Абсолютная геохронология

Когда мы говорим об абсолютной геохронологии, то подразумеваем, возраст образования какой-либо горной породы в астрономических единицах времени – годах, продолжительность которых признается абсолютной, неизменной в масштабе времени. Проблема определения абсолютного возраста горных пород, продолжительности существования Земли издавна занимала умы геологов, и попытки ее решения предпринимались много раз, для чего использовались различные явления и процессы. Ранние представления об абсолютном возрасте Земли были курьезными. Современник М. В. Ломоносова французский естествоиспытатель Бюффон определял возраст нашей планеты всего лишь в 74 800 лет. Другие ученые давали различные цифры, не превышающие 400–500 млн. лет. Здесь следует отметить, что все эти попытки заранее были обречены на неудачу, так как они исходили из постоянства скоростей процессов, которые, как известно, менялись в геологической истории Земли. И только в первой половине XX в. появилась реальная возможность измерять действительно абсолютный возраст горных пород, геологических процессов и Земли как планеты. Эта возможность базировалась на открытии процесса радиоактивного распада неустойчивых изотопов целого ряда химических элементов. Поскольку этот физический процесс идет с постоянной скоростью и не зависит ни от каких внешних воздействий, мы получаем в руки "атомный часовой механизм", позволяющий измерять возраст интересующего нас геологического объекта. Так возник радиометрический метод определения абсолютного возраста горных пород, в основе которого лежит физическое явление радиоактивного распада изотопов ²³⁸U, ²³⁵U, ²³²Th, ⁴⁰K, ⁸⁷Sr, ¹⁴C, ³H и многих других. Все эти изотопы нестабильны и обладают вполне определенной, выявленной экспериментально скоростью распада, обычно характеризуемой периодом полураспада, т.е. временем, в течение которого распадается половина атомов данного нестабильного изотопа. Период полураспада сильно варьирует у различных изотопов (табл. 18.1). Период полураспада радиоактивного элемента известен и определение возраста заключается в том, чтобы найти отношение массы вновь образованного химического элемента к массе материнского изотопа. Радиометрический возраст должен определяться по минералам, содержащим радиоактивные элементы, при этом отсчет времени в "атомных часах" начинается сразу же после кристаллизации данного минерала, который все последующее время вел себя как замкнутая система и сохранял все продукты распада и то количество исходного материнского изотопа, которое осталось после распада. Кроме этого, мы должны быть уверенными в том, что ничто постороннее не попало в минерал за время, прошедшее с момента его образования.

В наши дни наука, занимающаяся определением абсолютного возраста минералов и горных пород, называется радиологией и в ее арсенале насчитывается много методов, которые постоянно совершенствуются и имеют конечной целью повышение точности определений.

Учитывая периоды полураспада, различные изотопы используются для определения возраста в разных временных диапазонах. Так, радиоактивный углерод ¹⁴С, образующийся в верхних слоях атмосферы в результате действия космических лучей на атом азота ¹⁴N, используется для определения возраста древесины, торфа и т.д. в пределах 50000 лет, что позволяет успешно применять его в четвертичной геологии и археологии. Большое влияние на отношение ¹⁴С/¹²С оказывают проводящиеся уже более 40 лет испытания атомного оружия, атомные реакторы и ускорители.

Изотопы с большим периодом полураспада с успехом применяются для определения возраста докембрийских пород, диапазон формирования которых превышает 3,5 млрд. лет. Используются уран-свинцовый, торий- свинцовый, свинец-свинцовый, калий-аргоновый, рубидий-стронциевый, самарий-неодимовый и другие методы, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки. Проблемы возникают с калий-аргоновым методом, основанным на переходе нестабильного изотопа ⁴⁰К при условии захвата электрона в стабильный ⁴⁰Аr или ⁴⁰Са, если при этом испускается отрицательно заряженная бета-частица (свободный электрон с большой скоростью). В результате термального прогрева породы часть аргона улетучивается и поэтому возраст породы как бы "омолаживается", фиксируя момент прогрева, но не время образования данной породы. Калий-аргоновый метод стал применяться одним из первых и именно ему мы обязаны в значительной мере шкалой геологического времени, хотя известны и многочисленные случаи ошибочных определений, нуждающихся в геологической корректировке.

Уран-свинцовый метод, как и рубидий-стронциевый, применяется для определения возраста в диапазоне от 100 млн. лет до 5 млрд. лет. При этом содержание изотопов устанавливается с помощью масс-спектрометров, где атомы изотопов, будучи пропущенными, в вакууме через магнитное поле, разделяются с учетом их относительной массы. Важное значение имеет взаимная проверка определений разными методами, данные которых в случае их совпадения лежат на кривой распада - "конкордии". Чтобы уменьшить вероятность ошибок определения возраста, его проводят по так называемым "валовым пробам", т.е. используя всю породу, а не какой-либо минерал отдельно, хотя последний способ также применяется.

Для правильного понимания абсолютной геохронологии кроме взаимного контроля разными методами необходимо проводить контроль геологическими данными, без которого, принимая результаты определения абсолютного возраста за кажущуюся истину, можно сделать ошибочные выводы. Как уже говорилось, радиометрические методы особенно важны для докембрийских образований, формировавшихся в течение очень длительного времени и лишенных палеонтологических остатков. В то же время для фанерозойских отложений данные определения абсолютного возраста горных пород позволяют установить продолжительность главных подразделений международной геохронологической шкалы, разработанной на основе другихпринципов.