Минералы – хранители времени

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

Наша планета пережила длинную геологическую историю. Когда-то раскаленная лава гигантскими потоками заливала поверхность земного шара и, постепенно застывая, уходила на дно океанов. Проходили сотни миллионов лет, лавы перекрывались осадками морей и океанов. Отложившиеся в глубинах водоемов пласты, сжимаясь в складки, оказывались погребенными под новыми наслоениями и вновь выступали на поверхности Земли горными цепями и возвышенностями. Когда это произошло? Откуда мы знаем, Например, что Черное море образовалось позже Тихого океана, а Карпаты значительно моложе Саянских гор? Ведь когда совершались эти события, не было человека на Земле и никто не мог составить хронологию геологических событий. Но сохранились немые свидетели этих грандиозных преобразований. Это те осадочные горные породы, которые, как слоеный пирог, постепенно накладываясь пластами друг на друга, образовали геологические формации.

Вот почему для того, чтобы узнать, к какому времени относится данное геологическое событие — образование какого-нибудь вулкана, появление моря или горной цепи,— прежде всего, нужно изучить порядок напластования осадочных горных пород.

Чем глубже залегает такой пласт, тем он древнее, а чем моложе, тем он ближе к поверхности. Так возник метод относительного исчисления времени, позволяющий определить последовательность геологических событий (что было раньше и что — позднее). Он получил наименование стратиграфического (от латинского «стратус», что означает «слой», или «пласт»).

На рубеже XVIII и XIX веков этот метод был значительно дополнен другим, названным палеонтологическим. Изучая окаменелые остатки животных и растений, ученые установили, что представители органического мира со временем изменялись, или эволюционировали, и что каждому пласту или группе пластов соответствуют только определенные животные или растительные окаменелости. Теперь, находя в пластах пород какое-нибудь ископаемое животное, ученые уже твердо могли определить, к какому геологическому времени его следует отнести.

Итак, оба метода позволили установить, в какой последовательности возникли на Земле различные геологические напластования, какие из них следует считать более молодыми и какие — более древними. Так как история Земли весьма обширна, ученые сочли более удобным подразделить ее примерно так же, как делятся толстые книги, — на отдельные «тома», «главы», «разделы» и «параграфы». Постепенно возникла шкала геологического летосчисления Земли, состоящая из четырех разделов: эр, периодов, эпох и веков.

Условились считать, что в истории Земли было пять эр: архейская, или древнейшая (от греческого «архе» — «начало»), протерозойская — эра первичной жизни (от «зое» — «жизнь» и «протерос» — «первый»), палеозойская — «древняя» (от «паляйос» — «древний»), мезозойская — средняя и кайнозойская — новая.

Каждая эра насчитывает несколько периодов. Наименование их часто связано с географическими названиями тех мест, где впервые были изучены отложения данной системы (например, пермокий), или с горными породами, характерными для данного периода (каменноугольный, меловой и т. д.). Создание шкалы относительного геологического летосчисления явилось важным событием в геологической науке и позволило сравнивать мёжду собой по времени образования далеко друг от друга залегающие горные породы. Однако используемые методы обладали существенным недостатком. Они дали возможность установить лишь относительный возраст горных пород. Как же определить точную дату возникновения той или иной горной гряды, отдельного минерала или найденного ископаемого?

АТОМЫ НА СЛУЖБЕ ГЕОЛОГИИ

Над разрешением этой проблемы долгие годы бились ученые разных стран. И вот примерно 100 лет назад для определения абсолютного возраста горных пород было предложено использовать явление распада некоторых химических элементов, названных радиоактивными. Оказалось, что такие элементы, как уран, радий, торий, калий, рубидий и другие, которые входят в состав минералов, слагающих горные породы, обладают способностью самопроизвольно распадаться. При этом они превращаются в другие химические элементы и в конечном итоге — в устойчивые, неизменяющиеся элементы или их изотопы. Этот распад идет всегда с неизменной скоростью, разной для различных элементов и не зависящей от любых внешних воздействий.

Например, атомы урана и тория, распадаясь на атомы ряда других элементов, в конечном итоге дают газ гелий и металл свинец. Гелий может частично улетучиваться, свинец же не исчезает, а наоборот, с течением времени обычно накапливается в минерале. В настоящее время известны три радиоактивных вида распада, заканчивающиеся образованием свинца: урана — радия, актиноурана — актиния и ряд распада тория.

Так, при распаде урана каждый атом этого элемента (с атомным весом 238), теряя последовательно восемь альфа-частиц или восемь атомов гелия и проходя через целый ряд промежуточных продуктов превращения, дает, в конце концов, один атом конечного продукта распада — уранового свинца.

Большинство радиоактивных минералов, пригодных для определения времени их образования, находятся в так называемых магматических породах, образовавшихся из огненно-жидких расплавов. Эти породы совсем не содержат органических ископаемых, благодаря которым и можно было бы устанавливать их относительный возраст. Однако редкие радиоактивные минералы, включенные в магматические породы, сами хранят в себе доказательства длительного периода времени, протекшего с момента их кристаллизации.

Если установлено, что данный минерал кристаллизовался в вулканической породе или минеральной жиле в то же время, когда образовалась эта порода или жила, то можно определить и абсолютный возраст самой породы. Для этого нужно знать, например, какое количество гелия и свинца получается при радиоактивном распаде одного грамма урана или тория в течение года и количество свинца и гелия, приходящееся на один грамм урана или тория в минерале. Поделив второе число на первое, можно получить приблизительно возраст минерала или породы, выраженный в годах.

Казалось бы, все очень просто. Однако на практике это осуществляется значительно более сложным путем, при помощи специальных математических формул. Но трудность заключается не только в этом. Создать абсолютную шкалу геологического времени только по урановым и ториевым минералам на практике не представляется возможным: эти минералы встречаются редко и далеко не во всех геологических формациях. Кроме того, при анализе приходится считаться и с недостаточной стойкостью урановых и ториевых минералов: выщелачивание урана, наличие нерадиогенного свинца в исходном веществе, истечение гелия через кристаллические решетки минералов — все это может повести к большим ошибкам в вычислении абсолютного возраста.

Как же быть? На помощь пришел новый метод определения возраста горных пород. Он основан на процессе радиоактивного распада калия с атомным весом 40. Установлено, что в любом природном минерале, содержащем калий, находятся три его изотопа: калий-39, калий-40 и калий-41.

Калий-40 радиоактивен. Для него характерны два типа радиоактивного распада. В результате первого образуется устойчивый изотоп кальция, а в итоге второго — стабильный изотоп аргона. Он-то и используется для определения абсолютного возраста минералов и горных пород, содержащих калий.

Зная скорость распада калия-40, количество его в минерале и количество получившегося аргона, удается точно рассчитать время образования отдельных минералов. Частицы изотопа аргона обладают значительными размерами и поэтому сравнительно хорошо удерживаются в кристаллических решетках минералов. Вот почему в горных породах, содержащих калий, обязательно должны постепенно накапливаться изотопы аргона. По количеству его и определяют возраст минерала.

Автор: Д. И. Щербаков.