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

Паттерсон предположил, что железные метеориты, содержащие свинец, но практически не содержащие уран, отражают первичный состав изотопов свинца, присутствовавший в зарождающейся Солнечной системе. А каменные метеориты, содержащие свинец и уран, позволяют более точно, чем любая земная порода, расcчитать среднее содержание этих элементов в современной земной коре (напоминающей хорошо перемешанный молочный коктейль). Подход Паттерсона состоял в том, чтобы измерить первичное и современное соотношения изотопов свинца, представленные в этих двух видах метеоритов, а затем повторить расчеты Холмса (рис. 5).

И снова в теории идея казалась простой, но на практике потребовала титанических усилий. Паттерсону понадобилось почти восемь лет, чтобы только собрать и проанализировать образцы метеоритов. Он столкнулся с неожиданными сложностями: ему никак не удавалось получить в достаточной степени согласующиеся результаты измерений изотопов свинца в дублирующих пробах, чтобы провести заслуживающие доверия расчеты. Тщательно изучив свой метод анализа на предмет возможных ошибок, он в конце концов понял причину проблемы: оказалось, что образцы метеоритов уже до проведения анализов загрязнялись свинцом, в больших количествах присутствующим в окружающей среде — в воздухе, на рабочих поверхностях и приборах, на одежде и коже исследователей. За эти восемь лет, работая в Калифорнийском технологическом институте и в Аргоннской национальной лаборатории в Иллинойсе, Паттерсон создал первую в мире «стерильную лабораторию» со сложной системой очистки воздуха и вентиляции (сегодня такие лаборатории являются неотъемлемым атрибутом многих научных и медицинских исследовательских учреждений). В 1956 г. он наконец-то получил цифру, которая по сей день остается общепризнанным возрастом Земли: 4,55 млрд ±70 млн лет [17] Patterson, C., 1956. Age of meteorites and the Earth. Geochimica et Cosmochimica Acta , 10, 230–277. doi:10.1016/0016–7037 (56) 90036–9 . (Теперь Дарвин может покоиться с миром!) Успешно завершив двухсотлетние поиски святого Грааля, которые велись геологами и физиками со времен Геттона, Паттерсон в возрасте 31 года оставил академическую науку и посвятил остаток своей жизни крестовому подходу за запрет использования свинца (об опасных нейротоксических свойствах которого к тому времени уже было известно) в красках, игрушках, жестяных банках для продуктов питания и бензине. Казалось бы, такое научное достижение, как определение возраста нашей планеты, более чем достойно Нобелевской премии, но геологии даже нет в списке номинаций. Незадолго до своей смерти в 1995 г. Паттерсон получил престижную Премию Тайлера за достижения в области охраны окружающей среды, но я считаю это недостаточным признанием для парнишки из небольшого городка в Айове, не побоявшегося противостоять таким гигантам, как Кельвин, Хаббл и крупные нефтяные компании.

После новаторских работ Нира, Холмса, Паттерсона и других ученых геохронология — научная дисциплина, занимающаяся определением возраста геологических материалов, — значительно расширила арсенал своих методов исследования, ранее включавший только уран-свинцовый анализ. В природе встречаются 92 элемента и тысячи их изотопов, большинство из которых радиоактивны (всего 254 из них стабильны). Но не все радиоактивные изотопы могут служить счетчиками геологического времени. Во-первых, период полураспада изотопа должен соответствовать продолжительности измеряемого времени. У многих же изотопов он составляет несколько дней или даже секунд, поэтому использовать их для измерения геологического времени — все равно что пытаться измерить Аляскинскую трассу 30-сантиметровой линейкой. Кроме того, вследствие экспоненциального характера процесса радиоактивности, когда за каждый период полураспада распадается половина материнского вещества, после 10 периодов полураспада в материале почти не останется материнских изотопов, независимо от того, сколько их было изначально (аналогично тому, как даже самый большой лист бумаги можно сложить пополам лишь определенное количество раз). Во-вторых, материнский изотоп должен присутствовать в датируемой породе или минерале в достаточно высокой концентрации, чтобы его можно было измерить, а также чтобы произвести измеримое количество дочернего изотопа. Конечно, понятие измеримости со временем меняется — по мере того, как прогресс в приборостроении позволяет обнаруживать элементы в минералах даже в очень низких концентрациях, измеряемых миллиардными и триллионными долями (ppb и ppt) {5} 5 Миллиардная доля — единица измерения концентрации и других относительных величин. Обозначается сокращенно млрд –1 , или ppb (англ. parts per billion — « частей на миллиард» ) = 0,0000001 % = 10 –9 . Приблизительно равна одной капле чернил в среднем бассейне. Триллионная доля — трлн –1 , или ppt (англ. parts per trillion — «частей на триллион») = 10 –12 . Приблизительно равна одной капле чернил в судоходном шлюзе, заполненном водой. Далее в книге автор использует также единицу измерения ppm — миллионная доля, млн –1 = 0,0001 % = 1 г/т. — Прим. ред . .

В-третьих, дочерний элемент в идеале не должен присутствовать в минерале на момент кристаллизации — с которого начинается отсчет времени на изотопных часах, — чтобы гарантировать, что все количество дочернего изотопа в образце было образовано в результате радиоактивного распада материнского вещества после того, как кристалл стал закрытой системой. За этим стоит та же логика, что и за ненавистным студентам требованием использовать на экзаменах «голубые тетради», которое гарантирует, что все ответы на тест были написаны после того, как они вошли в класс и закрыли за собой дверь. (Разумеется, существуют математические методы, позволяющие ввести поправку на первоначальное количество дочернего изотопа, — точно так же, как опытный преподаватель может обнаружить мошенничество на экзамене.)

Наконец, в-четвертых, дочерние изотопы должны удерживаться в кристаллах, даже несмотря на то, что они обычно становятся «чужаками» в этой системе. Материнский атом со своим конкретным диаметром и электрическим зарядом занимает в кристаллической решетке строго определенное место, где он чувствует себя абсолютно комфортно и гармонично связан с соседними атомами. Но после того, как материнский атом в результате радиоактивного распада превращается в дочерний — совершенно другой элемент с другим размером атома, другими химическими свойствами, он перестает вписываться в гармоничную кристаллическую систему. Чувствуя себя дискомфортно в родительском доме, дочерние изотопы зачастую стараются сбежать из кристалла, как только предоставляется такая возможность, что чаще всего происходит в какой-то момент геологической истории при нагревании породы, открывающем кристаллическую решетку для диффузии. Поскольку соотношение дочерних и материнских изотопов является основой для определения возраста пород (табл. 2. 1), любая потеря дочерних изотопов ведет к тому, что образец будет казаться моложе своих лет.