Энциклопедия

Как определяют возраст Земли и горных пород

Ученые изучают историю развития животного и растительного мира Земли не только потому, что это увлекательно и интересно. История органического мира имеет и самое прямое отношение к геологическим исследованиям по образованию и размещению полезных ископаемых. Дело не только в том, что каменный уголь — это остатки древних растений. Остатки растений и животных позволяют узнавать возраст горных пород. Все слышали о каменноугольном периоде, когда образовались крупнейшие месторождения на территориях, где ныне находятся Донбасс, Подмосковье и многие другие районы. В Поволжье крупные месторождения нефти заключены в породах, которые отлагались во время девонского периода, а знаменитые месторождения фосфоритов в Южном Казахстане приурочены к осадкам морей кембрийского периода. Короче говоря, в разное время на Земле отлагались разные ценные полезные ископаемые. Поэтому для их поисков надо уметь узнавать, в какую эпоху отлагались соответствующие слои и чем они отличаются от более молодых и более древних осадочных толщ.

На помощь геологам приходит палеонтология — наука об организмах геологического прошлого и о развитии живой природы в течение геологических времен. Если мы находим в пласте известняка панцирь трилобита, то можно уверенно сказать, что известняк образовался в палеозойскую эру. Этот пласт гораздо старше, чем слои, в которых найдены кости млекопитающих животных. Иногда бывает достаточно небольшой раковинки, крохотного обломка окаменевшей древесины, чтобы определить, в какой период отлагались те или иные слои.

Изучив последовательно смену событий — и геологических и биологических, ученые разделили всю долгую историю нашей планеты на пять наиболее крупных отрезков — эр. Три последние эры — палеозойская, мезозойская и кайнозойская (от греческих слов «палеос» — древний, «мезос» — средний, «кайнос» — новый и «зое» — жизнь) — разделяются на несколько периодов, а периоды, в свою очередь, — на эпохи и века. Две наиболее древние и самые продолжительные эры — архейская и протерозойская (по-гречески «археос» — древний, старый и «протерос» — первый, начальный) — на периоды, эпохи и века пока не разделяются. Во второй половине протерозойской эры в морях существовало много водорослей и появились первые животные.

Возраст горных пород, устанавливаемый по остаткам растений и животных, называют относительным геологическим возрастом. Мы можем узнать, моложе или древнее тот или иной пласт песчаника или глины по сравнению с пластами соседнего района.

Но ведь этого мало. Важно знать, на сколько лет древнее или моложе, т. е. знать не только относительный, но и абсолютный геологический возраст горных пород, выраженный в миллионах и миллиардах лет. Успехи атомной физики позволяют геологам достаточно точно определять возраст горных пород. При этом они используют явления радиоактивности. Атомы некоторых элементов — урана, радия, тория и других — не остаются постоянными. Они изменяются, выделяя заряженные мельчайшие частицы (это и называется радиоактивным излучением), и превращаются в атомы свинца, гелия и других элементов. Скорость таких превращений для каждого элемента постоянна. Так, уран с атомным весом 238 (U₂₃₈) превращается в свинец и гелий. Чтобы половина атомов урана превратилась в атомы свинца, требуется 4520 млн. лет. Это время называется периодом полураспада урана. Для радия период полураспада 1590 лет, для тория — 13 900 млн. лет. Выяснилось, что способностью к радиоактивному распаду обладают некоторые разновидности атомов и у более широко распространенных элементов. Такие разновидности атомов называют радиоактивными изотопами. Радиоактивный изотоп калия (К₄₀) имеет период полураспада в 1,25 млрд. лет и превращается в атомы инертного газа аргона, а у изотопа рубидия (Rb₈₇) — 50 млрд. лет, и превращается он в атомы стронция. Даже углерод имеет радиоактивные изотопы Си, которые превращаются в атомы азота, а период полураспада составляет 5760 лет.

Определяют возраст по радиоактивным элементам и изотопам так. Ученые — физики и химики — точно подсчитывают, сколько содержится в горной породе атомов радиоактивных элементов — «родителей», а также «новорожденных» элементов — «детей». Затем решают самую обыкновенную задачу: известно, сколько времени нужно для превращения половины атомов (период полураспада) и сколько атомов распалось в изучаемой горной породе. Таким образом, составляется простая арифметическая пропорция — и получается абсолютный возраст горной породы.

Чем меньше период полураспада, тем точнее можно определить возраст пород, но только для геологически относительно недавних, коротких отрезков времени. Так, по радиоактивным изотопам углерода определяется возраст остатков не старше нескольких десятков тысяч лет.

Геологи и палеонтологи изучили осадочные слои земной коры от верхних слоев — самых молодых до нижних — самых древних. По сохранившимся в них остаткам организмов была восстановлена подлинная история жизни на Земле.

По радиоактивным изотопам калия удается измерять возраст горных пород в пределах сотен миллионов лет. Недавно в вечной мерзлоте Таймыра был найден замороженный труп мамонта. Анализ радиоактивных изотопов углерода показал, что этот мамонт жил приблизительно 11 тыс. лет назад. Зернам пшеницы, найденным в египетских пирамидах, оказалось 6100 лет, а костер, который обнаружил на острове Пасхи ученый-путешественник Тур Хейердал, горел 1550 лет назад, приблизительно в 400 г. н. э. Именно калий-аргоновым методом сделано большинство определений абсолютного возраста осадочных пород мезозоя и палеозоя. Дело в том, что калий входит в состав минерала глауконита. Этот минерал образуется одновременно с включающей его осадочной горной породой. Определив возраст глауконита по соотношению изотопов калия и аргона, мы получим возраст горной породы.

По соотношению рубидия и стронция можно «измерить» более долгие отрезки времени, и этот метод считается наиболее надежным для определения возраста самых древних горных пород, образовавшихся в архейскую и протерозойскую эры. Выяснилось, что самому древнему камню на нашей планете около 4—5 млрд. лет.

Первые остатки каких-то организмов, скорее всего водорослей или бактерий, были обнаружены в слоях, возраст которых около 3 млрд. лет. Первые животные появились, очевидно, около 1 млрд. лет тому назад.

Иногда бывает достаточно небольшой раковины, крохотного обломка окаменевшей древесины, чтобы определить, в какой период отлагались слои.

Но не думайте, что определение возраста древних пород — это чисто механическая, так сказать, лабораторно-машинная работа. В действительности все гораздо сложнее. Прежде всего, радиоактивные элементы и изотопы встречаются в горных породах в очень небольших количествах. Поэтому для их определения и подсчетов необходимы исключительно точные приборы. Кроме того, за многие миллионы лет горные породы подвергались воздействию различных процессов, которые могли значительно изменить их химический состав. Если минералы находились на поверхности Земли, они выветривались, растрескивались, разрушались. Если, наоборот, они попадали в глубинные слои земной коры, то они могли подвергаться процессам метаморфизма, о которых рассказано в других статьях тома. При этом могло изменяться и количество радиоактивных атомов. Значит, цифры, полученные самыми точными методами для таких образцов, еще не означают действительный абсолютный возраст горной породы. Поэтому для определения возраста пород необходимо пользоваться не одним, а несколькими независимыми методами.