Маршия Бьорнеруд - Осознание времени. Прошлое и будущее Земли глазами геолога

Однако сразу же после войны Нир вернулся к своей идее и занялся измерением соотношений изотопов Pb в залежах галенита (сульфида свинца, PbS, — первичной свинцовой руды) различного возраста, расположенных в самых разных точках мира. Галенит по определению содержит много свинца, но этот свинец не захватывает уран при кристаллизации минерала. Это означает, что соотношения изотопов свинца в галените не меняются с течением времени и должны отражать ту конкретную смесь изотопов свинца, которая существовала в окружающей среде на момент образования минерала. Как и предсказывал Нир, образцы более древних руд имели более низкие соотношения 207Pb/ 204Pb и 206Pb/ 204Pb (соотношения свинца «с процентного счета» и свинца «из-под матраца»). Этих соотношений могло бы быть достаточно, чтобы определить возраст Земли, если бы изначально на нашей планете отсутствовали изотопы 207Pb и 206Pb. Но Нир знал, что в момент своего образования Земля почти неизбежно унаследовала какое-то количество радиогенного свинца, накопившегося на «банковских счетах» более древних космических объектов. Следовательно, чтобы вычислить возраст Земли, требовалось каким-то образом определить изначально существовавшие соотношения различных изотопов свинца в том строительном материале.

Кроме того, Нир увидел еще одну скрытую проблему: ни один, даже самый древний образец галенита не может отражать изначального состояния всей Земли в целом. Земля — не единый резервуар, где все смешивается в однородный общепланетарный геохимический коктейль. Как раз наоборот, ее структура с течением времени становилась все более неоднородной. Вскоре после своего рождения наша планета дифференцировалась на железо-никелевое ядро и каменную мантию, в которую перешла бóльшая часть остальных веществ, включая практически весь земной уран. С тех пор многократно повторяющийся процесс частичного плавления мантии с подъемом более легких пород на поверхность привел к образованию земной коры, которая оказалась гораздо богаче ураном, чем Земля в целом или ее мантия, подобно тому как более легкий молочный жир концентрируется в верхней части бутылки с молоком в виде сливок. Нир предположил, что, тогда как полученные им данные по изотопам свинца в целом соответствовали ожидаемой модели, некоторые из изученных образцов могли ассимилировать дополнительный радиогенный свинец ( 207Pb и 206Pb), образованный в результате распада «избыточного» урана в земной коре, и, таким образом, неточно отражали эволюцию изотопов свинца в масштабах всей планеты.

Артур Холмс, который к концу 1940-х гг. стал профессором геологии в Эдинбургском университете и переключил свое внимание на другие важные проблемы геологии (такие как движущие силы, стоящие за образованием гор), продолжал тем не менее пристально следить за работой Нира по определению возраста Земли. Его особенно заинтересовал один из изученных Ниром специфических образцов — галенит из очень древней толщи пород в Гренландии, имевший крайне низкие концентрации урана и низкие отношения изотопов свинца. Холмс, который отличался склонностью к широким умозаключениям и оценочным расчетам, оказался готов, в отличие от щепетильного Нира, сделать предположение, что соотношения свинцовых изотопов в этом гренландском галените могут быть очень близки к их изначальным соотношениям в недифференцированном веществе Земли. С теоретической точки зрения определить возраст Земли на основе этих данных представлялось несложным: нужно было всего лишь рассчитать, сколько понадобилось бы времени, чтобы изотопные отношения изменились с этого изначального стартового уровня до значений, обнаруживаемых в более молодых залежах галенита. Но на практике вычисления оказались настолько сложными, что Холмсу пришлось приобрести механическую счетную машину. Спустя месяцы трудоемких расчетов Холмс опубликовал свою оценку минимального возраста Земли: 3,35 млрд лет [15] Следует отметить, что русский геохимик Э. К. Герлинг выполнил похожие расчеты почти одновременно с Холмсом и получил возраст Земли в 3,1 млрд лет. Но его работы до недавнего времени не были известны на Западе. См.: Dalrymple, G. B., 2001. The age of the Earth in the twentieth century: A problem (mostly) solved. In Lewis, C., and Knell, S., The Age of the Earth from 4004 BC to AD 2002 . Geological Society of London Special Publication 190, 205–221. . Наконец-то геологи могли успокоиться: у земной истории было изобилие времени.

Но эта временна́я оценка породила новый конфликт — на этот раз с астрофизиками. Согласно теории Большого взрыва и расширения Вселенной, получившей признание в научном сообществе с конца 1920-х гг. благодаря наблюдениям Эдвина Хаббла за красным смещением галактик, возраст Вселенной можно определить поразительно просто — почти элементарно по сравнению с выполненными Холмсом расчетами возраста Земли на основе изотопов свинца. Для этого требовалось построить график зависимости между скоростью (расстояние/время) удаления галактик и звезд от Земли и расстоянием до этих объектов. Наклон этой линии называется постоянная Хаббла , и величина, обратная этой постоянной, отражает время, прошедшее с начала расширения, т. е. возраст Вселенной. В 1946 г., когда Холмс объявил, что возраст Земли должен быть более 3 млрд лет, возраст Вселенной, по оценкам астрофизиков, составлял только 1,8 млрд лет [16] Brush, S., 2001. Is the Earth too old? The impact of geochronology on cosmology, 1929–1952. In Lewis, C., and Knell, S., The Age of the Earth from 4004 BC to AD 2002 . Geological Society of London Special Publication 190, 157–175. .

Это смущающее расхождение между геологическим и астрономическим временем оставалось неразрешенным почти целое десятилетие, пока астрофизики не уточнили свои оценки космологических расстояний и не открыли еще более удаленные галактики, что позволило им уменьшить общепринятое значение постоянной Хаббла и существенно увеличить возраст Вселенной. Между тем в 1948 г. талантливый аспирант Чикагского университета Клэр Паттерсон решил применить новый оригинальный подход к определению возраста Земли. К тому времени стало очевидно, что на Земле не сохранились первозданные породы, которые отражали бы изначальное состояние земной коры. Артур Холмс использовал соотношение свинцовых изотопов в древнем гренландском галените как лучшее из доступных приближений к изначальным значениям, но Паттерсон нашел более надежный источник информации — внеземные породы, т. е. метеориты.

Метеориты представляют собой протопланетный строительный материал и остатки разрушенных планет, которые некогда сформировались одновременно с Землей и остальной частью Солнечной системы. В отличие от земных пород, которые находятся в процессе постоянного изменения и перерождения в результате выветривания, эрозии, метаморфизма и плавления, большинство метеоритов не претерпели никаких трансформаций в космическом вакууме с момента образования Солнца и планет. Под их тонкой оболочкой, приобретенной в результате прохода через атмосферу или пребывания на поверхности Земли, скрывается нетронутый материал, несущий отпечаток самых ранних дней Солнечной системы.