отложениях, которые на протяжении истории Земли могли неоднократно подвергаться нагреванию и сжатию, калий-аргоновый метод может "не сработать" или привести к серьезным ошибкам в определении.

Для устранения этого недостатка был разработан кальциевый метод. Радиогенный изотоп кальция (кальций-40) образуется в результате бета-распада калия-40:

Отношение количеств этих двух изотопов и принимается в качестве показателя возраста минералов (с поправками на скорость электронного захвата и бета-распада калия). Опыты, проведенные во Всесоюзном научно-исследовательском геологическом институте им. А. П. Карпинского, показали, что кальциевый метод может иногда с успехом применяться даже в том случае, когда порода, содержащая сильвин, испытала перекристаллизацию.

В последнее время геохронологическая датировка слюд и древних магматических и метаморфических пород нередко осуществляется с помощью рубидий-стронциевого метода. Он основан на превращении рубидия-87 в стронций-87:

Самостоятельных минералов рубидий не образует, но он настолько часто сопутствует калию, что большинство калиевых минералов можно считать пригодными для определения возраста этим методом. Необходимо лишь быть уверенным, что горная порода содержит стронций только радиогенного происхождения.

Существует еще один геохронологический метод, который использует превращение рения-187 в осмий-187. Правда, рений довольно редко встречается в земной коре. Но значительные его количества приурочены к минералу молибдениту, который часто находят в кварцевых жилах и кристаллических гранитоидных породах. Знать возраст этих пород чрезвычайно важно для выяснения многих вопросов рудо-образования.