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

Из-за всех этих ограничительных критериев существует всего с десяток подходящих изотопных пар (включающих материнский и дочерний изотопы), которые могут быть использованы для датирования пород (табл. 2. 2). Эти материнские изотопы были унаследованы Землей при своем формировании от предшествующих звезд и планет, и некоторые из них имеют непостижимо долгие периоды полураспада. Так, период полураспада рубидия-87 ( 87Rb) составляет 49 млрд лет, что намного больше не только возраста Земли, но и возраста всей Вселенной (который сейчас, после пересмотра постоянной Хаббла, оценивается примерно в 14 млрд лет). Никакого противоречия тут нет — это просто означает, что с момента образования Земли истекла всего десятая часть периода полураспада 87Rb, поэтому лишь малая часть изначального 87Rb превратилась в стронций-87 ( 87Sr). Но, поскольку рубидий является типичным рассеянным элементом, присутствующим во многих минералах, оба изотопа, 87Rb и 87Sr, встречаются в достаточно высоких концентрациях, что делает возможным их количественное определение для целей радиоизотопного датирования пород.

Некоторые породы, например гранит, содержат два или более минералов, каждый из которых может быть датирован на основе своей изотопной системы «материнский изотоп — дочерний изотоп», и нередко анализ этих минералов показывает разный возраст. Это еще одно геологическое наблюдение, на которое любят ссылаться креационисты-младоземельцы как на якобы опровергающее существующую геохронологическую шкалу. На самом деле было бы странным как раз обратное: если бы все минералы в магматических породах, таких как гранит, которые образуются в результате медленного остывания магмы на большой глубине, имели одинаковый изотопный возраст. Дело в том, что температура закрытия , т. е. температура, при которой кристаллические «двери» закрываются для диффузии, неодинакова для разных материнских элементов в разных видах минералов. Знание конкретных температур закрытия позволяет детально реконструировать историю застывания глубинных магматических тел — плутонов (или плутонических массивов), названных так в честь Плутона, древнеримского бога Подземного мира. Например, комбинированное датирование минералов из гранитов Туолумне в Йосемитском национальном парке на основе изотопных пар U — Pb, Rb — Sr и K — Ar показывает, что те оставались при температуре свыше 350 °C на протяжении более 3 млн лет [18] Coleman, D., Mills, R., and Zimmerer, M., 2016. The pace of plutonism, Elements ,12, 97–102. doi:10.2113/gselements.12.2.97 . Эти граниты, ныне образующие величественные пики горного хребта Сьерра-Невада, некогда были гранитной магмой в магматических бассейнах, питавших мощные вулканы юрского периода (с тех пор стертые с лица Земли всесильной эрозией). Понимание того, как долго может сохранять активность магматическая система, помогает предсказать извержения современных вулканов, таких как Йеллоустоунская кальдера, где многочисленные грязевые котлы и гейзеры свидетельствуют о неспокойствии в Подземном мире.

Самый известный изотоп, используемый сегодня для датирования, — углерод-14 ( 14C). Этот изотоп необычен во многих отношениях и отличается от других материнских изотопов по ряду важных аспектов. Имея чрезвычайно короткий период полураспада — всего в 5730 лет, он непригоден для датирования чего-либо старше примерно 60 000 лет (поэтому его применение в геологии ограничено), и за 4,5 млрд лет на Земле не осталось первичного 14С. Этот изотоп имеет космогенное происхождение и постоянно образуется в верхних слоях атмосферы под воздействием космических лучей — потока высокоэнергетических заряженных частиц, прилетающих из далекого космоса. Считается, что основным источником космических лучей являются вспышки сверхновых — так астрономы называют грандиозные, феерические взрывы старых массивных звезд в конце эволюционного цикла (в процессе чего происходит выброс элементов и изотопов, впоследствии становящихся строительным материалом для новых планет). Именно для того, чтобы предотвратить негативное долгосрочное воздействие этой естественной космической радиации, для пилотов и стюардесс вводятся ограничения на годовое количество дальнемагистральных рейсов на большой высоте.

Углерод-14 образуется в результате столкновения атомов азота-14 ( 14N) в верхних слоях атмосферы с прилетающими из космоса высокоэнергетическими частицами, которые выбивают из ядра азота протон. Часть образовавшегося в результате изотопа 14C опускается на поверхность Земли и в процессе фотосинтеза поглощается растениями и водорослями, откуда, в свою очередь, в виде органических соединений попадает в питающиеся ими организмы, такие как грибы, все виды животных и люди в том числе. Пока растение или животное живет, дышит, фотосинтезирует или ест, относительное содержание находящихся внутри него изотопов углерода (стабильных 12C и 13C и радиоактивного 14C) соответствует их содержанию в окружающей среде. Но, когда организм умирает, углеродный обмен с внешней средой прекращается, и с этого момента количество стабильных изотопов углерода остается неизменным, тогда как радиоактивный 14C постепенно распадается, и его содержание в останках уменьшается. В отличие от других методов изотопного датирования, в которых для определения возраста образца используется соотношение дочерних и материнских изотопов, радиоуглеродный возраст рассчитывается на основе активности присутствующего радиоуглерода — она определяется как число распадов в единицу времени на грамм углерода. Это объясняется просто: изотоп 14C распадается с образованием азота 14N — газа, который быстро улетучивается из образца.

Радиоуглеродный анализ является важнейшим инструментом в археологических и исторических исследованиях и может быть использован для датирования широкого спектра образцов, содержащих биогенный углерод, включая дерево, кости, слоновую кость, семена, раковины, лен, хлопок, бумагу, торф и многое другое. Можно датировать даже океанскую воду благодаря содержанию в ней небольшого количества растворенного углекислого газа. Так, радиоуглеродный анализ показал, что возраст воды в глубинных слоях в северной части Тихого океана составляет около 1500 лет [19] Gebbie, G., and Huybers, P., 2012. The mean age of ocean waters inferred fromradiocarbon observations: Sensitivity to surface sources and accounting for mixing histories. Journal of Physical Oceanography , 42, 291–305. doi:10.1175/JPO-D-11–043.1 — это означает, что эти воды не взаимодействовали с атмосферой со времен рождения пророка Мухаммеда.

Однако, по сравнению с методами определения геологического возраста, радиоуглеродному методу присуща относительно большая неопределенность, связанная с варьированием скорости образования 14C в верхних слоях атмосферы с течением времени, что зависит от ряда факторов, в том числе от флуктуаций геомагнитного поля, которое частично защищает нашу планету от бомбардировки космическими лучами. Чтобы откалибровать радиоуглеродные датировки с учетом этого варьирования, ученые обращаются к незатейливому, но весьма надежному хронометру — годовым кольцам на деревьях: благодаря тому, что в каждом году только внешняя часть дерева активно обменивается углеродом с окружающей средой, каждое кольцо имеет свой радиоуглеродный возраст. Соотнося данные по самым старым кольцам в живых деревьях с данными по самым молодым кольцам в древних деревьях, сохранившихся в болотах, а также найденных в местах археологических раскопок, ученые сумели продлить эту дендрохронологическую летопись на 10 000 лет в прошлое и теперь используют ее для уточнения радиоуглеродного анализа. Кольца роста в кораллах (состоящих из кальцита, CaCO 3) дают менее точные исторические данные по 14C, чем кольца деревьев, но позволяют откалибровать радиоуглеродные датировки еще дальше в прошлое. Тем не менее неопределенность для датировок на основе 14C остается довольно высокой — порядка сотен и даже тысяч лет (от 5 до 10 % фактического возраста).