ИЗОТОПНЫЕ ГЕОХРОНОМЕТРЫ

ХРОНОМЕТР НА МИЛЛИАРДЫ ЛЕТ

    Принципиальная схема радиоактивного распада очень проста - радиоактивный (материнский) изотоп M превращается в радиогенный (дочерний) стабильный (иногда радиоактивный) изотоп D :

При радиоактивных превращениях природных изотопов испускаются ядерные частицы x: либо a-частицы (атомные ядра гелия), либо b-частицы(электроны), либо g-кванты (гамма-кванты), или же атомное ядро самопроизвольно делится на два осколка с соотношением масс приблизительно 2 : 3. В единицу времени распадается, убывает количество атомов радиоактивного изотопа, пропорциональное наличному их числу в каждый момент времени t :

Коэффициент l - константа скорости распада радиоактивного изотопа. Это доля распадающихся в единицу времени атомов от общего их числа, имеющегося в любой момент времени t. Зная начальное число атомов M0 , можно рассчитать, сколько останется радиоактивного изотопа Mt спустя время t ; для этого нужно проинтегрировать выражение (2):

Mария Склодовская-Кюри, Пьер Кюри и Эрнест Резерфорд были, наверное, первыми, кому пришло в голову: ведь радиоактивность позволяет создать невиданный ранее хронометр для измерения геологического времени. Действительно, из формулы (3) нетрудно получить математическое выражение, в котором "замаскированы" стрелки геологического хронометра. Этими "стрелками" оказывается соотношение концентраций дочернего (радиогенного) и материнского (радиоактивного) изотопов D / M :

Таким образом, определение времени по геологическому хронометру - геохронометру - сводится к нахождению концентраций двух изотопов в том минерале, возраст которого нужно найти.

КАКИЕ СУЩЕСТВУЮТ ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ХРОНОМЕТРЫ?

    Природа предоставила людям множество изотопных геохронометров для отсчета миллионов и миллиардов лет [1, 2]. Они отличаются устройством и скоростью действия механизма. Одни основаны на механизме a-распада (альфа-распада); например, изотопы урана ²³⁸U, ²³⁵U и тория ²³²Th превращаются в изотопы свинца, соответственно в ²⁰⁶Pb, ²⁰⁷Pb и ²⁰⁸Pb. Мера возраста - соотношение концентраций материнских и дочерних изотопов ²⁰⁶Pb / ²³⁸U, ²⁰⁷Pb / ²³⁵U, ²⁰⁸Pb / ²³²Th в минерале. Такой же вид радиоактивного распада лежит в основе самарий-неодимового геохронометра: изотоп самария ¹⁴⁷Sm превращается в ¹⁴³Nd, и стрелками хронометра в этом случае служит изотопное соотношение ¹⁴³Nd / ¹⁴⁷Sm.
    Во многих горных породах присутствует радиоактивный изотоп рубидия ⁸⁷Rb. Он превращается в результате b-распада (бетта-распада)  в дочерний изотоп стронция ⁸⁷Sr. В рубидий-стронциевом геохронометре стрелки - соотношение концентраций в породе изотопов ⁸⁷Sr / ⁸⁷Rb. На таком же виде радиоактивного распада основаны рений-осмиевый, лютеций-гафниевый, калий-кальциевый изотопные геохронометры.
    Почти во всех породах и минералах есть калий. Его радиоактивный изотоп ⁴⁰К превращается в дочерний изотоп ⁴⁰Ar. Это происходит при захвате электронов с орбитали, ближайшей к ядру атома ⁴⁰К (такой вид радиоактивного распада называют К-захватом). Стрелки калий-аргонового геохронометра - соотношение концентраций ⁴⁰Ar / ⁴⁰K в минерале.
    В породах любого состава можно найти подходящий изотопный геохронометр. Самое замечательное свойство изотопных геохронометров состоит в том, что любому из них присуще необыкновенное постоянство хода. Это уникальная особенность радиоактивности - констант скорости распада. Константа скорости радиоактивного распада не зависит от внешних условий. Каким только испытаниям не подвергали радиоактивные изотопы: нагревали до тысяч градусов и охлаждали почти до абсолютного нуля, давили на них миллионами атмосфер, помещали в центрифуги с гигантскими ускорениями - скорость радиоактивного распада оставалась неизменной. В конце концов пришли к выводу: любые физические и химические условия, мыслимые на Земле, если и изменяют константы скорости радиоактивного распада, то не более чем на 1/1 000 000 их величины.
    Но, казалось бы, нельзя исключить, что миллиарды лет назад константы скорости распада могли быть совсем иными. Однако физики и астрономы доказали, что мировые константы (скорость света, гравитационная постоянная, заряд электрона и другие) на протяжении последних 6 - 10 млрд. лет не менялись. Следовательно, не менялись и константы скорости радиоактивного распада.
    Выходит, изотопные геохронометры - идеальные устройства, созданные самой природой для измерения возраста минералов и пород? Но все оказалось сложнее.

ИЗОТОПНЫЕ ГЕОХРОНОМЕТРЫ МОГУТ СПЕШИТЬ И ОТСТАВАТЬ

    Те, кто занимались измерением геологического времени с помощью изотопных геохронометров, наверняка сталкивались с ситуацией, подобной возникшей в одной из американских лабораторий. Нужно было определить, когда образовались породы (гнейсы) в штате Миннесота. Гнейсы - древние горные породы, состоящие из кварца, полевых шпатов, слюды и некоторых редких минералов, в том числе циркона (ZrSiO₄), содержащего примесь урана.

Таблица 1. Несогласующиеся показания изотопных уран-свинцовых геохронометров [1].

С помощью уран-свинцового изотопного геохронометра определили возраст трех проб циркона, выделенных из этих пород. В показаниях различных изотопных геохронометров был полный разнобой (табл. 1). Возраст образцов, образовавшихся в действительности одновременно, различался почти на полмиллиарда лет! Для проверки уран-свинцовых геохронометров применили рубидий-стронциевый хронометр - получилось еще одно значение возраста: 2,5 млрд. лет. А калий-аргоновый геохронометр дал вовсе странное время - 1,8 млрд. лет, сильно отличающееся от показаний других изотопных геохронометров. Подобные расхождения наблюдали и во многих других лабораториях мира при изучении различных горных пород. Пришлось признать: в природе существуют какие-то процессы, переставляющие стрелки изотопных геохронометров, несмотря на то, что их ядерный механизм действует безупречно. Это процессы естественной миграции химических элементов. Дело в том, что любой минерал, когда-то образовавшись в недрах Земли, затем подвергается (иногда неоднократно) воздействиям окружающей среды. Это может быть повышение температуры в течение миллионов лет, вызванное внедрением в горные породы крупных тел раскаленной магмы или проникновением огромных объемов нагретой воды с растворенными солями. Нередко горные породы погружаются на глубины, где температура значительно повышена. При таких событиях в минералах происходит перемещение атомов химических элементов, особенно при воздействии на них горячих подземных растворов. Минералы меняют кристаллохимические свойства, их химический состав изменяется, и вследствие этого переставляются "стрелки" изотопных геохронометров: из минерала мигрируют как дочерние (радиогенные), так и материнские (радиоактивные) изотопы. В минералы могут поступать извне новые порции радиоактивных изотопов или таких же, что и дочерние, но совершенно посторонних радиогенных изотопов,образованных где-то вне минерала. В зависимости от того, какой процесс преобладает, изотопный геохронометр может то отставать, то убегать вперед, как неисправные часы.
    Если посмотреть на формулу (4), описывающую ход любого из геохронометров, становится понятным,что при миграции из минерала некоторой доли дочернего изотопа (D ) геохронометр отстает, числитель дроби уменьшается. Если минерал покидает радиоактивный материнский изотоп (M ), геохронометр показывает большее время, чем на самом деле прошло с момента образования минерала, знаменатель дроби уменьшается, а сама она увеличивается, следовательно, и рассчитанная величина t тоже. Напротив, привнос некоторого количества радиоактивного изотопа в минерал переводит стрелки назад, получается возраст меньше истинного.
    Но не только метаморфизм может быть виновником сбоев изотопных геохронометров. Ведь и при образовании минералов они изначально могут захватить из окружающей среды некоторое количество того же изотопа, что образуется впоследствии при радиоактивном распаде в них. Например, кристаллизуется минерал из расплавленного вещества древнего гранита, в котором прежде накопилось много радиогенного стронция ⁸⁷Sr. Этот стронций входит в кристаллическую структуру минерала. В последующем новообразованный радиогенный стронций ⁸⁷Sr добавляется к захваченному стронцию. Но исследователь, думая, что весь изотоп ⁸⁷Sr генерирован в минерале, может принять на веру показания изотопного геохронометра и получить гораздо большее время, чем прошло с момента образования минерала.
Что же, изотопные геохронометры не годятся для измерения геологического времени? Такой пессимистический вывод был бы неправильным. Потому что в отличие от обыденной ситуации, когда взамен неисправных часов нужно обзаводиться новыми, испорченные изотопные геохронометры обладают удивительным свойством - ими все равно можно пользоваться.

Следующая страница