ГЕЛИЕВЫЕ ЧАСЫ ВОЗРАСТ ЗЕМЛИ
Первые научные попытки оценить возраст Земли относятся к XVIII веку. Если предположить, как это сделал французский естествоиспытатель Жорж Бюффон, что первоначально Земля была огненно-жидким шаром, то сколько же времени понадобилось ей для остывания? Иными словами, сколько Должно было пройти времени, прежде чем огненный Шар превратился в современную Землю? Моделью Земли в опытах Ж. Бюффона служили нагретые металлические шары. Экспериментально изучив скорость их остывания, он перенес полученные данные на земной шар и получил цифру 75—82 тыс. лет. Выводы ученого настолько противоречили религиозным представлениям, что под давлением реакционно настроенных кругов он вынужден был отречься от своей теории. Впоследствии результаты, полученные Ж. Бюффоном, проверялись и уточнялись. Более детальное изучение процесса остывания Земли позволило английскому физику лорду Кельвину оценить ее возраст в 40 млн. лет.
Ученые понимали, что для определения возраста планеты необходимо найти такие процессы, которые протекали бы достаточно равномерно с момента возникновения Земли и по сей день. Современник И, Ньютона английский геофизик Эдмунд Галлей попытался оценить возраст Земли по содержанию солей в океане. Как известно, подземные и поверхности воды частично растворяют почвы и вымывают горные породы. Попадая в реки, эти осадки вместе с водами рек поступают в океан. Значит, содержание солей в океане должно со временем увеличиваться. Однако этот процесс не может быть положен в основу определения возраста планеты. Во-первых, равномерность его во времени находилась под большим сомнением (ибо на протяжении всей истории Земли менялся климат, колебалась температура, а значит скорость растворения солей в воде не могла быть постоянной). Во-вторых, сами океаны могли образоваться только после того, как Земля сформировалась.
Более постоянной казалась скорость образования осадочных пород. Если определить годовой прирост осадочных пород и допустить, что этот процесс является более или менее постоянным, то окажется, что возраст Земли лежит в пределах от 100 тыс. до1 млн, лет.
Открытие радиоактивности дало в руки исследователей безукоризненно идущие геологические часы. Дело в том, что скорость радиоактивного распада всегда постоянна и не зависит от внешних условий. Естественно, что каждое радиоактивное вещество характеризуется только ему присущей скоростью pacпадa. Более того, физикам неизвестны никакие способы воздействий на скорость радиоактивного распада. В земных условиях его нельзя замедлить и невозможно ускорить .
Однако использование радиоактивных превращений для определения длительных интервалов времени встречает определенные трудности. Как установить начальное количество вещества, испытавшего радиоактивный распад? Иными словами, какой момент истории Земли следует принять за начальный? Как отделить радиогенные изотопы, количество которых должно расти во времени пропорционально возрасту объекта, от изотопов, находившихся в первичном веществе Земли?
Радиоактивные часы
«Когда было выяснено, что конечным результатом радиоактивной цепочки является свинец, стало понятным, что отношение урана или тория к свинцу или гелию, содержащимся в этих минералах, является своеобразными геологическими часами, позволяющими определить возраст этих минералов… Конечно, мы исходили из предположения, что на протяжении всего периода «часы» показывали время равномерно»,— вспоминал Ф. Содди — один из первых исследователей радиоактивности.
Первая попытка определить абсолютный возраст минералов принадлежит Э. Резерфорду, который оценил отношение родительского урана к дочернему гелию. Возраст исследованных им горных пород по сравнению с данными других методов составил огромную цифру: 3 млрд. 40 млн. лет. И это близко к современным оценкам. Как писал американский физик П. Дэмон, «…минерал или порода, содержащие радиоактивный изотоп, становятся в полном смысле слова радиоактивными часами или геохронометром».
Остановимся несколько подробнее на «механизме» работы радиоактивных часов. Все радиоактивные вещества распадаются по одному закону: количество исходного вещества, исходного изотопа, уменьшается экспоненциально во времени:
N = N0e⁻λt
где N0 — число атомов радиоактивного изотопа в начальный момент времени; N— число атомов того же
изотопа, оставшееся по прошествии отрезка времени t; λ — константа распада (она строго индивидуальна для каждого изотопа). Периодом полураспада называется время, в течение которого количество радиоактивного изотопа уменьшается в среднем вдвое.
Таким образом, если известны константа радиоактивного распада изотопа и характер последующих радиоактивных превращений дочерних изотопов, можно рассчитать содержание и начальных, и дочерних продуктов практически для любого момента времени. Однако если мы хотим использовать радиоактивный распад для определения больших промежутков времени, например возраста Земли, метеоритов, горных пород, нужно, чтобы период полураспада радиоактивных изотопов был достаточно велик. Этому требованию удовлетворяют некоторые тяжелые природные радиоактивные изотопы, входящие в так называемые радиоактивные цепочки.
Существуют три генетические цепочки или три радиоактивных ряда, родоначальниками которых являются уран-238, уран-235 и торий-232, периоды полураспада которых по отношению к альфа-распаду, составляют 4,5·10⁹; 1,39·10¹⁰ и 7,13·10⁸ лет соответственно, а конечным результатом распада являются стабильные изотопы свинца. Со временем количество материнского изотопа уменьшается, но идет накопление свинца. Если знать, сколько свинца образует, например, 1 г урана в год (и предположить, что уран находился в минерале «с самого начала»), можно определить время, в течение которого произошло накопление всего находящегося в минерале свинца, и, следовательно, возраст минерала. Это так называемый свинцовый метод определения абсолютного возраста.
Все процессы распада сопровождаются также и образованием гелия. Накопление его тоже происходит с постоянной скоростью. И его количество, если, конечно, весь радиогенный гелий сохраняется в минерале, находится в прямой связи с исходным материнским изотопом. Тогда по гелию, извлеченному из минерала, можно восстановить исходное количество материнского вещества и таким образом оценить возраст минерала. Таков гелиевый метод в теории.
Неисправность гелиевых часов
А на практике оказалось, что определить возраст пород по гелию очень затруднительно, прежде всего потому, что минералы постоянно теряют радиогенный гелий. Однако заставить их расстаться с гелием не так-то просто. В лабораторных условиях, чтобы выделить гелий, приходится нагревать минералы до температур, близких к 1000 °С, предварительно раздробив образцы. Когда клевеит превратили в порошок, размеры песчинок которого составляли 1—2 мкм, извлечь удалось только 1/3 накопленного в минерале радиогенного гелия.
Аналогичное действие на минерал оказывает и вакуум. Из минералов, подвергшихся действию высокого вакуума, удавалось извлечь значительную часть гелия. Однако выделить его почти полностью (поскольку некоторая доля гелия переходит в расплав) оказалось возможным лишь после расплавления клевеита.
Таким образом, если на протяжении геологической истории внезапно возникали подобные физические воздействия (тепло, вакуум, механические перегрузки), способствующие появлению трещин в минералах, то сохранность гелия уменьшалась.
Как отмечал известный советский радиохимик И. Е. Старик, накопление гелия в минералах служит определенным свидетельством их возраста, но для этого надо быть уверенным, что в течение всей геологической истории гелий не улетучивался из этих минералов и что за время их существования радиоактивное равновесие не нарушалось.
При определении геологического возраста по гелию чаще всего возможны два случая: гелиевые часы начинают либо спешить, либо отставать. Когда для ряда минералов определили возраст двумя методами одновременно: гелиевым и свинцовым, то гелиевый показал возраст в десятки и даже сотни раз меньше, чем свинцовый. Это заставило ученых заинтересоваться проблемой сохранности гелия в различных минералах.
Работами советского ученого Э. К. Герлинга было показано, что основным механизмом потерь гелия минералами является диффузия его в межкристаллическое пространство. Очень важным условием сохранности гелия служит плотность упаковки кристаллической решетки. Любая кристаллическая решетка представляет собой жесткий каркас периодически повторяющихся атомных группировок. Чем больше расстояние между атомами, находящимися в узлах кристаллической решетки, тем более вероятен процесс улетучивания гелия, поскольку размеры атома гелия невелики и сравнимы с межатомными расстояниями в кристаллах, К сожалению для исследователей, свойственная многим минералам относительно неплотная кристаллическая упаковка заставляет эти минералы, относительно легко расставаться с гелием.
Кроме того, и. сама кристаллическая решетка со временем разрушается. Наиболее активными «разрушителями» ее являются радиоактивные загрязнения; а также примеси и вкрапления инородных атомов. Пожалуй, главную роль здесь играют те радиоактивные изотопы, в процессе распада которых образуются гелий и другие дочерние атомы. Радиоактивное излучение, в том числе и сами ядра гелия, пока еще альфа-частицы, вызывает радиационное повреждение вещества. Атомы, находящиеся в узлах кристаллической решетки, как бы расшатываются, смещаются со своих равновесных позиций. Образующиеся при распадах новые атомы застревают в междуузлиях. Дефекты кристаллической решетки также облегчают диффузию гелия.
Эти капризы гелиевых часов приводили к тому, что ученые довольно часто пренебрегали ими. В 1936 году американский ученый Г. Юри предложил гелиевую шкалу определения абсолютного возраста, но вскоре выяснилось, что эта шкала неточна. Полученные с ее помощью значения возраста были завышены почти вдвое. Десятью годами ранее советский ученый В. Г. Хлопин определил возраст трех образцов уранита. Истинный возраст этих образцов, установленный по накоплению свинца, был равен 1600—1700 млн. лет, гелиевый же метод дал значения 6,1; 51,8 и 64,2 млн. лет.
Неблагоприятными для гелиевой хронологии являются также минералы с избыточным гелием: бериллиевые, борные, литиевые. Например, в магнетите гелия оказалось в 18 раз больше «нормы».
Как уже говорилось, «избыточный» гелий не является радиогенным (но крайней мере, для данного минерала). Он внедрился в кристаллическую решетку в те отдаленные времена, когда вещество земной коры находилось в иных физических условиях, чем в настоящее время, а в дальнейшем удерживался плотно упакованной решеткой. И только ограниченное количество минералов хорошо сохранило весь накопившийся в них радиогенный гелий.
Однако гелиевый метод имеет свои права на существование. По словам И. Е. Старика, «…результаты
; гелиевого метода часто могут явиться добавочным подтверждением результатов, полученных другими методами, и позволяют установить минимальное значение возраста».
Более точные ядерные часы
Постепенно выяснилось, что в природе имеются радиоактивные изотопы, распад которых мог бы пролить свет на возраст различных объектов земной коры.
Еще в начале XX века было обнаружено, что соли калия радиоактивны. Они испускают бета-лучи. Но только в 40-х годах схемы распада калия удалось расшифровать. Оказалось, что ответственным за бета-активность калиевых солей является изотоп калий-40.
Ряд зарубежных ученых, а также сотрудники Государственного радиевого института (ныне Радиевый институт им. В. Г. Хлопина) В. Г. Хлопин .и Э. К. Герлинг высказали предположение, что в древних калиевых минералах накапливается дочерний продукт распада калия-40 — аргон-40. Количество радиогенного аргона соответствует возрасту минералов. Но самым благоприятным для экспериментаторов обстоятельством оказалось то, что другие изотопы аргона в этих минералах практически не содержатся. Предположение ученых вскоре было подтверждено специальными экспериментами, поставленными на Соликамском калийном месторождении. Выяснилось, что с увеличением возраста калиевых минералов отношение ⁴⁰Аr/⁴⁰К возрастает. Это означало, что получен еще один метод определения геологического возраста.
И. Е. Старик так описывал эксперимент. «Для двух минералов (биотита и мусковита), взятых из одного района, был определен возраст по свинцовому методу. Он составил 1800—1900 млн. лет. Затем пробы этих минералов были переданы в пять различных лабораторий на предмет определения возраста по аргоновому методу. Полученные результаты (1840—1800 млн. лет) для биотит и (1795—1845 млн. лет) для мусковит свидетельствовали не только о применимости этих методов, но и о более высокой точности аргонового метода» [Старик И. Е. Ядерная геохронология, М., 1961].
Калий-аргоновый метод казался ученым весьма перспективным, К тому же он имел некоторые преимущества перед гелиевым и свинцовым методами. Аргон в отличие от гелия прочно удерживался и, следовательно, хорошо сохранялся в минералах. К тому же калиевые минералы на Земле более распространены, чем урановые и ториевые.
Однако и аргоновые часы иногда давали сбой. Например, когда в лаборатории Э. К. Герлинга (Институт геологии и геохронологии докембрия) исследовались образцы горных пород, найденные на Кольском полуострове, отношение калия и аргона в них оказалось аномально высоким. Оно соответствовало возрасту минералов не менее чем 11 млрд. лет. Могли ли горные породы быть в 2—3 раза старше Земли? Однако многочисленные проверки не обнаружили погрешностей в измерениях Э. К. Герлинга. Единственно возможным объяснением такого аномально большого возраста минералов было попадание в минералы аргона в процессах, отличных от распада калия-40., Одним из источников аргона-40 мог быть распад, а точнее, спонтанное деление давно вымерших сверх-тяжелых трансурановых элементов. А может быть, следует поставить под сомнение наши представления о возрасте и Земли, и Солнечной системы, и даже Вселенной в целом? Эти вопросы пока не решены.
Для определения геологического возраста перспективным оказался еще один радиогенный изотоп: стронций-87, возникающий при бета-распаде рубидия. Период полураспада рубидия-87, составляющий около 50 млрд. лет, позволил оценить возраст самых древних пород Земли. Стронциевый метод, как выяснилось, обладает рядом преимуществ и перед свинцовым, и перед аргоновым методами. Во-первых, схема распада рубидия-87 очень проста: ⁸⁷Rb → ⁸⁷Sr + β. Во-вторых, потери дочернего стронция вследствие его нелетучести малы. Трудность была в другом. Рубидий относится к числу элементов, рассеянных в земной коре. Собственных минералов у него нет. Обычно рубидий встречается в калиевых минералах. Тем не менее стронциевый метод весьма распространен в настоящее время и, как показало сравнение его по результатам с аргоновым методом, вполне надежен.
Среди других природных геохронометров следует отметить радиево-иониевый. При альфа-распаде ура-на-234 образуется изотоп — ионий — с периодом полу-распада около 8000 лет, превращающийся в радий. Как известно, уран можно найти в водах мирового океана, но ожидаемого, исходя из этой радиоактивной цепочки, количества радия в океанических водах нет. Иония, как выяснилось, тоже значительно меньше, чем требуется для радиоактивного равновесия с ураном.
Еще в конце 30-х годов было высказано предположение, что растворенный в океанических водах радий накапливается в морских отложениях. Точнее, в них попадают изотопы иония, являющиеся материнскими для радия. Так возник метод определения возраста донных морских отложений, позволяющий проникнуть на 50—400 тыс. лет назад.
Одним из самых интересных геохронологических методов является радиоуглеродный, основанный не на Измерении активности горных пород, а на использовании космогенного изотопа углерода-14. Под действием космической радиации в верхних слоях атмосферы возникает изотоп углерод-14 с периодом полураспада около 5,5 тыс. лет. Через несколько часов после своего возникновения в атмосфере этот изотоп, как и обычный стабильный углерод, окисляется и превращается в радиоактивную двуокись углерода. В процессе фотосинтеза двуокись углерода (в том числе и ее небольшая космогенно-радиоактивная примесь) поглощается растениями и попадает в живые организмы. В дальнейшем в результате круговорота веществ он проникает в гидросферу и биосферу.
Оказалось, что наиболее удобными объектами для исследования содержания радиоуглерода являются деревья, которые можно считать самыми старыми представителями живого на нашей планете. С момента рождения деревья — свидетели тех процессов на Земле, в течение которых образуется радиоуглерод. Своеобразной памятью деревьев служат их горчичные кольца, отсчитывающие число прожитых деревом лет.
Конечно ,радиоуглеродный метод не так прост: ¹⁴С составляет примерно миллионную часть от общего содержания углерода в исследуемом образце. Трудности метода связаны с измерением очень малых активностей, что потребовало разработки специальной аппаратуры. Объектами исследования могут служить как живые деревья (ученые разработали способ получения древесных проб, не приводящий к гибели дерева), так и «мертвая» древесина, пролежавшая в Земле тысячи лет.
Радиоуглеродный метод интересен тем, что он позволяет воссоздать историю околосолнечного пространства за последние несколько тысяч лет. Поскольку ответственным за образование радиоуглерода является космическое излучение, то любая вариация его во времени неизбежно отразится на концентрации радиоуглерода, осевшего в соответствующих древесных кольцах. И если интенсивность космического излучения в прошлом, действительно, по каким-то при-. чинам менялась, то и концентрация космогенного радиоуглерода, соответствующая тому отдаленному периоду, тоже не оставалась постоянной.
Дендрохронология позволяет также получить информацию и об изменениях земного магнитного поля в прошлом, о колебаниях космического излучения и даже о вспышках некоторых сверхновых звезд. Дело в том, что по современным представлениям космическое излучение образуется при взрывах сверхновых звезд. Увеличение яркости звезды (т. е. саму вспышку) на небесном своде земные наблюдатели заметят через несколько лет после взрыва, когда свет преодолеет расстояние до Земли. Но только через несколько тысячелетий, после взрыва Солнечную систему достигнет вторая «взрывная волна» — поток корпускулярного (космического) излучения. Достигнув земной атмосферы, оно даст жизнь космогенным изотопам, которые в конце концов осядут в древесных кольцах.
Деление атомных ядер и возраст Земли
Кроме радиогенных и космогенных изотопов для определения геологического возраста можно использовать изотопы, появившиеся в земной коре в результате деления тяжелых ядер. Вызвать деление ядер в лаборатории можно нейтронами, но в природных условиях этот процесс может происходить и самопроизвольно Как известно, спонтанное (самопроизвольное) деле
ние урана открыли в 1940 году молодые ленинградские физики Г. Н. Флеров и К.А. Петржак. По сравнению с альфа-распадом спонтанное деление ядер — процесс очень медленный. Постоянная распада ура-на-238, подверженного спонтанному делению, составляет 10⁻¹⁷ лет, т. е. альфа-распад его в миллионы раз более вероятен, чем спонтанное деление. Но тем не менее за долгие годы существования минералов в них могут накопиться продукты деления тяжелых ядер. Таким образом вполне возможно определять возраст Минералов по наблюдению за продуктами деления. Наиболее часто встречающимися осколками деления урана являются селен, мышьяк, бром, криптон, рубидий, рений, серебро, сурьма и ряд других элементов.
Советские ученые Э. К. Герлинг и В. Г. Хлопин обратили внимание на возможность определять возраст урановых минералов по накоплению в них ксенона. В небольшом количестве этот благородный газ содержится и в атмосфере (8·10⁻⁶ %), но по изотопному составу атмосферный ксенон и ксенон, возникший в результате деления, резко различны. Именно это и позволяет судить о его происхождении.
С помощью ксенонового метода исследовалось около 100 горных пород. Оказалось, что их возраст немного занижен: сказывается улетучивание ксенона из кристаллической решетки, хотя и менее интенсивное, чем в случае гелия. Например, возраст одного из древнейших уранитов, определенный по ксеноновому методу, оказался равным 1,68, а по свинцовому методу 1,85 млрд. лет.
Ксеноновый метод позволяет проникать в еще более отдаленное прошлое, чем другие радиоактивные методы, например в период, когда ядерный синтез, определивший распространенность изотопов в веществе Солнечной системы, закончился и началось образование планет. С помощью «ксеноновых часов» было доказано существование давно вымершего изотопа плутония-244. Период его полураспада около 83 млн. лет. Естественно, что такой изотоп к нашему времени уже распадется полностью, но изотоп ксенон-129, являющийся характерным осколком деления плутония-244, останется. Изотопы ксенона были обнаружены не только в земных породах, но и в метеоритах.
С процессом деления ядер связан еще один не« обычный способ определения геологического возраста, Дело в том, что продукты деления могут со временем покинуть кристалл, в котором они возникли, либо их накопится недостаточно, для того чтобы произвести необходимый химический анализ. Но оказалось, что независимо от судьбы изотопов, возникших в результате деления (или каким-то иным способом попавших в минерал), в веществе останутся их следы.
Что это за следы? Дело в том, что при прохождении тяжелых заряженных частиц ( а к таким частицам относятся и осколки деления) через вещество вдоль их траектории неизбежно происходит разрушение вещества. Такие повреждения вещества (треки) можно увидеть только с помощью электронного микроскопа. Но хранятся в веществе они миллиарды лет, ли только вещество не подвергалось действию очень высоких температур. Регрессия треков, т. е. их залечивание, наступает именно при высоких температурах .
Таким образом, выяснилось, что очень многие минералы служат природными детекторами и в течение длительного времени могут хранить информацию о попавших в них осколках деления ядер (в том числе и тех, которые, подобно плутонию-244, уже давно распались), об их нахождении в уникальных ядрах, входивших в состав космического излучения. Кстати, в составе первичного космического излучения хотя и очень редко, но встречаются ядра урана. А если в минерале содержится, предположим, миллионная часть урана (от общего количества вещества), то за каждый миллион лет в нем образуется около 2000 треков, оставляемых осколками деления.
Конечно, трековый метод определения возраста минералов не универсален. Он имеет и достоинства, и недостатки. Прежде всего, способность к образованию треков у различных веществ носит явно выраженный пороговый характер. Это означает, что минералы могут «чувствовать» треки только в том случае, если заряд частицы не меньше определенного значения. Чувствительность минералов к своему «пороговому» заряду строго индивидуальна. Но ни один природный детектор, к сожалению для экспериментаторов , не хранит следов гелия .
Оказалось, что древнейшие объекты Солнечной системы имеют возраст около 4,5 млрд. лет, причем на их образование природа затратила несколько десятков миллионов лет. Выяснилось, что лунные породы, которым (3,2 ÷ 3) • 10⁹ млрд, лет, более молоды, чем метеориты и древнейшие породы Земли. Самые древние земные породы по данным радиоактивных часов имели возраст, млрд. лет: 3,7 (Гренландия); 4 (Антарктида), 3,4 (Канада), 3,2 (Южная Африка). Это так называемый минимальный возраст.
Для оценки возраста Земли советский ученый И. Е. Старик предложил метод, основанный на отношении изотопов свинца-207 к свинцу-206, возникающих в различных радиоактивных цепочках с различной длительностью распада. Сравнение распространенности этих изотопов в различных объектах позволило оценить возраст Земли в 5,2 млрд. лет. Но поскольку в веществе Земли должен был находиться не только радиогенный свинец, но и реликтовый, учет последнего дал окончательную оценку возраста Земли 4,5 млрд. лет. Очевидно, кристаллизация горных пород началась спустя 500—800 млн. лет после возникновения планеты из протопланетного облака.
Радиоактивные часы открыли новую главу и в истории гелия. Но оказалось, что гелий интересен не только своей пассивной ролью естественного свидетеля и спутника многих природных процессов. Элемент № 2 обладал таким букетом уникальных свойств, что многие направления науки и техники сегодня уже немыслимы без гелия.
Статья на тему Гелиевые часы, возраст земли