Капсулы времени

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…

Начало весны 1896 года в Париже, как обычно, ознаменовалось чередованием солнечных и пасмурных дней. Сорокачетырехлетний руководитель кафедры физики Парижского университета Анри Беккерель ставил эксперименты с целью проверить гипотезу Анри Пуанкаре о том, что Х-лучи (рентгеновские лучи) испускаются при выделении поглощенной ранее энергии. Чтобы проверить это утверждение, Беккерель выдерживал образцы солей урана на солнечном свете, а затем выкладывал их на фотопластинки. На пластинках после проявки проступали контуры образца, что, казалось, подтверждало гипотезу. Но с 24 февраля по 1 марта в Париже было пасмурно, и образцы грустно ждали солнца, лежа на фотопластинках в темном ящике. Что было дальше – ошибка или зов интуиции, мы наверняка не знаем. Но по какой-то причине Беккерель эти пластинки проявил и был крайне изумлен, увидев на них контуры, оставленные не выдержанными на солнце образцами. Наблюдение Беккереля, о котором он тут же доложил на заседании Парижской Академии наук, взволновало множество первоклассных физиков и дало старт новой эпохе в физике, в химии и в геологии.

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.

Вот что писал о законе радиоактивного распада Уильям Керри: «Это похоже на бросание миллиона игральных костей, на одной шестой части которых, как можно ожидать, выпадут шестерки. Если те кости, на которых выпали шестерки, удалить, а остальные бросать на следующий день – на одной шестой из них должны выпасть шестерки, и эти кости тоже надо удалить. <…> Нетрудно подсчитать, сколько дней требуется, чтобы число костей в игре уменьшилось до половины первоначального количества; эта величина и называется период полураспада».

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.

На практике первым идею применения радиоактивных часов для измерения времени, прошедшего с момента образования горной породы, реализовали Эрнест Резерфорд и радиохимик из Йельского университета Бертрам Болтвуд. Болтвуд доказал, что радий, который открыла Мари Кюри, является продуктом распада урана. Он также показал, что в урановых минералах всегда присутствует свинец, и предположил, что свинец также может быть продуктом распада урана. И уже в 1905 году он предоставил результаты определения абсолютного возраста некоторых геологических образцов по отношению в них свинца и урана. Джон Гриббин в книге «В поисках истинного возраста вселенной и теории всего» пишет, что определения Болтвуда показали значения от 92 до 570 миллионов лет. Разброс значений вызвал недоумение.

Радиоактивные часы требуют тонкой настройки

Достаточно быстро были обнаружены первые ошибки: при расчетах использовали неточный период полураспада радия, и в целом все измерения имели большую погрешность. Технические сложности были в известной степени устранены, но цифры возраста датируемых образцов по-прежнему «скакали». В чем же дело? Может быть, в основе метода лежат какие-то неверные посылки?

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.

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?

С точки зрения физики ответ очевиден – с того самого, как горная порода стала изолированной системой, то есть когда прекратился обмен элементами, которые используются для датировки, между датируемой горной породой и внешней средой. Ученые называют этот момент закрытием изотопной системы. Но горная порода почти никогда не бывает однородна. Возьмите в руку песчаник или гранит – вы увидите много разных по цвету, блеску, форме зернышек. Эти разные зернышки – разные минералы. В составе практически любой горной породы можно насчитать десятки разных минералов. И далеко не всегда минералы формируются одновременно. Важно, что в разных минералах изотопные системы имеют разную температуру закрытия. Тогда, если мы измеряем время, прошедшее с момента закрытия конкретной изотопной системы для какого-то конкретного минерала, мы получаем осмысленное значение, возраст какого-то конкретного геологического процесса, который привел к образованию этого минерала, а если работаем со смесью разных минералов, то велика вероятность, что полученное — и правильное — с точки зрения физики значение просто не имеет никакого геологического смысла.

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.

Природа, разумеется, усложняет игру и «идеальных» закрытых систем не создает. Когда ученые это поняли, то нашли изящный способ обойти проблему. Для того чтобы определять время по «неисправным», нарушенным радиоактивным часам, используют сразу несколько объектов, для которых методами относительной геохронологии доказана их одновозрастность, а методами геохимии и петрографии — образование из единого источника. Чаще всего используют несколько разных, одновременно кристаллизовавшихся из одного и того же магматического расплава минералов. Если в этом расплаве изотопная система была нарушена (например, изначально содержалось некоторое количество дочернего изотопа), то это нарушение скажется на всех минералах одинаково. И дальше, путем несложных математических преобразований, получают прямую линию, на которой располагаются точки равных возрастов – изохрону.

Самое красивое и самое надежное решение получают для уран-свинцовой системы, и именно потому, что радиоактивных изотопов урана два. Поведение и урана-238 и урана-235 и образующихся в результате их распада свинца-206 и свинца-207 в большинстве геологических процессов очень близкое. Если в результате какого-то процесса из горной породы или из минерала произошел вынос свинца, то изотопные соотношения в парах свинец-206/уран-238 и свинец-207/уран-235 будут связаны линейной зависимостью. Если нанести эту линию на график и на этот же график нанести теоретическую кривую, показывающую отношения свинца-206 к урану-238 и свинца-207 к урану-235 для каждого возраста, то точка верхнего пересечения теоретической кривой с прямой, проходящей через экспериментальные точки, будет показывать истинный возраст датируемого объекта. Этот метод предложил в середине ХХ века американский физик Джордж Везерилл.

Хранитель времени

Есть около десятка минералов, по которым можно определять уран-свинцовый возраст, но чаще всего используют циркон, и именно он удостоился от Стивена Можиса, профессора геологии из университета штата Колорадо, титула «капсула 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).

Иногда в процессе преобразования пород цирконы, сформировавшиеся на одном из этапов, обрастают каемками этого же минерала, но сформировавшегося уже на более поздних стадиях кристаллизации магматического расплава или на этапе позднейших преобразований. Как и многие другие минералы, цирконы при кристаллизации способны захватывать пузырьки газов и капельки жидкости – так называемые газово-жидкие включения. Изучив состав этих включений и измерив возраст циркона или соответствующей его зоны, исследователи могут проследить изменения состава расплава. В цирконах почти всегда присутствуют примеси редкоземельных элементов, по которым рассчитывают состав и условия кристаллизации магмы, породившей те или иные породы. Недавно был предложен метод, позволяющий по содержанию в цирконе примеси титана определить температуру кристаллизации циркона. Таким образом, всестороннее изучение цирконов позволяет геологам получить важные сведения для реконструкции истории нашей Земли.

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.