Осознание времени. Прошлое и будущее Земли глазами геолога

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)^{5}.

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.