Земля и жизнь - [10]
Принципиально новые способы определения абсолютного возраста горных пород и минералов были получены геологической наукой в результате изучения радиоактивных элементов. Суть этих способов такова.
Ядра атомов всех химических элементов состоят из мельчайших частиц - положительно заряженных протонов и не несущих заряда нейтронов. Масса протона почти равна единице - массе атома водорода (ядро которого и состоит из одного протона). Нейтрон же имеет массу чуть большую, чем протон. Как оказалось, так называемый атомный номер элемента, установленный Д. И. Менделеевым в периодической системе элементов, соответствует числу протонов, или положительному заряду ядра. Нейтроны же присутствуют в составе ядра независимо от атомного номера. Число их в ядре варьирует у различных химических элементов - от атома водорода, не имеющего нейтронов, до атомов плутония и америция, содержащих по 149 нейтронов. Химические элементы, ядра атомов которых имеют одно и то же число протонов и, следовательно, один и тот же положительный заряд, но различное число нейтронов, называются изотопами. В периодической системе элементов они занимают одно и то же место, но вследствие различий в числе нейтронов имеют различные свойства.
Ядра бывают прочными (стабильными), не проявляющими никаких изменений во времени, или нестабильными, неустойчивыми, распадающимися с измеримой. скоростью. Радиоактивность - это и есть распад ядер, который сопровождается различным типом излучения.
Так называемое альфа-излучение представляет собой поток положительно заряженных ядер гелия со значительной кинетической энергией; бета-излучение - это поток отрицательно заряженных электронов; гамма-излучение - аналогично по свойствам лучам Рентгена.
Вое встречающиеся в природе химические элементы, имеющие атомный номер более 80, являются радиоактивными. Они образуют четыре радиоактивных ряда. Иногда эти ряды называются "семействами". Распад атомов исходных элементов - урана-233, урана-235, урана-238 и тория-232 (U233, U235, U238, Th232) - приводит к образованию неустойчивых ядер различной продолжительности существования, в свою очередь распадающихся. Сам процесс распада не зависит ни от каких внешних условий. Он идет с неизменной скоростью различной у различных элементов. Половина всех имевшихся в наличии ядер данного элемента распадается за строго определенный промежуток времени - так называемый период полураспада. Каждый радиоактивный ряд заканчивается образованием одного из трех изотопов свинца с выделением гелия. Эти процессы, и оказались теми "часами" истории Земли, которые позволяют исчислять возраст геологических образований в виде так называемой абсолютной геохронологии.
Что же такое абсолютная геохронология и что она дает к настоящему времени?
Интерес геологов к природным процессам распада радиоактивных элементов связан с тем, что скорость этих процессов, во-первых, постоянна, во-вторых, очень мала. Лабораторные испытания, в которых радиоактивные вещества подвергались воздействию температур от -270 до +7000°С, давлений свыше 200 атм, сильных магнитных полей, бомбардировки космическими лучами не могли изменить нормального хода распада радиоактивных элементов.
Периоды полураспада основных естественных радиоактивных изотопов следующие.
На ранних этапах по определению абсолютного возраста геологических пород наибольшее применение получил метод, основанный на определении количеств свинца и гелия как продуктов распада урана-238, урана-235 и тория-232. Оказалось, что радиоактивные химические элементы, входящие в состав минералов земной коры, способны давать указание на время их образования и поэтому могут служить для установления времени геологических событий, иногда весьма древних. Поскольку урано- и ториеносные минералы встречаются в природе реже, чем калиеносные, то преимущество калиевого метода оказывается очевидным особенно для осадочных пород.
В применении к изучению абсолютного возраста минералов осадочного происхождения наиболее интересным показал себя стронциевый метод, основанный на распаде рубидия-87 с образованием стронция. Для этого необходимо, чтобы испытуемый материал содержал рубидий, например, в виде хлористой соли или в виде калийсодержащих глинистых минералов группы иллита, или в виде глауконита, а из магматических минералов - микроклина, флогопита, мусковита и др.
Особое место в абсолютной геохронологии занимает углеродный метод, основанный на измерении содержания углерода-14, период полураспада которого составляет 5568 лет. Этот метод применим для сравнительно самых молодых геологических образований - четвертичных. Исходным материалом для него являются углеродсодержащие горные породы, лигниты, торф и т. д.
Углерод в природе представлен двумя стабильными изотопами С12 и С13, соотношение количеств которых в некоторых известняках составляет 98,892 и 1,108%. При этом интересно, что С12 является биогенным изотопом углерода, поскольку его содержание в организмах и в органогенных геологических образованиях всегда относительно выше по отношению к С13. Принято различать углерод небиогенного происхождения (С12/С13 =88,0-90,2) и биогенного (С12/С13=90-92,9).
