Методы датировки: развитие и совершенствование

На протяжении XIX века у ученых не было надежных методов абсолютной геологической датировки. Революционным шагом стало открытие в начале XX века радиометрических «часов». Оно подтвердило то, что геологи пытались доказать уже несколько десятилетий, — возраст Земли исчисляется сотнями миллионов лет. Тем не менее современные точные методы датирования поставили перед учеными множество неожиданных проблем: необходимо было найти соответствие между датами, полученными с помощью новых средств, и твердо устоявшимися, общепринятыми подразделениями геологических эпох, разработанными в XIX веке.

Ирландский физик лорд Кельвин (1824—1907) применил физико-химические принципы для вычисления возраста Земли.

ХРОНОЛОГИЯ ОКАМЕНЕЛОСТЕЙ

С тех пор как в начале XIX века была установлена зависимость между последовательностью слоев и сменой характера ископаемых находок, ученые обнаружили, что и в пределах одного пласта состав окаменелостей может очень сильно меняться. Каждая из крупных геологических эр — палеозойская, мезозойская и кайнозойская — характеризуются собственными характерными группами окаменелостей. Распределение некоторых ископаемых во времени так жестко ограничено, что их можно использовать для более тонкого разделения геологических эр на мелкие единицы — периоды.

РУКОВОДЯЩИЕ ИСКОПАЕМЫЕ ЗОН

В середине XIX столетия Альберт Оппель показал, что мелкие последовательные изменения в аммонитах могут использоваться для различения отдельных структур (биозон) в пластах юрского периода во всей Европе. Метод Оппеля был с энтузиазмом подхвачен другими палеонтологами. Чарльз Лэпворт показал, что таким же образом граптолиты могут быть использованы для подразделения морских осадочных пластов раннего палеозоя. Некоторые хорошо различимые биозоны аммонитов и граптолитов имеют продолжительность всего один-два миллиона лет — очень краткие периоды в масштабе невообразимо долгого геологического времени.

Физик Эрнест Резерфорд (1871—1937) открыл атомное ядро и использовал радиоактивный распад для определения возраста горных пород.

СОВРЕМЕННОЕ БИОЗОНИРОВАНИЕ

Биозональный метод до сих пор используется очень широко. Например, с его помощью классифицировались современные морские осадочные породы и наземные осадки недавнего прошлого. Так, одними из самых полезных ископаемых для сравнения океанических осадков являются фораминиферовые водоросли, добываемые в глубинных отложениях морского дна. На суше для датирования осадков последнего ледникового периода используются пыльца и остатки насекомых, например, жесткие надкрылья жуков.

ТЕОРИЯ КЕЛЬВИНА

В 1897 году великий ирландский физик лорд Кельвин первым применил физико-химические принципы для определения возраста Земли. По его расчетам наша планета образовалась от 20 до 40 млн. лет назад. Он исходил из допущения, что Земля остывала из первоначального расплавленного состояния. Его оценка оказалась гораздо ниже, чем предполагали геологи, но престиж Кельвина в научном мире был очень высок, и поэтому на его результат ссылались многие другие ученые. Однако в своих расчетах он не принял во внимание конвекцию в мантии Земли и радиоактивность — явления, неизвестные в его время.

РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД

В начале XX века английские ученые Эрнест Резерфорд и Артур Холмс и американский физик Бертрам Болтвуд пришли к выводу, что радиоактивный распад может применяться для датирования минералов и горных пород. В 1905 году Резерфорд на основании распада урана вычислил возраст одного из минералов — 500 млн. лет. Этот метод датировки основан на том, что скорость радиоактивного распада постоянна и не зависит от физических и химических процессов на поверхности Земли, таких, как колебания температуры и давления.

РАДИОМЕТРИЧЕСКОЕ ДАТИРОВАНИЕ

Метод радиометрического датирования основан на том, что радиоактивный распад веществ происходит со строго определенной скоростью. Атомы, имеющие одни и те же химические свойства, но различный атомный вес, называются изотопами. Почти все химические элементы представляют собой смесь изотопов. При радиометрическом датировании измеряют содержание различных химических изотопов в минерале. Если скорость распада каждого радиоактивного изотопа известна, можно вычислить время образования данной породы. Радиометрическое датирование позволяет более или менее точно найти место каждой породы в истории Земли.

РАДИОМЕТРИЧЕСКОЕ ДАТИРОВАНИЕ И СТРАТИГРАФИЯ

Первоначально радиометрическое датирование могло применяться только к вулканическим горным породам, то есть таким, которые образовались путем кристаллизации минерала из расплавленного состояния (магма) при остывании. До недавних пор этот метод не был пригоден для датирования осадочных пород, потому что вычисленный этим способом возраст каждого отдельного зерна таких пород, например, песчинок, фактически соответствовал времени, когда эта песчинка кристаллизовалась из расплавленной магмы в составе вулканической породы, а не периоду, когда она осела на новом месте и вошла в состав осадочной породы. Главная трудность заключалась в том, чтобы соотнести радиометрические данные о вулканических породах со стратиграфическими пластами, состоящими из осадочных пород.

ПРОБЛЕМЫ РАДИОМЕТРИЧЕСКОГО ДАТИРОВАНИЯ

Проблемы радиометрического датирования хорошо видны на примере циркона. Циркон — очень твердый минерал, его песчинки могут выдержать несколько циклов эрозии и существовать сами по себе много миллионов лет, прежде чем войдут в состав осадочной породы. Однако современный радиометрический метод позволяет определить возраст крошечных кристаллов, которые нарастают на поверхности зерна циркона после того, как оно попадет в слой осадков. Это дает возможность определить возраст осадочных пород, даже если они не содержат ископаемых, например, докембрийских песчаников.

ТОЧНОСТЬ РАДИОМЕТРИЧЕСКОГО ДАТИРОВАНИЯ

Одна из самых полезных пород для радиометрического датирования — изверженная вулканическая лава. Она нередко изливается поверх осадочных слоев. Возраст лавы обычно весьма близок к периоду, когда образовались слои осадков, лежащие выше и ниже нее. Это позволяет с высокой точностью соотнести результаты радиометрического датирования и стратиграфические данные.

САМЫЙ ДРЕВНИЙ МИНЕРАЛ

Самым древним минералом на Земле является циркон, найденный в архейских гранитах на северо-западных территориях Канады. Его возраст, определенный методом радиометрического датирования, составляет около 4 млрд. лет.

РАДИОУГЛЕРОДНОЕ ДАТИРОВАНИЕ

Для датирования органических веществ, таких, как каменный уголь, остатки раковин и костей, может применяться разложение изотопов углерода в живых организмах. К несчастью, радиоактивный изотоп углерод-14 распадается сравнительно быстро (период полураспада всего 5730 лет), поэтому радиоуглеродный метод может применяться только для археологических находок.

МАГНИТОСТРАТИГРАФИЯ

Многие горные породы, в основном вулканические и некоторые богатые железом осадочные, содержат магнитные минералы. Частицы этих минералов располагаются в соответствии с магнитным полем Земли и при образовании горной породы фиксируются именно в такой магнитной ориентации. В вулканических породах магнитные минералы сохраняют такую магнитную ориентацию, какая была у них в момент остывания породы до температуры ниже 6000 °С.

МАГНИТНАЯ ШКАЛА ВРЕМЕНИ

Магнитное поле Земли время от времени меняет свое направление. В результате этого в осадочных горных породах чередуются слои с «нормальной» полярностью (их магнитный север находится в той же стороне, что и современный Северный магнитный полюс) и слои с «обратной» полярностью. Изменения магнитного поля Земли происходят примерно один раз в полмиллиона лет. На основе этого можно создать магнитную шкалу времени. Характер магнитных слоев в той или иной породе можно сопоставить, как штриховой код, с этапами чередования магнитных полюсов Земли и таким путем определить относительный возраст породы. Даты на магнитную шкалу времени наносятся методом радиометрического датирования.

МАГНИТНАЯ ПОЛЯРНОСТЬ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД

При образовании осадочной породы крохотные частицы магнитного железа, находящиеся в каждой песчинке, выстраиваются в соответствии с направлением магнитного поля Земли. Когда слои осадков цементируются в твердую породу, такое расположение сохраняется навсегда. Определение магнитной полярности осадочных пород особенно полезно при датировании некоторых природных сред. Например, оно позволило оценить возраст важных наземных отложений миоценовой эпохи в районе Сивалик на севере Пакистана. Там было найдено большое количество окаменелых остатков млекопитающих, в том числе гоминоидов, однако точный возраст осадочных пород был неизвестен. Ученые установили, что с момента образования осадков магнитное поле меняло свое направление тринадцать раз; значит, эти породы образовались между 6,5 и 8,6 млн. лет назад.

ДАТИРОВАНИЕ МЕТОДОМ СЛЕДОВ ОСКОЛКОВ РАСПАДА

В наши дни разработано много новых методов датирования, которые могут применяться в весьма сложных случаях. Например, метод датирования по следам осколков распада основан на самопроизвольном распаде радиоактивного изотопа уран-238. При этом внутри твердых минералов, таких, как циркон, вокруг каждого распавшегося атома урана образуются следы повреждения длиной до нескольких микрон, сделанные осколками ядра. Число таких следов (треков) со временем увеличивается, а скорость этого процесса пропорциональна количеству урана в минерале. Измеряя плотность треков и сопоставляя ее с содержанием урана в стандартном образце, можно вычислить возраст горной породы. Метод следов осколков распада применяется для уточнения данных, полученных радиометрическим методом. Он особенно полезен для датирования вулканического пепла в Восточной Африке, слои которого чередуются с осадочными слоями, содержащими остатки древних гоминидов.

АТОМНЫЕ ЧАСЫ

Два других современных метода датирования — метод электронно-спинового резонанса и термолюминесцентный метод — основаны на измерении числа электронов, содержащихся в дефектах атомной структуры минерала. Эти методы особенно полезны при датировании различных неорганических материалов, найденных на стоянках доисторических предков человека, например, обгорелых кремней, извлеченных из древних очагов.

РАЦЕМИЗАЦИЯ АМИНОКИСЛОТ

Молекулы многих органических (основанных на углероде) химических веществ существуют в правой и левой формах, представляющих собой зеркальные отражения друг друга. Новый и очень сложный метод — рацемизация аминокислот — основан на том, что левосторонние аминокислоты, естественно содержащиеся во всех живых организмах, медленно превращаются в свои правосторонние антиподы. Скорость этого процесса зависит от условий окружающей среды, в особенности от температуры. Этот метод оказался полезен для датирования некоторых археологических находок, например, раковин и костей, которые непригодны для датирования обычным радиоуглеродным методом. Однако такой способ применим только к веществам, чей возраст не превышает нескольких сотен тысяч лет.

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ МЕТОДЫ ДАТИРОВАНИЯ

Один из полезных, но редко доступных методов датирования основан на обнаружении вулканического пепла. Этот пепел практически мгновенно рассеивается на огромной территории. При падении астероидов и метеоритов образуются тектиты — стекловидные частички, образовавшиеся в момент удара из расплавленных горных пород. Они также мгновенно по геологическим меркам разлетаются на огромные расстояния.

Лава, излившаяся при вулканических извержениях, помогает геологам установить возраст горных пород. Время ее образования можно определить радиометрическим методом, и этот результат представляет собой опорную точку для датирования окружающих ее горных пород.