Книга Автобиография Земли. 4,6 миллиарда лет захватывающей истории нашей планеты - Элизабет Эрвин-Бланкенхайм

в зависимости от того, в какой части света накапливаются отложения, а также от других процессов, таких как эрозия. И хотя концепция геохронов не сохранилась, все геологи используют временные маркеры – геохронологию или хронометрическое датирование – как вспомогательные при характеристике геологической истории.

Самый древний из найденных на данный момент минералов – это кристалл циркона возрастом 4,4 млрд лет, обнаруженный в Джек-Хиллс, к северу от Перта, Австралия[184]. Древние горные породы раннего докембрия встречаются редко. Одно из обнажений самых древних пород на Земле, возрастом более 4,0 млрд лет, находится на берегу Гудзонова залива в Канаде[185]. В наши дни специалисты в сфере наук о Земле знают возраст Земли в абсолютных числах, поскольку древние минералы и горные породы обладают встроенными виртуальными часами. Эти «часы» состоят из радиоактивных изотопов – нестабильных атомов, которые изменяются и распадаются с предсказуемой скоростью. Абсолютный или настоящий возраст (в пределах временного интервала) определяют путем измерения концентрации радиоактивных изотопов, которые в результате спонтанного распада с течением времени превращаются из нестабильных в более стабильные, более легкие элементы с определенной скоростью. Ученые вычисляют возраст соответствующих образцов по соотношению концентраций начальных, нестабильных атомов и конечных, более стабильных.

К количественным методам определения возраста относятся не только радиометрические, но и другие хронометрические методы, в том числе электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) – метод определения количества свободных радикалов (их концентрации увеличиваются с возрастом в результате действия космической радиации), а также термолюминисцентный анализ, позволяющий определить накопленную дозу радиоактивности в объекте, поскольку он остывал с момента своего формирования. Другие методы включают оценку магнитного поля Земли и смены полюсов, зафиксированных в горных породах (магнитостратиграфия с использованием палеомагнетизма), а также изучение годичных колец ископаемых деревьев (дендрохронология). У каждого метода имеется диапазон возраста, для которого он наиболее применим: например, с помощью дендрохронологии можно датировать материал возрастом до 11 000 лет; электронный парамагнитный резонанс может определить возраст зубов в образцах, для которых неприменим метод радиоуглеродного датирования, – возрастом сотни тысяч лет (при этом погрешность тем выше, чем более древний материал). Геологи используют изотопы с большим периодом полураспада, такие как серия изотопов калий-аргон, для датирования самых древних минералов и горных пород возрастом в миллиарды лет. В конкретных возрастных диапазонах используются разные методы для проверки и подтверждения датировки.

Количественное определение возраста горных пород привело к пересмотру возраста Земли: он оказался гораздо бо́льшим, чем можно было представить. Ученые больше не говорили о миллионах или о десятках или даже сотнях миллионов лет. Сегодня геологи исчисляют возраст Земли миллиардами лет. К такой оценке геология пришла с помощью методов, заимствованных из других отраслей, особенно из физики и химии.

Радиоактивность и изотопы: история и применение в геологии

Само излучение, открытое Рентгеном и названное впоследствии рентгеновским (Х-лучами), исследователи наблюдали уже в 1880-х гг., но явление радиоактивности открыл в 1896 г. французский физик Антуан Анри Беккерель (1852–1908). Беккерель положил образец соли урана на фотографическую пластину (изолированную от воздействия солнечного света и других источников излучения), и на ней постепенно проявились очертания уранового образца. Беккерель задался вопросом: как такое возможно? Единственным разумным объяснением было то, что образец испускает «невидимые лучи»[186]. В том же году ученый опубликовал результаты своей работы[187]. Беккерель умер в относительно молодом возрасте – ему было 55 лет, – вероятно, из-за работы с радиоактивным материалом, который вызывал многочисленные ожоги на его руках, и воздействия радиации.

В 1898 г. супруги Пьер Кюри (1859–1906) и Мария Склодовская-Кюри (1867–1934), французские физики, заинтересовались работой Беккереля и продолжили его исследования. Супруги Кюри (под руководством Марии) занимались исследованием тория и выяснили, что он испускает такие же «урановые лучи», как те, что обнаружил Беккерель. Мария назвала этот процесс радиоактивностью – так впервые был введен этот термин[188]. Историки науки отдают должное Марии Кюри за осознание того факта, что источником излучения является ядро атома, а не совокупность его электронов. Эта концепция стала основой для развития физики[189]. Кюри открыли два новых элемента: полоний и радий.

В 1903 г. Нобелевская премия по физике была присуждена Марии Кюри, Пьеру Кюри и Анри Беккерелю. Нобелевский комитет присудил награду супругам Кюри «в знак высокой оценки их выдающихся совместных работ по исследованию явлений излучения, открытых профессором Анри Беккерелем»[190][191]. В 1911 г. Мария Кюри получила вторую Нобелевскую премию – по химии – за работу с полонием и радием, которую она продолжила после трагической гибели мужа в 1906 г.: Пьер Кюри, поскользнувшись, попал под колеса экипажа и скончался в возрасте 46 лет в результате смертельного перелома черепа.

Понятие об изотопах было введено в 1913 г. радиохимиком Фредериком Содди (1877–1956), который на основе своих исследований изотопов свинца, иридия и тория понял, что атомы, имеющие одинаковую химическую природу и атомный объем, могут иметь разные атомные массы[192]. В 1921 г. Содди была присуждена Нобелевская премия, но награду он смог получить только в следующем, 1922 г.[193]. Еще ранее, в 1899 г., другой лауреат Нобелевской премии (1908), Эрнест Резерфорд (1871–1937), обнаружил, что торий выделяет газ, позже получивший название радон, и этот процесс сопровождается излучением двух типов: α и β. Два года спустя Резерфорд и Содди экспериментально обнаружили, что торий (в образце, оставленном в лаборатории на рождественские каникулы) в результате β-распада превратился в другую форму, которая, как выяснилось, представляет собой совершенно иной химический элемент: радий. В 1902 г. ученые опубликовали статью в двух частях «Причина и природа радиоактивности» о трансмутации – изменениях – элементов[194]. В 1904 г. Резерфорд опубликовал книгу под названием «Радиоактивность» (Radio-Activity), где писал следующее:

Наиболее примечательным свойством радиоактивных тел является их способность самопроизвольно и непрерывно излучать энергию с постоянной интенсивностью без всякого, насколько известно, воздействия на них внешних причин… Явление кажется еще более удивительным, если считать, что радиоактивные тела, должно быть, постоянно излучают энергию с момента их образования в земной коре[195].

Среди изотопов водорода протий (водород-1) – самая стабильная и наиболее распространенная форма, состоит из одного протона и одного электрона и составляет более 99 % всего водорода на Земле. Протий существует в виде газа или соединений с другими элементами или другими изотопами водорода. Дейтерий (водород-2) состоит из одного протона, одного нейтрона и одного электрона. Связи в атоме дейтерия более сильные, чем в протии, и он более тяжелый. При взаимодействии дейтерия с кислородом образуется тяжелая вода, которая применяется в ядерных реакторах в качестве замедлителя нейтронов в реакциях распада урана, а также в некоторых методах обработки медицинских изображений. Тритий (водород-3) – нестабильный, радиоактивный изотоп водорода состоит из одного протона, двух нейтронов и одного электрона. Период полураспада трития с