Зачем нужна геология: краткая история прошлого и будущего нашей планеты

Однако вернемся к деталям методов датирования, которые применяют для измерения гигантских промежутков времени: к счастью, в периодической таблице есть много элементов с природными радиоактивными изотопами, и множество природных материалов содержат один или несколько этих изотопов в том или ином количестве. Это значит, что в принципе при разумном отборе образцов датировать можно практически всё. Однако каждая из разработанных учеными процедур датирования имеет определенные ограничения. Например, радиоуглеродное датирование (вероятно, наиболее известный из геохронологических методов) можно использовать только для датировки органического материала, который был частью живого растения или животного, причем материал должен быть моложе 50 тысяч лет. Ограничение вызвано тем, что метод основан на радиоактивном распаде радиоуглерода (углерода-14), который распадается очень быстро. (Число в названии изотопа означает общее количество протонов и нейтронов в ядре атома — в случае углерода-14 в ядре 6 протонов и 8 нейтронов. В научной литературе оно обычно указывается индексом сверху, то есть ¹⁴С, однако я буду использовать более длинное, но более удобное для чтения название углерод-14).

Чаще всего методы радиоизотопного датирования, применяемые для горных пород, задействуют изотопы относительно распространенных и известных элементов, например, калия и урана, однако используются также и некоторые более экзотические элементы — например, рубидий, рений и самарий. У каждого из методов есть свои достоинства и недостатки, и выбор самого полезного метода диктуется обстоятельствами — например, геологическими условиями нахождения образца. Самый частый метод для древних пород, с которым мы будем регулярно сталкиваться в этой книге, основан на цепочках распада урана, заканчивающихся изотопами свинца. Одна из причин распространенности уран-свинцового метода датирования — тот факт, что во многих горных породах содержится минерал циркон, который одновременно и достаточно богат ураном, и стоек к изменениям, к тому же его легко извлечь для анализа.

Как можно догадаться по названию, циркон содержит цирконий, а из его химической формулы ZrSiO₄ видно, что другими его основными компонентами являются кремний и кислород. Уран присутствует только в следовых количествах, но его концентрация все же гораздо выше, чем в большинстве других минералов, потому что атомы урана легко занимают место циркония в структуре этого вещества. Циркон — твердый и плотный минерал, обычно красноватого цвета; его мелкие зерна повсеместно встречаются в магматических породах. Более редкие крупные кристаллы иногда продают в качестве полудрагоценных камней, однако для геологов настоящая ценность циркона заключается в пользе для датирования. Он настолько устойчив к изменениям, что даже в тех случаях, когда горные породы погружаются вглубь Земли, нагреваются и подвергаются метаморфизму, кристаллы циркона нередко остаются целыми, сохраняя при этом возраст исходной породы. Когда на поверхности планеты породы наподобие гранитов подвергаются выветриванию, многие содержащиеся в них минералы растворяются или превращаются в глину, однако кристаллы циркона выживают. Поэтому песок на пляже неизменно содержит зерна этого минерала.

Наряду с уран-свинцовым методом мы встретимся с другим широко применяемым способом радиоизотопного датирования, который использует распад калия до одного из изотопов аргона. Минерала, который был бы эквивалентен циркону, у калия нет, однако это относительно распространенный на планете элемент, и для датирования можно использовать многие обычные минералы — например, некоторые разновидности слюды и полевого шпата. По различным техническим причинам метод калий-аргонового датирования полезен для более молодых частей геологической летописи.

С помощью уран-свинцового и калий-аргонового методов было получено большинство дат на современной геологической шкале. В тех случаях, когда были доступны подходящие образцы, оба метода применяли одновременно: перекрестная проверка независимыми методами гарантирует точность результатов. Однако нужно как-то справиться с проблемой, касающейся показанных на рисунке 1 возрастов: существуют значительные трудности при применении уран-свинцового и калий-аргонового методов к осадочным породам, но — как мы видели ранее — основой для геохронологической шкалы являются окаменелости, а их находят как раз в осадочных породах. Как же тогда получили соответствующий возраст?