Ядерные часы» в породах земной коры

Поиски геофизических и астрофизических хронометров в классической науке

Последовательно применяя принцип актуализма, ученые смогли установить возраст планеты Земля, а также продолжительность основных эр, периодов и эпох ее истории. Однако это стало возможным не за одну сотню лет развития науки. То, что геологическая история членится на периоды – было известно еще Николаусу Стено в XVII веке, который заложил основы стратиграфии – изучения последовательности залегания пород в земной коре. Ко временам Лайеля был составлен почти полный, мало отличающийся от современного, каталог временнóй последовательности различных геологических эр, разделяемых на периоды, идентифицированы характерные для периодов породы, а также руководящие (встречающиеся только в этот отрезок времени) ископаемые. Таким образом, в общих чертах была решена проблема относительной геохронологии, определяющей последовательность эр, периодов и эпох. Но какова абсолютная продолжительность каждой из них? На этот вопрос геологи не знали ответа до XX столетия – камни, словно элегантная дама, многозначительно скрывали свой возраст от классической геологии и стратиграфии.

Первые попытки узнать возраст Земли были наивны. Начало этому положили в XVIII веке такие корифеи, как Михайло Ломоносов и Жорж Бюффон. Ломоносов наблюдал за процессами поднятия и опускания земной поверхности, «наступаний» и «отступаний» моря, Бюффон — за остыванием нагретых тел. У Бюффона получился возраст, равный 75 тысяч лет, у Ломоносова – не менее 400 тысяч… Цифры, конечно, далекие от действительности (иначе и быть не могло – принятая в качестве аналогии модель была неадекватна реальности). Но оба ученых осуществили революцию в науках о Земле: они построили модели поведения вещей в прошлом на основе изучения современного опыта, а не вычисляли возраст Земли, считая годы жизни ветхозаветных патриархов, как это делали в донаучную эпоху, опираясь на божественное откровение. И даже такие несовершенные прикидки, как у Ломоносова и Бюффона, дали значение возраста Земли, значительно превышающее ветхозаветное (которое правильно отражает по порядку величины время письменной истории человечества, ибо Ветхий Завет – один из древнейших письменных источников). Идея же оценивать время существования планеты, исходя как из скорости геологических процессов, так и из динамики остывания ее недр, использовалась неоднократно впоследствии, на новом уровне развития научного знания.

Надеясь помочь геологам определить абсолютный возраст Земли, физики XIX века продолжали изыскания. Вильям Томсон (он же лорд Кельвин) усовершенствовал метод Бюффона, проведя более детальные расчеты времени, за которое земная кора могла бы остыть до современного состояния, если изначально она была расплавленной. В итоге это время получилось не в пример внушительнее, чем у Бюффона — порядка 20-40 миллионов лет.

В сотрудничестве с Германом Гельмгольцем Кельвин решил проверить эту цифру, используя данные не о Земле, а о Солнце. С позиций физики XIX века Гельмгольц и Кельвин искали ответ на вопрос «отчего светит Солнце?». Гипотеза сгорания на Солнце химического топлива уже в XIX веке казалась неправдоподобной: химическое топливо должно быстро кончиться. Поэтому ученые XIX века не могли указать ни на какой другой источник энергии Солнца, кроме гравитационного сжатия. Расчеты показывали, что для обеспечения нынешней светимости Солнца оно должно сжиматься с такой скоростью, что около 18 миллионов лет назад радиус Солнце превышал бы радиус земной орбиты.

Хотя оценки Кельвина и Гельмгольца основывались на двух разных эффектах и дали одинаковый по порядку величины ответ, они, тем не менее, казались слишком малыми для геологов. Дело в том, что геологи часто сталкиваются со многими осадочными породами, которые накапливаются или, напротив, выветриваются очень медленно. Поскольку мощность осадочных толщ составляет многие тысячи метров, то из простой экстраполяции, проведенной еще в начале XIX века Лайелем, получалось, что время образования или эрозии многих пород должно занимать не один десяток, если не сотню миллионов лет.

Кто же был прав в попытках оценки возраста Земли – классическая физика или классическая геология? Ведь, если быть до конца откровенным, простое деление мощности пласта на наблюдаемую в настоящее время скорость осадконакопления не является строгим примером применения принципа актуализма. Дело в том, что, во-первых, скорость осадконакопления является величиной непостоянной, она зависит и от времени, и от места накопления осадков. Кроме того – и это не менее важно – существуют процессы, обратные осадконакоплению – это различные типы эрозии пород, которые так же, как и осадконакопление, не стационарны, поэтому определять время отложения пласта с помощью простого деления мощности пласта на скорость осадконакопления не всегда корректно.

Итак, надежный способ определения возраста геологических пород должен удовлетворять, по крайней мере, двум требованиям. Скорость такого процесса должна быть предельно постоянна, не зависеть от внешних условий. Кроме того, должен отсутствовать процесс, обратный тому процессу, который используется для хронометрии.

Классическая физика и геология XIX не могли указать на такой процесс, равно как и найти источник энергии Солнца и теплоты земных недр. Все вопросы были решены только физикой XX века, изучающей превращения атомных ядер. Такие превращения возможны благодаря тому, что у каждого ядра имеется своя энергия связи, и более выгодно состояние с наибольшей энергией связи. Ядерные силы притяжения между нуклонами (протонами и нейтронами) имеют совершенно особые свойства. В отличие от действующих в макромире гравитационных и электромагнитных сил, ядерные силы являются короткодействующими. Проявляются они только на расстояниях порядка нескольких фемтометров (1фм = 10^-15 м) и меньше, но уж если нуклоны оказались на таком расстоянии друг от друга, то ядерное притяжение между ними оказывается так велико, что пересиливает электростатическое отталкивание положительно заряженных протонов.

Из-за таких свойств ядерных сил наиболее крепко связаны нуклоны у ядер в середине таблицы Менделеева (наибольшая энергия связи – у ядер железа). В то же время у легких ядер энергия связи ядра меньше, потому что у таких ядер большая часть нуклонов расположена в поверхностном слое «ядерной капли». Подобно молекулам жидкости в поверхностном слое капли, которые имеют меньше молекул-соседей, чем молекулы в центре капли, и поэтому менее связаны с каплей, нуклоны в поверхностном слое ядра менее связаны с ядром. Напротив, у слишком тяжелых ядер становится существенным электростатическое отталкивание протонов, которое ослабляет связи в ядре. В результате среди легких ядер энергетически выгодными оказывается синтез (слияние), а среди тяжелых – деление (распад на части). Именно это открытие XX века послужило основой создания самого смертоносного оружия, придуманного когда-либо людьми – ядерного в узком смысле, использующего деление тяжелых ядер, и термоядерного, использующего синтез легких ядер (иначе называемый термоядерным синтезом за температуры в миллиарды градусов, необходимые для преодоления электростатического барьера отталкивания ядер при синтезе).

Тем не менее, термоядерному синтезу (конкретно, превращению водорода в гелий) обязана своим существованием не только водородная бомба (не скрою, хотел начать данную фразу с вводного оборота «к счастью», а не «тем не менее». Но потом вспомнил, что у водородной бомбы, в отличие от урановой и плутониевой, пока в истории человечества жертв умышленного применения не было. Насколько такое грозное оружие, способное уничтожить всю цивилизацию за считанные дни, является фактором сдерживания агрессивных инстинктов не лучшей части двуногих в их борьбе за власть и собственность — тема для отдельного размышления, не относящегося к предмету настоящей статьи), но и светимость нашего Солнца и звезд. Расчеты показывают, что звезда — желтый карлик типа Солнца исчерпывает весь водород за время порядка 8-9 миллиардов лет. Таким образом, открытие явление термоядерного синтеза как основного источника энергии звезд сняло один из «проклятых вопросов» в исторической геологии — почему время отложения и разрушения многих горных пород оказывалось значительно больше времени существования Солнца? Гравитационное же сжатие звезд, по современным представлениям, существенно лишь на относительно коротком (порядка ста тысяч лет для звезды, подобной Солнцу) этапе первичного разогрева их недр до температуры, позволяющей идти термоядерным реакциям.

Однако решение проблемы стабильности Солнца на протяжении сотен миллионов лет стало не единственным и даже не главным подарком ядерных физиков геологам. Ядерная физика нашла геохронометр, идеально отвечающий требованиям принципа актуализма — процесс, работающий на протяжении длительных эпох «как часы», в буквальном и переносном смысле слова! Таким процессом оказался радиоактивный распад. В отличие от уже упомянутых здесь термоядерного синтеза и деления тяжелых ядер, как правило, требующих особых условий для своего протекания (сверхвысоких температур, наличия критической массы делящегося материала и др.), радиоактивный распад спонтанен (самопроизволен). При радиоактивном распаде нестабильное материнское ядро, называемое радионуклидом, превращается в дочерний нуклид (дочерний нуклид может быть как стабилен, так и сам радиоактивен. Во втором случае говорят о цепочках радиоактивного распада (радиоактивных семействах), имеющий большую энергию связи, нежели материнский, при этом избыток энергии, как правило, уносится с ионизирующим излучением. В зависимости от типа радиоактивного распада это могут быть ядра гелия (альфа-излучение), электроны или позитроны (бета-излучение), или фотоны с длиной волны порядка 10^-10 м и менее (гамма-излучение).

В соответствии с законами квантовой механики, переход от материнского нуклида к дочернему является случайным процессом (о случайных процессах см. главу «Эволюция, случайность, энтропия«), время которого не предопределено начальными условиями. Конфигурация нуклонов в материнском и дочернем нуклиде определяет лишь среднее время жизни радионуклида, а также пропорциональный этой величине период полураспада — время, за которое число радионуклидов в образце уменьшается вдвое. Природа щедро одарила земную кору и мантию радионуклидами, период полураспада которых может достигать многих миллиардов и даже десятков миллиардов лет.

Образуются такие радионуклиды (как правило, тяжелые) путем нейтронного захвата на последней стадии эволюции звезд — при т.н. взрывах сверхновых. В противоположность интуитивным понятиям, историческим термином «взрыв сверхновой» обозначают не начало, а конец эволюции звезды. После выгорания водорода и гелия звезда «сбрасывает» свою атмосферу, при этом наблюдатель с Земли видит вспышку от светящегося газа, превосходящую по яркости звезду до взрыва (как будто «новую звезду не небе»).

Эти радионуклиды (в основном изотопы тяжелых элементов — урана и тория, а также калий-40) вносят существенный вклад в тепловой баланс земных недр (вспомним, что слишком быстрое их остывание составляло в XIX веке проблему для Кельвина; другой важный, но тоже не учтенный Кельвином источник — гравитационная дифференциация вещества в мантии и ядре Земли).

Изотопами элемента Z называются нуклиды, имеющие одинаковое число (Z) протонов, но разное число нейтронов. Таким образом, изотопы различаются атомной массой, например, стабильный углерод-12 и радиоактивный углерод-14, или уран-235 и уран-238, важные для радионуклидного датирования.

Помимо этого, радионуклиды предоставили геологам практически единственный способ судить об абсолютном возрасте пород и абсолютной продолжительности геологических эпох, «проставить даты на палеонтологической летописи». Из-за того, что период полураспада является внутренним свойством спонтанного перехода между состояниями ядра, на него не влияют внешние по отношению к ядру условия, как-то температура, давление, химическое соединение и агрегатное состояние вещества, в которое входят радионуклиды и т.д.

Существенной, а в большинстве случаев главной, проблемой на заре ядерной геохронологии была неизвестность начального содержания, а также выноса и привноса в последующее время материнского и дочернего нуклидов, что делало какие-либо оценки возраста пород крайне затруднительными. В каких-то случаях выручить может то, что дочерний нуклид, как при превращении калия-40 в аргон-40, является газом, который покидает расплав породы при извержении лавы. Однако методы, предполагающие отсутствие дочернего нуклида на момент образования породы, не вполне надежны, особенно для недавно извергшихся пород, так как даже небольшие добавочные количества дочернего нуклида могут привести к огромной погрешности в результате.

К наиболее надежным методам датировок, не только не требующим отсутствия дочернего нуклида, но и имеющим «внутреннюю защиту от ошибок», относятся так называемые методы изохрон. Эти методы основаны на анализе содержания трех нуклидов – материнского радионуклида (M), дочернего радиогенного нуклида (D ₁), а также другого, нерадиогенного (D ₂), изотопа того же элемента, что и дочерний нуклид D ₁ – в разных образцах породы, отличающихся по содержанию материнского нуклида М. На момент кристаллизации расплава породы разные ее образцы могут отличаться по химическому (элементному) составу, однако изотопный состав каждого из элементов будет одинаков для разных образцов (ибо химические свойства элемента мало зависят от изотопа данного элемента). Поэтому изохрона – линия, выражающая зависимость отношения концентраций [ D ₁]/[ D ₂] от [ M ]/[ D ₂] – будет в этот момент прямой, параллельной оси абсцисс (см. рис. 1, круги). По мере превращения нуклида M в нуклид D ₂ изохрона будет продолжать оставаться прямой (чем больше ядер M содержал образец в начальный момент, тем больше в нем будет накапливаться ядер D ₁ со временем); и угол ее наклона будет показывать нам возраст породы (рис. 1, треугольники и квадраты). Если же с течением времени будет иметь место вынос или привнос какого-либо из нуклидов (M, D ₁ или же D ₂), то изохрона перестает быть прямой линией! Таким образом, метод изохрон обладает «встроенной защитой», которая показывает, «исправны» радионуклидные часы или же они «барахлят».

Рис. 1. Метод изохрон. Для определения возраста магматической породы берут несколько ее образцов, различающихся содержанием материнского радионуклида M. Измеряя (например, с помощью масс-спектрометра) концентрации материнского нуклида M, дочернего нуклида D ₁, а также нуклида D ₂, являющегося нерадиогенным изотопом того же элемента, что и нуклид D ₁, строят графики зависимости [ D ₁]/[ D ₂] от [ M ]/[ D ₂]. При отсутствии выноса и привноса нуклидов за пределы породы такой график является прямой линией — изохроной. Изохрона, построенная по точкам с маркерами-кругами соответствует только что извернувшейся породе, с маркерами-треугольниками – породе возрастом в 0,5 периода полураспада радионуклида M, с маркерами-квадратами — породе возрастом в 1 период полураспада радионуклида M.

Методы абсолютного датирования геологических пород, работая с магматическими породами, элегантно дополняют относительные методы стратиграфии, областью применения которых являются главным образом осадочные породы, опознаваемые по руководящим окаменелостям. Сочетая относительные методы с абсолютными, люди узнали, что Солнечная система существует около 4,6 млрд. лет. 3,8 млрд. лет назад (начало архея) на Земле уже существовала жизнь. 1,8 млрд. лет назад (конец раннего протерозоя) уже жили первые эукариоты (организмы с клеточным ядром). Около 600 млн. лет назад (эдиакарий, или в енд) появились многоклеточные животные. Около 540 млн. лет назад (ранний кембрий) – первые животные с твердым скелетом, почти вслед за ними (около 530 млн. лет назад) – первые позвоночные. Около 365 млн. лет назад (поздний девон) – первые четвероногие животные. Около 220 млн. лет назад (начало верхнего триаса) – первые млекопитающие и первые динозавры. Около 65 млн. лет назад (граница мела и палеогена) динозавры вымирают, освобождая мир для дальнейшей эволюции млекопитающих. Около 2,5 млн. лет назад (конец плиоцена) начинается история человеческого рода, около 10 тыс. лет назад (начало голоцена) люди перешли к земледелию, а спустя несколько тысяч лет – к письменности.

Всего за считанные последние столетия, открыв для себя новые горизонты рационального познания, люди втрое увеличили продолжительность своей жизни, вдесятеро — свою численность на планете. На повестке дня — ликвидация массового голода среди Homo sapiens. Однако одновременно – мы уже едва ли не на большую часть разбазарили кладовую энергетических ресурсов в виде ископаемого топлива, доставшегося нам в наследство от сотен миллионов лет истории биоты Земли. Другие, еще более древние энергетические ресурсы — ядерное топливо в виде урана, наследство от звезд прошлого поколения, мы превратили в орудие массового убийства, грозящее цивилизации гибелью еще до наступления энергетического коллапса. Мы смогли познать многие из обстоятельств пути, по которому сами пришли в этот мир. Сможем ли не уйти из него напрасно, сможем ли оставить себе достойных потомков?

Н.М.Борисов

О других современных методах определения возраста горных пород см.: А.В.Марков. Хронология далекого прошлого

Дата добавления: 2015-05-06