Чтение онлайн

Каждому типу пород присущ своеобразный комплекс минералов. Различно происхождение этих минералов, различна их история. Химические компоненты, входящие в состав вещества минералов, ведут себя по-разному. Поэтому, ставя перед собой задачу определить возраст горной породы, необходимо тщательно изучить ее происхождение и выбрать из арсенала научных методов те, которые могли бы обеспечить наибольшую достоверность ожидаемых результатов.

Как известно, радиоактивность может проявляться в двух основных формах, получивших название альфа (a)- и бета (b)- распада. При альфа-распаде ядро радиоактивного элемента испускает альфа-частицу - ядро атома гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов, и один квант гамма-излучения. При бета-распаде ядро излучает бета-частицу, которая представляет собой электрон, и нейтрино. Оба вида распада сопровождаются нагреванием окружающего вещества. Кроме того, ядро может иногда захватывать электрон с ближайшей электронной оболочки, излучая при этом нейтрино. На изучении этих процессов и построены главнейшие методы абсолютной геохронологии.

Одним из первых способов определения абсолютного возраста был уже упоминавшийся свинцово-изотопный метод, основанный на изучении процессов распада изотопов уран-238, уран-235 и торий-232. По соотношению этих элементов и изотопов свинца, образующихся в результате их радиоактивного распада, удается с высокой точностью установить время появления горной породы.

Однако урановые и ториевые минералы недостаточно стойкие, легко разрушаются и, кроме того, не так уж часто встречаются в природе. Это поначалу накладывало существенные ограничения на использование свинцового метода. Но поскольку содержание урана и тория в горных породах не оставалось постоянным в ходе геологической истории, изменения эти неизбежно должны были отразиться и на соотношении продуктов их распада. Следовательно, совершенно необязательно, чтобы в минералах непременно присутствовали уран и торий. Достаточно, если нам будет известен, например, изотопный состав содержащегося в минерале свинца.

Природный свинец представляет собой смесь четырех изотопов, из которых три (свинец-206, -207, -208) являются продуктами радиоактивного распада. Анализы показывают, что в образующихся ныне слоях эти изотопы содержатся в отношении

204Pb:206Pb:207Pb:208Pb = 1:19,04:15,69:39,00.

В отложениях минувших эпох это соотношение изменяется: чем древнее горная порода, тем меньше в ней радиогенных изотопов свинца.

По известной нам скорости распада материнских элементов нетрудно вычислить, какое количество каждого изотопа должно присутствовать в породах того или иного возраста. Если же установить, в каком соотношении пребывают изотопы свинца в интересующем нас минерале, можно решить и обратную задачу: по количеству изотопов установить время образования породы.

Свинец неплохо исполняет роль «метрического свидетельства» горных пород, особенно в тех случаях, когда приходится иметь дело с большими залежами, насыщенными этим элементом. Но распространен свинец в земной коре неравномерно. При сравнении результатов многочисленных анализов было замечено, что в одних местах количество свинца по отношению к урану и торию явно занижено, а в других - чрезмерно завышено.

Радиоактивное семейство урана-235. Для каждого изотопа приведен период полураспада.

Поэтому, пользуясь при определении геологического возраста одними только изотопами свинца, можно впасть в серьезную ошибку. Лишь для очень древних отложении свинцовый метод дает погрешность около 10%, с которой еще можно примириться, учитывая колоссальную отдаленность времени их образования, исчисляемую миллиардами лет. В остальных же случаях «свинцовый» возраст горной породы желательно проконтролировать с помощью иных элементов.

На подсчете содержания в породе продуктов радиоактивного распада урана и тория основан и другой метод, получивший название гелиевого. И уран и торий выделяют при распаде гелий:

238U - 206Pb + 84He;

235U - 207Pb + 74He;

232Th - 208Pb + 64He.

В геохронологической лаборатории определяют количество скопившегося в породе радиогенного гелия, находят отношение его к общему содержанию урана и тория. Затем вычисляют, сколько должно было пройти лет, чтобы в исследуемом веществе установилось наблюдаемое соотношение этих элементов.

Гелий хорошо сохраняется в магнитном железняке, самородном железе, а также в некоторых силикатных минералах, приуроченных к обогащенным железом магматическим горным породам. Удалить гелий из таких пород можно лишь продолжительным действием высокой температуры. Но зато из остальных минералов этот газ легко улетучивается, и поэтому абсолютный возраст, определенный гелиевым методом, как правило, оказывается заниженным. Это досадное обстоятельство заставило искать другие, более надежные геологические часы.

Ленинградскими учеными внедрен метод, использующий накопление в горных породах другого инертного газа - аргона. Он основывается на подсчете количества радиогенного аргона в минералах, содержащих калий. Таких минералов, к группе которых принадлежат все слюды и полевые шпаты, в природе очень много, и распространены они повсеместно. Поэтому аргоновый метод быстро нашел широкое применение в советских и зарубежных геохронологических лабораториях.

Встречающийся в природе калий состоит из смеси трех изотопов: калия-39, -40 и -41. Радиоактивен только калий-40, на долю которого приходится чуть больше 0,0001 общего количества элемента.

При радиоактивном распаде калия выделению свободных электронов (бета-распаду) сопутствует обратный процесс - поглощение электронов атомным ядром:

40К+е - 40Аr + b.

Это явление, известное под названием электронного захвата, несколько усложняет общую картину. Поэтому, чтобы определить возраст аргоновым методом, необходимо не только вычислить наблюдаемое в минерале соотношение аргона-40 и калия-40, но и учесть интенсивность электронного захвата и бета-распада. Но и в этом случае сохраняется основная закономерность: чем древнее порода, тем больше в ней радиогенного аргона.

На территории СССР - в Сибири, на Кавказе, на Украине, в Средней Азии, на Дальнем Востоке и в Канаде были проведены определения геологического возраста аргоновым методом. Аргоновый метод (его называют также калий-аргоновым) занял одно из ведущих мест в геохронологических исследованиях. И чем шире внедрялся он в практику, тем отчетливее проявлялись его достоинства и недостатки.

Выяснилось, что многие минералы удерживают аргон очень плохо. Недолго сохраняется он в так называемых «неустойчивых частях» полевых шпатов. Значит, если мы будем иметь дело с гранитом, состоящим из кварца, полевого шпата и слюды, и определим абсолютный возраст этой породы по слюде, то полученная цифра окажется заведомо больше, чем количество лет, исчисленное по шпату. Во избежание подобного разнобоя необходима сложная предварительная обработка полевого шпата с помощью раствора азотнокислого таллия.

Не лучше обстоит дело и с другим минералом - сильвином, очень широко используемым при геохронологических определениях. Недавно стало известно, что при перекристаллизации горных пород, а также под действием давления аргон легко улетучивается из сильвина. Стало быть, на древних отложениях, которые на протяжении истории Земли могли неоднократно подвергаться нагреванию и сжатию, калий-аргоновый метод может «не сработать» или привести к серьезным ошибкам в определении.

Для устранения этого недостатка был разработан кальциевый метод. Радиогенный изотоп кальция (кальций-40) образуется в результате бета-распада калия-40:

40К + е - 40Ca + b.

Отношение количеств этих двух изотопов и принимается в качестве показателя возраста минералов (с поправками на скорость электронного захвата и бета-распада калия). Опыты, проведенные во Всесоюзном научно-исследовательском геологическом институте им. А. П. Карпинского, показали, что кальциевый метод может иногда с успехом применяться даже в том случае, когда порода, содержащая сильвин, испытала перекристаллизацию.

В последнее время геохронологическая датировка слюд и древних магматических и метаморфических пород нередко осуществляется с помощью рубидий-стронциевого метода. Он основан на превращении рубидия-87 в стронций-87: