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

Люди также сыграли свою роль, добавив сложности радиоуглеродному датированию. Во-первых, надземные ядерные испытания в начале холодной войны привели к интенсивному образованию в атмосфере углерода-14 — пик, который нужно обязательно учитывать при датировании современных образцов. Вот почему радиоуглеродный возраст обычно измеряется в «годах до 1950 г.». Во-вторых, за столетие интенсивного сжигания ископаемого топлива в атмосферу было выброшено огромное количество «мертвого» углерода, что отразилось на изотопном составе атмосферного углерода. Это явление получило название эффекта Зюсса по имени австрийского физика Ганса Зюсса, который впервые описал его в 1955 г. [20] Suess, H., 1955. Radiocarbon concentration in modern wood. Science , 122, 414–417. (и который во время Второй мировой войны принимал участие в германской ядерной программе, гитлеровском аналоге Манхэттенского проекта в США). В то время как углерод 14C, образовавшийся в результате ядерных испытаний, постепенно рассеивается, эффект Зюсса только продолжает нарастать.

С конца 1950-х гг., когда масс-спектрометры стали доступны широким академическим кругам, геохронология выделилась в новый самостоятельный раздел геологии со своими учебными и исследовательскими программами. Примерно в это же время начал набирать популярность метод датирования на основе еще одной изотопной пары — калия-40 и аргона-40 ( 40K — 40Ar). Калий в изобилии присутствует во многих магматических и метаморфических породах, благодаря чему материнские ( 40K) и его производные дочерние ( 40Ar) изотопы могут быть обнаружены даже приборами с более низкой измерительной точностью. Оригинальный калий-аргоновый метод отлично подходит для датирования молодых пород с простой термической историей и по сей день остается важным инструментом, например, для определения возраста осадочных отложений, содержащих ископаемые остатки человеческих предков, таких как «Люси», которые, к удобству ученых, перемежаются со слоями вулканического пепла в магматически активной Восточно-Африканской рифтовой долине.

Проблема с парой K — Ar состоит в том, что дочерний изотоп разительно отличается от материнского. Калий — это крупный, общительный ион, охотно отдающий свой электрон другим элементам; аргон — компактный, самодостаточный атом благородного газа с полностью заполненными электронными оболочками, не желающий вступать в какие-либо отношения с другими элементами. Поэтому при малейшей возможности, будь то положение на краю кристалла, появление трещины или нагревание в ходе метаморфического события, открывающее кристаллические двери минерала для диффузии, дочерние изотопы аргона сбегают из родительского дома. В результате родительский кристалл кажется намного моложе своего истинного геологического возраста, причем невозможно узнать, на сколько именно. Полученные значения (со знаком плюс-минус) отражают лишь погрешность измерения, вызванную ограниченной точностью лабораторных инструментов, а не возможное отклонение от фактической даты.

Проблема калий-аргонового датирования стала особенно очевидной в 1960-е гг., когда этот метод был применен к древним породам плато Канадский щит, имеющим долгую многоэтапную историю деформаций и метаморфизма. Полученные датировки иногда расходились с данными полевых наблюдений об относительном возрасте этих пород. В некоторых случаях большое количество аргона, истекавшего из минералов на большой глубине, задерживалось в соседних породах, из-за чего их калий-аргоновый анализ, наоборот, давал слишком старые датировки. Младоземельные креационисты по сей день ссылаются на эти противоречия как на доказательство фундаментальной ошибочности всей геохронологии. Но к 1970-м гг. геохронологи разработали более продвинутый вариант калий-аргонового метода, который позволяет определить, имела ли место потеря аргона (или его приобретение), и получить более точные датировки.

По новой методике калийсодержащий образец подвергается бомбардировке нейтронами, в результате чего изотопы 40K в образце преобразуются в недолговечный изотоп аргона 39Ar, который далее выступает как эквивалент материнского изотопа. Затем в ходе лабораторной имитации метаморфического события образец медленно нагревается, чтобы запустить процесс выделения аргона. По мере повышения температуры кристаллы отдают все больше изотопов аргона обоих типов: 39Ar, представляющего материнский изотоп, и 40Ar — дочерний радиогенный изотоп. Анализ происходит поступенно: на каждой ступени нагревания выделяемый аргон собирают, измеряют его изотопный состав и на основе соотношения 40Ar/ 39Ar (которое фактически является соотношением дочернего/материнского изотопов) рассчитывают кажущийся возраст образца. Как правило, возраст, рассчитанный для первых нескольких ступеней, т. е. для периферии кристалла, откуда утечка геологического аргона происходила легче всего, оказывается моложе, чем возраст, полученный для внутренней части кристалла. Если при дальнейшем нагревании расчетный возраст стабилизируется вокруг некоего устойчивого значения — геохронологи называют его «плато аргон-аргонового возраста», — есть все основания полагать, что внутренняя часть кристалла не испытывала значительных потерь аргона и что полученный возраст является значимым в геологическом отношении.

Пожалуй, самым знаменитым достижением аргон-аргонового метода датирования стала окончательная идентификация кратера гигантского метеорита, столкновение с которым привело к гибели динозавров в конце мелового периода. Гипотеза о том, что причиной вымирания динозавров могло быть массивное астероидное воздействие на планету, была впервые выдвинута в 1980 г. отцом и сыном Альваресами — Луисом Альваресом, лауреатом Нобелевской премии по физике, и его сыном Уолтером, геологом из Беркли. Уолтер проводил исследования в итальянских Центральных Апеннинах — молодых горах, при образовании которых в результате сжатия земной коры толщи морских известняков позднего мезозоя и раннего кайнозоя были подняты выше уровня моря [21] Лирический рассказ о геологии Апеннин вы найдете в книге: Walter Alvarez, 2008. In the Mountains of St Francis . New York: WW Norton. . Одна из этих осадочных толщ, так называемая Скалья-Росса ( scaglia rossa , буквально «красный камень») — красивый известняк розового оттенка, которым итальянцы любят облицовывать дома, замки и соборы, содержит непрерывную летопись морской среды до, во время и после мел-палеогенового вымирания динозавров. Хотя в Скалья-Росса нет костей динозавров, поскольку эти отложения аккумулировались на дне континентального шельфа Африки, само событие массового вымирания четко отмечено в этой толще резким изменением характера и количества микроскопических окаменелостей, а также характерным прослоем темно-красной глины толщиной чуть больше сантиметра.