Осознание времени. Прошлое и будущее Земли глазами геолога

И эта комиссия, подчас с излишней нервозностью, настаивает на сохранении тонкого, но важного различия между геохронологической и стратиграфической шкалой — между геологическим временем и его хроникой, зафиксированной в слоях горных пород. Геологическое время подразделяется на эоны, эры, периоды, эпохи и века, а соответствующие этим подразделениям породы — на эонотемы, эратемы, системы, отделы (серии) и ярусы. Точно так же, имея в виду геологическое время, следует говорить, например, «ранний» или «поздний» ордовик, но о соответствующих слоях пород следует говорить только «нижний» или «верхний». Время (хронос) может течь без камней (наполняющих его кайросом), но камни не могут существовать вне времени. Однако время исчезает, а камни остаются.

Уран-свинцовые часы

Первая попытка Артура Холмса определить абсолютный возраст пород, предпринятая еще до того, как было открыто строение атома и существование изотопов, была подобна интуитивной догадке Дарвина о существовании феномена наследственности, намного опередившей открытие генов и ДНК. В обоих случаях прошли годы, прежде чем остальная наука смогла в полной мере осознать и развить все следствия, вытекающие из их провидческих идей. Только к 1930-м гг. стала в полной мере понятна сложная геохимия изотопов свинца. В 1929 г. Эрнест Резерфорд установил, что два разных материнских изотопа урана, ²³⁸U и ²³⁵U, имеют разные периоды полураспада (4,47 млрд и 710 млн лет соответственно) и в результате радиоактивного распада превращаются в два разных изотопа свинца — ²⁰⁶Pb и ²⁰⁷Pb. Вскоре после этого Альфред Нир, физик из Миннесотского университета, открыл еще один изотоп свинца — ²⁰⁴Pb, имеющий не радиогенное происхождение, т. е. этот свинец изначально был свинцом и не являлся продуктом радиоактивного распада. Нир также разработал основной инструмент изотопного анализа — масс-спектрометр, который позволяет разделять и сортировать изотопы одного элемента на основе их атомного веса.

Сделанные открытия натолкнули Нира на мысль, что эти три изотопа свинца можно использовать для датировки горных пород и даже для определения возраста самой Земли, поскольку на протяжении всего геологического времени количество изотопов ²⁰⁶Pb и ²⁰⁷Pb должно было увеличиваться математически предсказуемым образом, а абсолютное количество нерадиогенного ²⁰⁴Pb оставаться постоянным. Более конкретно: из-за сравнительно короткого периода полураспада ²³⁵U запасы ²⁰⁷Pb на раннем этапе истории Земли должны были расти быстрыми темпами, но затем скорость их роста должна была сгладиться — как совокупный доход на сберегательном счете с высокой процентной ставкой, с которого с первых же дней снимали значительные средства. В то же время вследствие гораздо более длительного периода полураспада ²³⁸U глобальные запасы ²⁰⁶Pb продолжали бы накапливаться — как доход на сберегательном счете с низкой процентной ставкой, но с более медленным снятием средств. Используя ту же метафору, запасы изотопа ²⁰⁴Pb можно сравнить с деньгами, спрятанными под матрацем. В 1940 г. Нир и его ученики собирались применить эту идею на практике для датирования геологических образцов, но им пришлось остановить работу, поскольку Энрико Ферми попросил Альфреда Нира, сына немецких иммигрантов, присоединиться к Манхэттенскому проекту. Ученым требовалось отделить делящийся изотоп ²³⁵U от слаборадиоактивного ²³⁸U, и масс-спектрометр Нира был единственным инструментом, позволяющим различить эти два изотопа[14]. Ниру пришлось переориентировать свою лабораторию с изучения геологического прошлого на проблемы неопределенного будущего.

Однако сразу же после войны Нир вернулся к своей идее и занялся измерением соотношений изотопов Pb в залежах галенита (сульфида свинца, PbS, — первичной свинцовой руды) различного возраста, расположенных в самых разных точках мира. Галенит по определению содержит много свинца, но этот свинец не захватывает уран при кристаллизации минерала. Это означает, что соотношения изотопов свинца в галените не меняются с течением времени и должны отражать ту конкретную смесь изотопов свинца, которая существовала в окружающей среде на момент образования минерала. Как и предсказывал Нир, образцы более древних руд имели более низкие соотношения ²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb и ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb (соотношения свинца «с процентного счета» и свинца «из-под матраца»). Этих соотношений могло бы быть достаточно, чтобы определить возраст Земли, если бы изначально на нашей планете отсутствовали изотопы ²⁰⁷Pb и ²⁰⁶Pb. Но Нир знал, что в момент своего образования Земля почти неизбежно унаследовала какое-то количество радиогенного свинца, накопившегося на «банковских счетах» более древних космических объектов. Следовательно, чтобы вычислить возраст Земли, требовалось каким-то образом определить изначально существовавшие соотношения различных изотопов свинца в том строительном материале.