Мы завершаем рассказ о том, как ученые пытаются ответить на вопрос о возрасте Земли. В нашем прошлом материале речь шла о методах, применявшихся как в донаучную эпоху, так и на ранних этапах развития науки Нового времени. Еще в середине XIX века ученые полагали, что Земле около 100 миллионов лет. Лишь после переворота в геологии, произошедшего благодаря открытию явления радиоактивного распада, удалось приблизиться к пониманию того, что на самом деле счет идет на миллиарды лет. Читайте об этом во второй части нашего материала.
А все-таки они светятся…
В 1903 году супруги Пьер и Мария Кюри и Анри Беккерель получили Нобелевскую премию за открытие радиоактивности. В том же 1903 году Эрнест Резерфорд (ученик Кельвина) и Фредерик Содди установили количественную характеристику радиоактивности, известную как закон радиоактивного распада. Согласно этому закону, за один и тот же период времени, называемый периодом полураспада, распадается половина атомов радиоактивного элемента (его называют материнским), с образованием другого элемента (дочернего). Дочерний элемент также может оказаться радиоактивным и распадаться дальше, и так до тех пор, пока в конце цепочки не сформируется стабильный элемент. Предложение использовать закон радиоактивного распада для определения возраста горных пород сделали, почти одновременно и независимо друг от друга, английский радиохимик Фредерик Содди и французский физик и химик Пьер Кюри.
Как становится понятным из примера с игрой в кости, мы можем рассчитать, какое время нужно для того, чтобы образовалось определенное количество последнего, стабильного элемента. Чтобы произвести такой расчет, нам достаточно знать периоды полураспада каждого звена — элемента цепочки последовательных распадов — и отношение количеств первого распадающегося элемента к последнему, стабильному элементу, на котором распад прекращается.
Радиоактивные часы требуют тонкой настройки
Прежде всего проверили постоянство периодов полураспада. Физиками и химиками были последовательно проверены и исключены возможности изменения скорости радиоактивного распада из-за влияния температуры, давления, химического состава, магнитных полей. После почти двадцати лет исследований Эрнест Резерфорд со своим учеником Джеймсом Чедвиком и Чарльзом Друммондом Эллисом пришли к выводу, что скорость радиоактивного распада конкретного элемента постоянна при любых мыслимых в Солнечной системе условиях.
В 1906-1907 годах были открыты «странные» химические элементы — ионий и радиоторий. Они отличались от тория атомной массой и характеристиками радиоактивного распада. Ученые проверили оптические и рентгеновские спектры — у всех трех элементов они оказались одинаковыми. Так одинаковые это элементы или разные? Фредерик Содди предложил называть их изотопами — то есть элементами, занимающими в таблице Менделеева одно и то же место. Изотопы — это атомы одного и того же элемента, отличающиеся количеством нейтронов в ядре.
В 1935 году американский физик и химик Артур Джефри Демпстер доказал, что природный уран имеет не один радиоактивный изотоп, а целых три. Самый распространенный — уран-238, который составляет 99,275 процента от всего природного урана, редкий уран-235, которого в природном уране всего 0,72 процента, и чрезвычайно редкий уран-234, количество которого в природном уране исчисляется сотыми долями процента. Причем уран-235 и уран-238 имеют разные цепочки распада: уран-235 распадается до тория-231 с периодом полураспада 713 миллионов лет, и далее цепочка последовательных превращений продолжается до свинца-207, а уран-238 распадается до тория-234 с периодом полураспада 4,47 миллиарда лет, а конечным, стабильным элементом этой цепи распадов является свинец-206.
Но если разные изотопы одних и тех же элементов имеют разные характеристики радиоактивного распада, это значит, что для работы радиоактивных часов нам мало определить содержание элемента — необходимо еще знать содержание определенного его изотопа. Это существенно усложняло процедуру анализа, но, к счастью, еще в 1927 году Френсис Уильям Астон создал масс-спектрограф, прибор, позволяющий разделять атомы с разной массой по их отклонению в магнитном поле. Сегодня для измерения содержания изотопов используют масс-спектрометры, которые во много раз точнее масс-спектрографа Астона, но базовый принцип их работы тот же.
А в 80-х годах XX века благодаря Уильяму Компстону, профессору Австралийского национального университета, стало возможно измерить изотопный состав в конкретной точке исследуемого вещества. В механических мастерских университета был собран первый в мире «чувствительный ионный микрозонд высокого разрешения», сокращенно SHRIMP (Sensitive High-mass Resolution Ion Microprobe). Изотопные анализаторы такого класса остаются уникальными устройствами, их количество в мире не превышает нескольких десятков, причем один из таких приборов находится в России, в Центре изотопных исследований Всероссийского научно-исследовательского института им. А. П. Карпинского.
Wikimedia Commons / Ivtorov
Пока физики искали способ измерять соотношения изотопов, геологи увлеченно изучали распространение радиоактивных элементов в горных породах и минералах. Благодаря коллективным усилиям к середине ХХ века было выделено несколько пар элементов, которые и стали главными геологическими часами. Первой из них и широко распространенной стала пара калий-40 — аргон-40. Но поскольку аргон — газ и к его потерям приводят даже небольшие изменения геологической ситуации, сегодня этот метод почти не используют. А чаще всего время измеряют на основе распада урана-238 до свинца-206, урана-235 до свинца-207, рубидия-87 до стронция-87 и превращения углерода-14 в азот. Во второй половине двадцатого века комплект часов пополнился парами самарий-147 — неодим-144 и лютеций-176 — гафний-176.
Получив в свое распоряжение разные часы, геологи столкнулись с новой проблемой: часто они показывают для одних и тех же геологических объектов совершенно разное время. И теперь настала очередь задать очень важный вопрос: а с какого момента мы отсчитываем возраст горной породы?
Получается, что для того, чтобы установить возраст какого-то конкретного процесса, отвечающего определенному этапу формирования горной породы, надо выбрать определенные минералы, сформировавшиеся на этом этапе, и подходящие пары элементов, присутствующие в минерале и имеющие температуру закрытия, соответствующую температуре датируемого процесса. Можно подойти к проблеме с другой стороны и датировать только однородные породы — вулканические стекла. Стекла возникают, когда магматический расплав кристаллизуется так быстро, что минералы просто не успевают сформироваться, например, если горячая лава изливается в море. На практике геологи используют оба эти подхода.
Есть и еще одна сложность в использовании радиоактивных часов. Вернемся к примеру с игральными костями. Если мы знаем, сколько костей осталось в игре на какой-то момент времени и по сколько бросков было сделано ежедневно, можно высчитать, сколько дней продолжается игра. Но только в том случае, если некто, желающий сбить нас с толку, не подбросит дополнительных костей или не похитит часть оставшихся в игре костей. Следовательно, важным постулатом, на котором базируется возможность существования радиоактивных часов, является существование некоторой «закрытой системы», которая не получает ни материнский, ни дочерний элементы извне и не теряет их. То есть, если радиоактивные атомы и образующиеся продукты его распада действительно не вымывались, не улетучивались и не внедрялись извне, то законы физики позволяют определить возраст некоторого объекта, измерив соотношение масс оставшегося радиоактивного элемента и дочернего элемента, образовавшегося в результате его распада.
Хранитель времени
Название минерала происходит от персидского слова заргун — «золотистый». Формула циркона — ZrSiO4. В кристаллической решетке циркона от одного до четырех процентов циркония замещается гафнием, а также имеются примеси свинца и урана. Именно эти особенности состава цирконов и позволяют использовать закон радиоактивного распада для расчета времени образования зерен этого минерала, причем сразу по двум — уран-свинцовым и по лютеций-гафниевым — часам.
Геохронологи любят циркон за то, что он встречается практически во всех магматических, осадочных и метаморфических горных породах, за то, что он обладает высокой устойчивостью к процессам выветривания, относительно высоким удельным весом (~4,5 грамма на кубический сантиметр, тогда как наиболее распространенный минерал кварц имеет удельный вес всего 2,6 грамма на кубический сантиметр). Поэтому при разрушении магматических и метаморфических горных пород цирконы накапливаются в песках. Структура циркона прочна и устойчива к преобразованиям, и только попав в суровую геологическую передрягу, при температурах около 900 градусов Цельсия, циркон «открывает» свою изотопную систему. А кристаллизация циркона может происходить и при более низких температурах — 400-500 градусов.
На руку геологам и то, что форма зерен цирконов часто указывает на процесс, в котором сформировался минерал. Магматические цирконы, как правило, имеют форму призм с пирамидальными головками, а метаморфические цирконы имеют форму округлую или элипсовидную, которую Г. Варва назвал «формой футбольного мяча» (soccerball).
Изучение древних цирконов позволяет найти ответ о составе и времени зарождения древнейшей земной коры.
Именно цирконы позволили сказать, что какие-то породы существовали на Земле более четырех миллиардов лет назад. Самые древние из обнаруженных на Земле цирконов были выделены из песчаников Маунт Нарриер и Джек Хиллз провинции Илгарн, Западная Австралия. Горные породы такого возраста до нас не дожили, они превратились в песок и пыль, но когда-то принадлежавшие им зерна циркона надежно хранят их время.
Ответ найден?
Знаем мы сегодня возраст Земли или нет? Можно ли считать цифры, полученные методами абсолютной геохронологии, истиной в последней инстанции или вся эта геохронология больше похожа на «сферического коня в вакууме» и дает правильные ответы только в идеальных, никогда в природе не реализующихся условиях? Не попали ли мы очередной раз под обаяние красоты математических формул и магии чисел?
С глобальных позиций ответ найден, и серьезных, обоснованных возражений против исчисления возраста Земли в 4,5 миллиарда лет не выдвинуто. В то же время накоплено значительное количество не согласующихся, противоречащих друг другу датировок. Наибольшие сложности представляет применение методов изотопной геохронологии к датировкам осадочных пород, многие из которых являются фрагментами разрушенных пород, существовавших когда-то раньше и хранящих правильные или искаженные воспоминания об их возрасте. Есть вопросы и к правильному распознаванию процессов, нарушающих изотопные системы. Современные геохронологические исследования совершенно не похожи на механическое измерение соотношения изотопов, они начинаются с тщательного изучения пространственного положения датируемого объекта, включают этап изучения порядка кристаллизации, выявления следов наложенных процессов, и завершаются интерпретацией результатов измерения с учетом полученной на всех стадиях информации.
Геологам и геохронологам совместно предстоит решить еще много сложных и интересных задач, чтобы лучше понять и характер, и скорость процессов, приведших к формированию современного облика нашей Земли.