Геохронология достигает научной зрелости
После новаторских работ Нира, Холмса, Паттерсона и других ученых геохронология — научная дисциплина, занимающаяся определением возраста геологических материалов, — значительно расширила арсенал своих методов исследования, ранее включавший только уран-свинцовый анализ. В природе встречаются 92 элемента и тысячи их изотопов, большинство из которых радиоактивны (всего 254 из них стабильны). Но не все радиоактивные изотопы могут служить счетчиками геологического времени. Во-первых, период полураспада изотопа должен соответствовать продолжительности измеряемого времени. У многих же изотопов он составляет несколько дней или даже секунд, поэтому использовать их для измерения геологического времени — все равно что пытаться измерить Аляскинскую трассу 30-сантиметровой линейкой. Кроме того, вследствие экспоненциального характера процесса радиоактивности, когда за каждый период полураспада распадается половина материнского вещества, после 10 периодов полураспада в материале почти не останется материнских изотопов, независимо от того, сколько их было изначально (аналогично тому, как даже самый большой лист бумаги можно сложить пополам лишь определенное количество раз). Во-вторых, материнский изотоп должен присутствовать в датируемой породе или минерале в достаточно высокой концентрации, чтобы его можно было измерить, а также чтобы произвести измеримое количество дочернего изотопа. Конечно, понятие измеримости со временем меняется — по мере того, как прогресс в приборостроении позволяет обнаруживать элементы в минералах даже в очень низких концентрациях, измеряемых миллиардными и триллионными долями (ppb и ppt)
.
В-третьих, дочерний элемент в идеале не должен присутствовать в минерале на момент кристаллизации — с которого начинается отсчет времени на изотопных часах, — чтобы гарантировать, что все количество дочернего изотопа в образце было образовано в результате радиоактивного распада материнского вещества после того, как кристалл стал закрытой системой. За этим стоит та же логика, что и за ненавистным студентам требованием использовать на экзаменах «голубые тетради», которое гарантирует, что все ответы на тест были написаны после того, как они вошли в класс и закрыли за собой дверь. (Разумеется, существуют математические методы, позволяющие ввести поправку на первоначальное количество дочернего изотопа, — точно так же, как опытный преподаватель может обнаружить мошенничество на экзамене.)
Наконец, в-четвертых, дочерние изотопы должны удерживаться в кристаллах, даже несмотря на то, что они обычно становятся «чужаками» в этой системе. Материнский атом со своим конкретным диаметром и электрическим зарядом занимает в кристаллической решетке строго определенное место, где он чувствует себя абсолютно комфортно и гармонично связан с соседними атомами. Но после того, как материнский атом в результате радиоактивного распада превращается в дочерний — совершенно другой элемент с другим размером атома, другими химическими свойствами, он перестает вписываться в гармоничную кристаллическую систему. Чувствуя себя дискомфортно в родительском доме, дочерние изотопы зачастую стараются сбежать из кристалла, как только предоставляется такая возможность, что чаще всего происходит в какой-то момент геологической истории при нагревании породы, открывающем кристаллическую решетку для диффузии. Поскольку соотношение дочерних и материнских изотопов является основой для определения возраста пород (табл. 2. 1), любая потеря дочерних изотопов ведет к тому, что образец будет казаться моложе своих лет.
Из-за всех этих ограничительных критериев существует всего с десяток подходящих изотопных пар (включающих материнский и дочерний изотопы), которые могут быть использованы для датирования пород (табл. 2. 2). Эти материнские изотопы были унаследованы Землей при своем формировании от предшествующих звезд и планет, и некоторые из них имеют непостижимо долгие периоды полураспада. Так, период полураспада рубидия-87 (87Rb) составляет 49 млрд лет, что намного больше не только возраста Земли, но и возраста всей Вселенной (который сейчас, после пересмотра постоянной Хаббла, оценивается примерно в 14 млрд лет). Никакого противоречия тут нет — это просто означает, что с момента образования Земли истекла всего десятая часть периода полураспада 87Rb, поэтому лишь малая часть изначального 87Rb превратилась в стронций-87 (87Sr). Но, поскольку рубидий является типичным рассеянным элементом, присутствующим во многих минералах, оба изотопа, 87Rb и 87Sr, встречаются в достаточно высоких концентрациях, что делает возможным их количественное определение для целей радиоизотопного датирования пород.
Некоторые породы, например гранит, содержат два или более минералов, каждый из которых может быть датирован на основе своей изотопной системы «материнский изотоп — дочерний изотоп», и нередко анализ этих минералов показывает разный возраст. Это еще одно геологическое наблюдение, на которое любят ссылаться креационисты-младоземельцы как на якобы опровергающее существующую геохронологическую шкалу. На самом деле было бы странным как раз обратное: если бы все минералы в магматических породах, таких как гранит, которые образуются в результате медленного остывания магмы на большой глубине, имели одинаковый изотопный возраст. Дело в том, что температура закрытия, т. е. температура, при которой кристаллические «двери» закрываются для диффузии, неодинакова для разных материнских элементов в разных видах минералов. Знание конкретных температур закрытия позволяет детально реконструировать историю застывания глубинных магматических тел — плутонов (или плутонических массивов), названных так в честь Плутона, древнеримского бога Подземного мира. Например, комбинированное датирование минералов из гранитов Туолумне в Йосемитском национальном парке на основе изотопных пар U — Pb, Rb — Sr и K — Ar показывает, что те оставались при температуре свыше 350 °C на протяжении более 3 млн лет
[18]. Эти граниты, ныне образующие величественные пики горного хребта Сьерра-Невада, некогда были гранитной магмой в магматических бассейнах, питавших мощные вулканы юрского периода (с тех пор стертые с лица Земли всесильной эрозией). Понимание того, как долго может сохранять активность магматическая система, помогает предсказать извержения современных вулканов, таких как Йеллоустоунская кальдера, где многочисленные грязевые котлы и гейзеры свидетельствуют о неспокойствии в Подземном мире.
Радиоуглеродное датирование
Самый известный изотоп, используемый сегодня для датирования, — углерод-14 (14C). Этот изотоп необычен во многих отношениях и отличается от других материнских изотопов по ряду важных аспектов. Имея чрезвычайно короткий период полураспада — всего в 5730 лет, он непригоден для датирования чего-либо старше примерно 60 000 лет (поэтому его применение в геологии ограничено), и за 4,5 млрд лет на Земле не осталось первичного 14С. Этот изотоп имеет космогенное происхождение и постоянно образуется в верхних слоях атмосферы под воздействием космических лучей — потока высокоэнергетических заряженных частиц, прилетающих из далекого космоса. Считается, что основным источником космических лучей являются вспышки сверхновых — так астрономы называют грандиозные, феерические взрывы старых массивных звезд в конце эволюционного цикла (в процессе чего происходит выброс элементов и изотопов, впоследствии становящихся строительным материалом для новых планет). Именно для того, чтобы предотвратить негативное долгосрочное воздействие этой естественной космической радиации, для пилотов и стюардесс вводятся ограничения на годовое количество дальнемагистральных рейсов на большой высоте.
