Основной задачей исторической геологии было создание летописи, или хронологии геологического прошлого Земли. Эта задача возникла перед геологами с первых же шагов их работы. Совершенно отчетливо выявилась необходимость установить, что происходило раньше и что позже, какой слой земной коры древнее и какой моложе. Таким образом, наша наука устанавливает ход и последовательность геологических событий прошлого.
Однако для летосчисления важно не только относительное знание времени событий, но и абсолютное, дающее возможность определять время того или иного события в годах. Пока же историческая геология оперирует преимущественно относительными временными категориями.
Уже давно геологам удалось выделить четыре эры в развитии земной коры:
- кайнозойскую — новую,
- мезозойскую — среднюю,
- палеозойскую — древнюю,
- архейско-протерозойскую — древнейшую, безжизненную.
Сто лет назад были сделаны первые попытки определить абсолютную длительность каждой эры путем наблюдений за скоростью накопления осадочных пород на американском побережье. Геолог Дана подсчитал, что кайнозойские слои могли отложиться в течение трех миллионов лет. Двадцать лет спустя (в 1893 г.) Уолкот, подтвердив эти данные, определил, что все три эры — кайнозойская, мезозойская и палеозойская — продолжались минимум 25—30 и максимум 60—70 млн. лет.
Считается, что в среднем толщина (мощность) накопленных осадочных пород кайнозоя составляет 1600 м, мезозоя — 3500 м, палеозоя — 25 000 м, а архейских образований — предположительно 30 000 м. Вся мощность осадочных пород земной коры определялась огромной величиной — 60 000 м. Это количество осадков могло накопиться не менее чем за 100—150 млн. лет.
Наш ученый А. П. Павлов, изучив смену млекопитающих животных в течение кайнозойской эры, пришел к заключению, что она продолжалась 41 млн. лет. На основании изучения остатков беспозвоночных животных в слоях земной коры мезозойской эры А. П. Павлов определил ее длительность в 400 млн. лет, а палеозойской эры — в 700 млн. лет, т. е. длительность трех эр оказалась более одного миллиарда лет.
Шведский ученый де Геер предложил гораздо более точную методику установления геохронологии, применив ее на небольшой площади и для небольшого отрезка кайнозоя — периода отступления ледника из южной и центральной Швеции. В конце ледниковой эпохи в названных районах таяние льда привело к образованию серии озерных бассейнов. На их дно оседал илистый материал, создавший толщи ленточных глин темного цвета, однородных по составу. Глины располагаются тонкими слоями, причем каждый слой или, как говорят, лента резко отделяется от другого более зернистым и светлым прослоем песчанистой породы. Такая смена слоев может повторяться сотни раз. Было доказано, что светлые песчанистые прослои возникали при усиленном таянии льда в летнее время, темные — зимой. Следовательно, темный и светлый слои откладывались в течение одного года.
Подсчитав число лент в разных обрывах, где обнажаются ленточные глины, де Геер вычислил, что от начала таяния последнего ледника прошло 12 000 лет.
Подобным же образом А. Д. Архангельский, поднимая со дна Черного моря колонки тонкослоистых осадков, воспользовался способом де Геера и установил, что пять тысяч лет назад в это опресненное море начали проникать воды из Средиземного моря.
Это уже способы создания не относительной, а абсолютной геохронологии.
Мы видели, что приведенные методы подсчета длительности эр очень условны и дают весьма разные величины. Однако уже по ним чувствуется грандиозность летописи земной коры, перед которой блекнут семь библейских дней творения.
С начала двадцатого столетия геологи пытаются использовать для построения абсолютной геохронологии образование гелия и свинца при распаде радиоактивных элементов. Еще в 1898 г. супругам Пьеру и Марии Кюри неимоверными усилиями удалось извлечь из урановой смоляной обманки вещество, в сильнейшей степени обладающее способностью к излучению, названное ими «радием» (радиус (лат.) — луч).
Радий непрерывно излучает значительное количество энергии. Один грамм радия может за час нагреть 1,3 грамма воды от точки замерзания до точки кипения. Излучение может продолжаться месяцами без заметной убыли энергии.
Радий испускает альфа-, бета- и гамма-лучи. Альфа- лучи несут положительный заряд электрической энергии, и в них, по-видимому, сосредоточено наибольшее количество лучистой энергии при наименьшей способности проникания: в воздухе действие их простирается не далее семи сантиметров. Бета-лучи несут отрицательный заряд. Гамма-лучи по природе тождественны рентгеновским.
Было доказано, что из радия выделяется газ, так называемая эманация радия. Этот газ также радиоактивен, но способность его к дальнейшему излучению сильно понижается в течение нескольких дней. Эманация радия скоро истощается, и получается твердое тело — радий А, также неустойчивый. Изменяясь, он дает начало последовательному ряду новых веществ, который замыкается радием D. Схематически вся последовательность превращений радия представлена на рисунке.
В 1902 г. ученые Резерфорд и Содди предложили теорию распада радиоактивных элементов, по которой атомам этих элементов свойствен взрывоподобный распад, сопровождающийся радиоактивным излучением. Причем атомный вес продуктов распада ниже, чем у исходных атомов. Для радия (Ra) атомный вес равен 226, т. е. атом радия в 226 раз тяжелее легчайшего из атомов — атома водорода. Эманация радия имеет атомный вес 222, радий А — 218, радий В и С — 214, радий D — 210. Как видим, при каждом распаде атом теряет часть своей массы. Оказывается, что каждое излучение частиц радиоактивного элемента всегда влечет за собой уменьшение атомного веса на четыре единицы. Выяснилось, что альфа-лучи — не что иное, как поток положительно заряженных атомов гелия, атомный вес которого равен четырем. Следовательно, при каждом распаде, как при взрыве, выбрасываются атомы гелия — газообразного вещества. Оно еще раньше было открыто на Солнце, отчего и получило свое название (гелиос (греч.) — Солнце).
Радий, переходя по мере отщепления атомов гелия из одного состояния в другое, толчками меняет свою природу вплоть до превращения в конечный продукт — аналог свинца.
Каждый элемент, получающийся при распаде, обладает собственной скоростью дальнейшего распада. Например, от эманации радия через 3,85 дня остается половина. Сам же радий даже через 1600 лет распадается лишь наполовину. Еще более долговечен уран (атомный вес 238), от распада которого, как установлено, произошел и сам радий. Время, в течение которого число атомов урана при распаде уменьшается наполовину (период полураспада), равно пяти миллиардам лет!
После трехкратного альфа-излучения, т. е. трехкратной потери атомов гелия (4X3=12), распад урана приводит к образованию радия (238—12 = 226). Построим таблицу получения основных производных ураново-радиевого распада.
Производные ураново-радиевого распада
|
Элемент |
Атомный вес |
Период полураспада |
|
Уран I |
238 |
5000 млн. лет |
|
Уран X1 |
234 |
24 дня |
|
Уран Х2 |
230 |
100 000 лет |
|
Радий |
226 |
1600 лет |
|
Радий-эманация |
222 |
3,85 дня |
|
Радий А |
218 |
3 минуты |
|
Радий В |
214 |
26,8 минуты |
|
Радий D |
210 |
16 лет |
|
Свинец |
206 |
Устойчив |
После восьмикратной потери атомов гелия уран (U) превращается в свинец с атомным весом 206. Обозначив урановый изотоп свинца через Pbm, изобразим указанный процесс уравнением
U = Pbm + 8Не + энергия распада.
238 206 8X4
Скорость образования свинца подсчитывают, исходя из соотношения между числами образующихся атомов Pbm + He. Расчеты показали, что одна миллионная грамма урана дает всего 1/7400 грамма уранового свинца в год. Если химический анализ минерала показал наличие в нем в процентах урана U и образовавшегося из него свинца Pbm, то в первом приближении
можно определить возраст А минерала в годах по формуле
А = Pbm : U ∙ 7400 млн. лет.
При распаде другого радиоактивного элемента — тория (Th) эта формула принимает вид
А = Pba : Th ∙ 19500 млн. лет,
где Pba — ториевый изотоп свинца.
Одна миллионная грамма тория в год дает только 1/19500 грамма свинца с атомным весом 208. Но ториевые соединения свинца более растворимы, чем урановые, вследствие чего накопившееся в минерале количество ториевого свинца со временем уменьшается. Урановые минералы гораздо надежнее.
Существуют методы определения абсолютного возраста пород по распаду других радиоактивных элементов, например аргона (Ar).
Однако нельзя забывать, что мнения крупнейших ученых-физиков о постоянстве скорости распада урана резко расходятся. Так, Рэлей утверждает, что скорость распада урана в прошлом была той же, что и сейчас. Другой видный исследователь, Джоли, сомневается в таком постоянстве. Проблема до сих пор не решена. Геологи учитывают возможность применения абсолютной геохронологии, но в своей повседневной научной и практической работе руководствуются относительной летописью земной коры. Важно определить, какое место в стратиграфической шкале может занять тот или другой комплекс горных пород, что надо ожидать под ним и над ним.
Возраст Земли в целом от начала ее образования считают равным примерно шести миллиардам лет, а земной коры — трем-четырем миллиардам. Подсчитано, что кайнозойская эра длилась 64—70, мезозойская — 165—170, палеозойская — 310—385 и архейско-протерозойская — 2900 млн. лет.
М. В. Ломоносов, поражаясь необъятности окружающего мира, вдохновенно писал:
«Сочесть пески, лучи планет
Хотя и мог бы ум высокий:
Пескам и звездам — счету нет».
Астрономы теперь научились считать звезды, геологи — пески. Однако абсолютная геохронология еще далека от совершенства, и геологам приходится пользоваться относительным летосчислением, при котором отдельные отрезки истории земной коры выражаются понятиями: время, век, эпоха, период, эра.
Источник: С.С. Кузнецов. Как читают историю Земли. Издательство «Недра». Ленинград. 1973