История и методология изотопного датирования

История и методология изотопного датирования

Все началось с того, что в конце XIX века (Беккерель, 1896) было обнаружено, что в природе существуют элементы, атомные ядра которых не стабильны, а распадаются со временем. В дальнейшем выяснилось, что даже считавшиеся стабильными элементы могут иметь радиоактивные изотопы, также обладающие ограниченным временем жизни. Измерение количества исходных (материнских) радиоактивных изотопов и продуктов их распада (дочерних изотопов) в геологических породах и легло в основу определения абсолютного возраста этих пород.

Рис. 142. Антуан Анри Беккерель и Эрнест Резерфорд

«В курсе лекций, прочитанных Резерфордом в Йельском университете в 1905 году, он показал, что возраст урановых минералов можно вычислять путем измерения количеств гелия, накапливаемого такими минералами. Резерфорд практически выполнил подобное определение возраста нескольких урановых минералов и получил значения около 500 миллионов лет…

Состояние проблемы было тщательно проанализировано Артуром Холмсом [Рис. 58] в книге «Возраст Земли», которая вышла в свет в 1913 году, когда автору было 23 года. В этой книге Холмс убедительно показал важность использования радиоактивности в решении вопроса о возрасте Земли и составил первую геохронологическую шкалу. Шкала была основана на рассмотрении данных о мощности отложений осадочных пород и анализе данных об образовании гелия и свинца в урансодержащих минералах…

В геохронологической шкале, опубликованной Холмсом в 1913 году для архейских гнейсов, приводился возраст 1300 миллионов лет, однако Холмс предполагал, что возраст самых древних архейских пород должен быть около 1600 миллионов лет» (Фор, «Основы изотопной геологии»).

Заметим попутно, что, согласно современным представлениям, архейские породы как минимум в два раза древнее – на геохронологической шкале архей заканчивается 2,5 миллиарда лет назад. Получается, что Холмс при составлении своей шкалы ошибся в два раза, то есть на 100 процентов?!. Или наоборот – Холмс был прав, а ошибочны современные представления?..

Любопытно, что в другом (несколько более раннем) источнике можно найти совсем другую информацию о появлении геохронологической шкалы.

«…определения абсолютного возраста, несмотря на их важное значение, долгое время существовали как бы сами по себе, не будучи четко привязанными к делениям шкалы относительной геохронологии, являющейся фундаментом большинства геологических построений. И хотя с первых же шагов своего развития абсолютная геохронология совершенствовалась и непрестанно повышала точность определений возраста, ее выводы не могли быть использованы геологами в должной мере, и стратиграфия (учение о последовательности земных отложений) продолжала держать эту молодую науку на положении падчерицы.

Увязать цифры абсолютного возраста с данными отно­сительной геохронологии оказалось делом нелегким. Для этого потребовалось несколько десятилетий. И только в 1947 году английский исследователь Артур Холмс опубликовал первую общую шкалу геологического возраста.

Для того чтобы создать свою шкалу, Холмс взял за основу пять образцов горных пород, геологическое положе­ние которых было достоверно известно и могло быть соотнесено с определенными подразделениями таблицы относительной геохронологии. Установив абсолютный возраст этих от­ложений, он получил «остов» шкалы абсолютного летоисчисления.

Чтобы восполнить оставшиеся весьма значительные пробелы в сведениях о возрасте остальных периодов, Холмс предположил, что время, необходимое для образования тех или иных отложений, пропорционально их мощности. Чем больше осадков отложилось на протяжении геологического периода, тем дольше он длился. Холмс выбрал наибольшие значения мощностей для каждой геологической системы и распределил временные интервалы по периодам в соответст­вии с этими величинами.

Так был создан своеобразный календарь, в котором рядом с общепринятыми названиями эр и периодов земной истории были указаны возраст отложений и протяженность каждого отрезка времени, выраженные в единицах абсолютного летосчисления – в годах. Новая шкала необыкновенно быстро получила признание геологов всего мира.

Однако не прошло и десяти лет со дня опубликования работы Холмса, как стало совершенно очевидно, что существующие представления о протяженности геологических периодов должны быть пересмотрены. С учетом новых данных был внесен ряд уточнений и создана геохронологическая шкала, которая существенно отличалась от первоначальной схемы Холмса» (А.Олейников, «Геологические часы»).

Итак, уже в этом описании мы сталкиваемся с предвзятым подходом Холмса, обусловленным теорией Лайэля, требовавшей длительной геологической эволюции. Холмс выбрал именно «наибольшие значения мощностей» для каждой геологической системы – то есть заведомо заранее закладывал максимальное время отдельных периодов. Между тем, как может быть легко понятно из самых простых соображений, наибольшая мощность отложений связана прежде всего с… областями лавинной седиментации (!), где скорость накопления осадков очень сильно отличается от средней (см. ранее). Таким образом, Холмс использовал в основе построения своей шкалы заведомо ошибочный подход, не соответствующий реальности!..

К сожалению, Олейников так и не указал, что это были за «пять образцов горных пород», и на основании чего, собственно, считалось, что их положение на геологической шкале «достоверно известно»…

Мои попытки найти недостающую информацию в каких-то других доступных изданиях оказались безуспешными. В электронном каталоге Ленинской библиотеки работ Холмса не значится. А по запросам в интернетных поисковиках высвечивались лишь предложения англоязычных сайтов заказать книги Холмса в качестве «редкого издания», затем оплатить заказ и дожидаться книг без каких-либо гарантий исполнения заказа…

Оставалось одно – обратиться за помощью к специалистам-профессоналам. Что я и сделал – зарегистрировался на форуме «Все о геологии» (http://forum.we.ru – «Форум для студентов, абитуриентов геологических специальностей и геологов» при Геофаке МГУ), привел цитату из Олейникова, попросил помочь в поиске информации о пяти загадочных образцах и стал ждать…

Но не тут-то было!..

Вместо искомых сведений на меня посыпались вопросы типа «где я это взял» и «зачем мне это нужно». Информации по существу я так и не дождался, хотя терпеливо отвечал на все встречные вопросы. Причем я не дождался не только хоть каких-нибудь данных по «пяти образцам», но и какого-либо опровержения (или подтверждения) сведений, сообщаемых Олейниковым. Все, что я получил – устойчивое ощущение того, что профессиональных геологов – как будущих, так и уже состоявшихся – абсолютно не интересовал (да и продолжает не интересовать) вопрос, а откуда, собственно, реально взялась та геохронологическая шкала, которой все ныне пользуются…

В конце концов с чужой помощью (но не геологов) удалось-таки найти электронный вариант основной книги Холмса по данной тематике «Принципы физической геологии», но и там информация по упоминаемым Олейниковым пяти образцам отсутствовала напрочь…

Наверняка найдется читатель, который пожмет плечами – дескать, зачем мне сдались данные по каким-то пяти образцам?.. Ведь шкала Холмса все равно практически сразу подверглась сомнениям и уточнениям. Мало ли что было вчера – важно что сегодня. Сегодня «все уже выверено и перепроверено», а над «окончательной» шлифовкой шкалы трудится целая армия авторитетных ученых. И вообще:

«Непрестанно улучшаются методы геохронометрии, уточня­ются значения периодов полураспада различных радиоактив­ных изотопов, и все более совершенной становится шкала абсолютного геологического возраста Земли» (А.Олейников, «Геологические часы»).

Проблема в том, что в самом подходе к построению геохронологической шкалы кроется весьма тонкий момент – она «дополняется и уточняется» исключительно на базе «уже достигнутого»!.. А это создает очень сильные предпосылки к тому, что ошибки, попавшие по каким-либо причинам в «начальную» шкалу (а точнее: заложенные в самую ее основу), так и будут в ней оставаться. Но что еще хуже – при таком принципе построения шкалы ошибки способны не столько обнаруживаться и устраняться, сколько обрастать «подтверждениями истинности». Так что как ни крути, а к истокам спускаться надо!..

Тем более, если вспомнить, что одной из самых первых стратиграфических шкал (а стратиграфические шкалы – самая что ни на есть базовая основа геохронологической шкалы) была шкала Смита, созданная им для… каменноугольного периода! Периода, которого, как теперь выясняется, просто не было!..

Более того, именно «каменноугольный период» (из-за его весьма характерных признаков в виде отложений угля) во все времена с момента Смита, считался несомненным (пусть его протяженность и границы и менялись). Следовательно, вполне логично предположить, что какие-то из образцов, использованных Холмсом, также могли относиться к не существовавшему в реальности «каменноугольному периоду». И пусть построенная им шкала тут же стала «уточняться и пересматриваться», но ведь нет никаких гарантий того, что образцы пород из того же «каменноугольного периода» не служили дли «уточнения и пересмотра» шкалы Холмса в более позднее время. А ведь помимо «каменноугольных» отложений есть еще и отложения солей, которые также могли попасть в число тех самых «опорных столбов», послуживших частью «остова» геохронологической шкалы.

Представляется более чем вероятным, что в процессе «уточнения и пересмотра» никто не будет выдергивать из остова опорные столбы. И в таких условиях вполне возможно, что ошибки, связанные с этим, могли дойти и до современного момента. А если опорные столбы установлены неправильно, то что можно сказать о качестве всей конструкции?.. Естественно, ничего хорошего…

Но в конце концов, необходимых данных у нас все-таки нет. И поэтому допустим (просто хотя бы исходя из принципа презумпции невиновности), что ошибок в опорных столбах нет – все они взяты «правильно», то есть из числа тех пород, которые не должны выпасть из «достоверно установленных на геологической шкале» при переходе к новой концепции расширяющейся Земли и ее гидридного ядра.

Посмотрим, нет ли где еще возможных ошибок.

Для этого нам придется обратиться к методологии изотопного датирования геологических пород.

* * *

В датировании геологических пород наиболее часто используются следующие пары материнских и дочерних изотопов:

²³⁸U – ²⁰⁶Pb

⁸⁷Rb – ⁸⁷Sr

²³⁵U – ²⁰⁷Pb

¹⁴⁷Sm – ¹⁴⁴Nd

²³²Th – ²⁰⁸Pb

¹⁸⁷Re – ¹⁸⁷Os

⁴⁰K – ⁴⁰Ar

¹⁷⁶Lu – ¹⁷⁶Hf

Табл. 5. Пары материнских и дочерних изотопов

Процесс радиоактивного распада, как ныне считается, является независящим от окружающих условий и характеризуется так называемым периодом полураспада Т_1/2 – временем, за которое распадается половина атомов исходного (материнского) изотопа. Хотя в практике датирования чаще используется другой параметр – l, который связан с периодом полураспада простым соотношением: l^.Т_1/2 = ln2.

Для замкнутой системы, в которой в некий начальный момент времени был только материнский изотоп, из законов радиоактивного распада следует, что количество атомов дочернего изотопа D, образовавшегося за некое время t, прошедшее с этого начального момента, связано с количеством атомов оставшегося материнского изотопа М следующим соотношением:

D = M (e^?t – 1)

Откуда легко определяется время, прошедшее с начального момента – момента образования такой замкнутой системы:

Это соотношение может быть использовано для определения возраста какого-либо минерала t при соблюдении двух весьма важных условий.

Во-первых, в течение всей своей истории система должна быть замкнутой – в минерале не должно происходить ни выноса, ни привноса как дочерних, так и материнских изотопов.

А во-вторых, в момент своего образования (например, при кристаллизации) минерал не должен содержать атомов дочернего изотопа.

Это очень жесткие условия, которые в реальности, мягко говоря, далеко не всегда соблюдаются…

Попытки минимизировать возможные ошибки, связанные с нарушением первого условия, сводятся главным образом к использованию для определения абсолютного возраста лишь ограниченной группы минералов – тех, которые, по современным представлениям, считаются в достаточной мере «консервативными» (если так можно выразиться), то есть минералов, которые сохраняют свой состав неизменным, несмотря на потенциально возможные в прошлом внешние воздействия.

Поскольку второе условие соблюдается крайне редко, для минимизации ошибок, связанных с его нарушением, часто применяют метод изохрон, в котором используется тот факт, что помимо радиогенного (получившегося в результате радиоактивного распада) изотопа в минерале практически всегда присутствует какое-то количество стабильного изотопа того же химического элемента.

Если система замкнута (то есть первое условие выполняется), то количество стабильного изотопа со временем не меняется, что ясно из вполне элементарных соображений.

Пусть количество стабильного изотопа равно D₂, а радиогенного D₁. Допустим, что в самый начальный момент времени в минерал попало некоторое количество дочернего изотопа (D₁)₀. Тогда для текущего содержания дочернего и материнского изотопов будет справедливо соотношение:

D₁/ D₂ = (D₁/ D₂)₀ + M/D₂ (e^?t - 1)

Изохроной называется прямая линия, проведенная в координатах D₁/D₂ и M/D₂ по точкам изотопных составов одновозрастных минералов, различающихся по содержанию материнского элемента М (Рис. 143). Эта прямая, как очевидно, пересекает ось ординат в точке, соответствующей составу захваченного при кристаллизации элемента (D₁/D₂)₀. Угол наклона прямой ? будет функцией возраста минерала. Таким образом, метод изохрон позволяет по нескольким образцам, имеющим общее происхождение, определить возраст минерала и начальное изотопное отношение дочернего элемента в нем. Если же образцы имеют неодинаковый возраст, точки их изотопных составов не ложатся на одну прямую…

Рис. 143. Изохрона

Для широко распространенного уран-торий-свинцового метода проходят еще несколько дальше, поскольку в нем задействовано сразу несколько процессов распада.

Первичные изотопы урана и тория ²³⁸U, ²³⁵U и ²³²Th в процессе радиоактивных превращений образуют длинные цепочки переходящих друг в друга изотопов – радиоактивные ряды распада. Конечными продуктами распада всех трех рядов являются изотопы свинца. Поскольку геология работает с довольно продолжительными интервалами времени, сравнительно короткоживущими промежуточными членами рядов можно пренебречь и рассматривать упрощенные системы: ²³⁸U – ²⁰⁶Pb, ²³⁵U – ²⁰⁷Pb и ²³²Th – ²⁰⁸Pb.

Рис. 144. Цепочка распада ²³⁵U

Основные параметры этих систем следующие:

Материнский нуклид

Период полураспада, годы

Константа распада l, годы

Дочерний нуклид

²³⁸U

4,468 · 10⁹

1,55125 · 10^-10

²⁰⁶Pb

²³⁵U

0,7038 · 10⁹

9,8485 · 10^-10

²⁰⁷Pb

²³²Th

1,4008 · 10¹⁰

4,9475 · 10^-11

²⁰⁸Pb

Табл. 6. Параметры уран-ториевых систем

Отношение ²³⁸U/²³⁵U, как считается, постоянно и равно 137,88 (за исключением урановых руд Окло). Поэтому изотопный анализ урана заменяют определением его общего содержания. Помимо радиогенных изотопов ²⁰⁶Рb, ²⁰⁷Рb и ²⁰⁸Рb в природе существует еще один стабильный изотоп свинца – ²⁰⁴Рb. Концентрация ²⁰⁴Рb не меняется во времени, и его считают нерадиогенным (то есть не образующимся в результате реакций радиоактивного распада в данном случае урана и тория).

Тогда для каждой из вышеприведенных систем можно записать уравнение изохроны:

²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb = (²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb)₀ + ²³⁸U/²⁰⁴Pb (e^?₂₃₈^t – 1 )

²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb = (²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb)₀ + ²³⁵U/²⁰⁴Pb (e^?₂₃₅^t – 1)

²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb = (²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb)₀ + ²³²Th/²⁰⁴Pb (e^?₂₃₂^t – 1)

Если первые два уравнения разделить друг на друга, можно получить (при некоторых условиях, на которых мы остановимся чуть позднее) соотношения, которые используются в так называемом свинцово-свинцовом методе датирования:

где (²⁰⁷Pb/ ²⁰⁶Pb)_rad – отношение радиогенного ²⁰⁷Рb к радиогенному ²⁰⁶Рb.

На практике для расчета возраста по последнему соотношению пользуются специальными таблицами.

Так как основным условием пригодности образцов для определения возраста является закрытость системы, то для U-Th-Рb-метода обычно применяют минералы, максимально устойчивые к воздействию внешних процессов: цирконы, сфены, монациты, ортиты, ураниниты и др. В настоящее время считается, что наиболее достоверные данные дает анализ цирконов.

В принципе, если система оставалась закрытой все время существования минерала, значения возраста, полученные по всем четырем вышеприведенным уравнениям (для разных изотопов свинца), должны быть одинаковыми (конкордантными). Однако, как правило, даже по цирконам они не согласуются (дискордантны). В случае дискордантности нельзя получить достоверные значения возраста по единичному минералу, даже используя считаемую наиболее надежной систему ²⁰⁷Рb/²⁰⁶Рb. Обычно исследуют серию имеющих одинаковое происхождение (когенетичных) минералов для построения изохрон, а дальнейшую интерпретацию полученных данных выполняют с применением различных графических методов.

Например, если урансодержащий минерал в течение своего существования не испытывал ни привноса, ни выноса U и Рb, то значения возраста, определенные по отношениям ²⁰⁷Рb/²³⁵U и ²⁰⁶Pb/²³⁸U, должны совпадать. На диаграмме в координатах ²⁰⁷Pb/²³⁵U – ²⁰⁶Pb/²³⁸U точки для таких возрастов лягут на единую кривую, которая называется конкордией (см. Рис. 145).

Рис. 145. Конкордия и дискордия

Конкордия – это геометрическое место точек всех согласующихся U-Pb-систем. Если минерал испытал потерю свинца или привнос урана, то точка будет располагаться на диаграмме ниже конкордии (точка В). Если произошел обратный процесс, точки располагаются выше конкордии (точка С), что происходит значительно реже. Если процесс перераспределения элементов в одновозрастной U-Рb-системе произошел однократно, то точки для когенетичных (имеющих общее происхождение) минералов расположатся на прямой, которая носит название дискордия. Верхняя точка А пересечения конкордии и дискордии дает, как считается, истинный возраст минералов, нижняя точка D пересечения указывает на время метаморфизма (преобразования состава и/или структуры минералов), приведшего к перераспределению элементов…

Вот такова вкратце теория в основе радиоизотопных методов датирования минералов. В учебниках, конечно, приводится существенно больше формул для разных пар материнских и дочерних изотопов, но нам этого будет вполне достаточно…

Однако теория – это теория, и только в ней все выглядит просто и гладко. А реальная практика – совсем другое…

* * *