Краткая история планеты Земля. Горы, животные, огонь и лед

Магдугалл Дж. Д.

Помимо выделения тепла внутри Земли, радиоактивность также снабдила геологов целой серией надежных «часов» для измерения возраста горных пород и скорости протекания различных геологических процессов. Но прежде чем обсудить подробности того, как это делается, имеет смысл рассмотреть, как ученые подходили к оценке геологического времени до открытия методов датировки горных пород на основе явления радиоактивности. Ведь по существу большая часть элементов за период в 550 миллионов лет геологической шкалы времени (рис. 1.1), то есть весь фанерозойский эон, была разработана задолго до того, как были определены действительные даты важнейших геологических границ. Были известны относительные положения различных временных подразделений, но не их длительность.

Понятие относительного времени просто, но в то же время является очень мощным инструментом для определения возрастных взаимоотношений между различными геологическими телами, как уже отмечалось в главе 4 и иллюстрировалось на рис. 4.1. Этот подход очень прост и часто сводится к вопросу: порода А старше, чем порода Б, или наоборот? Один из наиболее очевидных аспектов понятия относительного времени был интуитивно известен многие тысячи лет, но был четко сформулирован только в семнадцатом

столетии: в последовательности осадочных слоев самый молодой материал находится наверху. Человеком, который придумал этот закон, был датский анатом, который жил в Италии и латинизировал свое скандинавское имя (Нильс Стеной) в Николаус Стеной. Стеной внес важный вклад в медицину, а также в геологию и минералогию, но, к сожалению, в возрасте тридцати семи лет сделался священником и оставил науку. Указав на очевидное — а именно, что осадки, выпавшие в воде, должны первоначально образовать горизонтальные слои, независимо от их теперешней ориентировки, и что самые молодые слои должны быть сверху, — он заложил основу для создания геологической шкалы времени.

Однако Земля представляет собой весьма динамичное место и невозможно найти в каждой отдельной местности полную, слой за слоем, запись всех событий фанерозоя. Как же можно в таком случае построить геологическую временную шкалу, даже пользуясь только относительным временем? Ответ заключается в факте эволюции и в постоянной и непрерывной изменчивости ассоциаций — то есть совместно встречающихся сообществ — ископаемых остатков организмов, сохранившихся в осадочных породах.

И действительно, более чем за полстолетия до того, как Дарвин опубликовал свои идеи об эволюции, некий английский инженер по имени Уильям Смит, который занимался составлением карт вдоль каналов в южной части Англии, обнаружил, что может начертить всю объединенную вертикальную последовательность осадочных слоев, которые он нашел на разной высоте и в разных местностях. Он сделал это, используя ископаемые остатки, или, говоря точнее, ассоциации ископаемых остатков, которые встречались в различных осадочных породах, которые он наносил на карту. Он смог свести в один разрез сложную последовательность пород, поскольку во многих местах наблюдалось их частичное перекрытие. Это легко себе представить, если обозначить конкретные группы ископаемых остатков, совместно и постоянно встречающиеся в осадочных породах, буквами латинского алфавита, — так, чтобы буква А обозначала самые древние (рис. 6.1). В обрыве в некоторой местности могут выходить на поверхность осадочные слои, содержащие группы ископаемых остатков А, В, С и D, в другом обнажении встречаются слои с группами С, D и Е; в третьей местности обнаружены группы С, Е, F и G. Совмещая слои с одинаковыми группами ископаемых остатков, встречающиеся в разных местах, можно построить на сводном разрезе полную вертикальную последовательность, как если бы все эти слои присутствовали в одном месте. Согласно правилу Стенона, в таком разрезе самые древние породы должны находиться внизу, а самые молодые наверху. Исходя из этого, несмотря на то, что группы А и В ни разу не были найдены в тех же местностях, что и группы F и G, очевидно, что F и G моложе, что следует из сводной относительной временной последовательности. В принципе мы знаем также, что, если бы какая-либо из этих групп была встречена где-нибудь в другом месте мира, ее можно было бы поместить на ее место во временной шкале эволюции по отношению к другим группам.

Рис. 6.1. Как поясняется в тексте, слои осадочных пород часто содержат диагностические ассоциации окаменелых остатков организмов (обозначенные здесь буквами латинского алфавита), которые позволяют провести корреляцию (сопоставление) между разрезами различных местностей (иногда корреляция оказывается возможной даже на основании только типов пород, но корреляция по ископаемым остаткам более надежна). На основании такой корреляции можно установить временную последовательность образования пород. Например, из этой простой иллюстрации ясно, что группы окаменелостей А и В старше, чем F и С, хотя они никогда не встречаются вместе в одной и той же местности. Обратите внимание, что иногда слои отдельных пород совершенно исчезают, как происходит со слоем D. В правой колонке имеется так называемое несогласие между слоями С и Е, указывающее на наличие разрыва во времени в геологической летописи. В этой местности слой D и частично С были снесены в результате эрозии до отложения слоя Е.

В сущности, именно такую процедуру применили для построения шкалы относительного возраста Земли, приведенной на рис. 1.1, то есть без указания абсолютного возраста границ между подразделениями. Конечно, она отнюдь не так проста, как можно подумать, глядя на этот рисунок. Несмотря на тот факт, что временная шкала включает данные, полученные из весьма отдаленных друг от друга местностей, существуют части геологической летописи, которые очень плохо представлены в осадках на всем земном шаре. Фактически из-за воздействия перемещений плит, большая часть записей в геологической летописи океанов была уничтожена — либо содрана со дна вышележащей плитой в зонах субдукции, либо метаморфизована до неузнаваемости при столкновениях между континентами. А что касается сохранившихся осадков, особенно тех, которые были отложены вдоль континентальных окраин или на мелководье вокруг островов, то существуют географические различия в ископаемых остатках, которые следует учитывать: ведь и в наше время имеются резкие различия во флоре и фауне, между, скажем, коралловыми рифами, окружающими какой-нибудь тропический остров в Тихом океане, и атлантическими водами около Исландии. Но безжалостный ход эволюции и сходство, если не точное подобие многих видов, несмотря на географические границы в данный момент времени, сделали этот подход на редкость успешным.

Относительная датировка пород с использованием ископаемых остатков организмов позволили первым геологам разработать последовательность главных событий, которые произошли в течение фанерозоя. Они узнали, например, что рыбы на Земле появились раньше,

чем динозавры или млекопитающие. Они смогли выяснить, что обширные угольные месторождения в восточной части Северной Америки и в Западной Европе образовались в древних болотах до того, как на океанском дне образовались меловые отложения, которые теперь слагают Белые Утесы около Дувра в Англии. Но что касается

пород, не содержащих ископаемых остатков, особенно относящихся к докембрию, то здесь они оказались в тупике. Казалось, вообще справедливо положение, что наиболее метаморфизованные породы являются, вероятно, и более древними, чем породы слабее деформированные или измененные, но не было никакого способа выяснить, являются ли такие породы в Индии старше, чем такого же вида породы в Канаде, или наоборот. Не было также никаких оснований выяснить тот факт, что относительная временная шкала, которую они разрабатывали для фанерозоя, фактически включает только около двенадцати процентов всего геологического времени. И даже там, где относительная последовательность залегания пород была достаточно хорошо установлена, не было никакого способа оценить длительность различных частей шкалы. Эта возможность появилась лишь позднее, большей частью лишь во второй половине двадцатого столетия, и она все еще продолжает совершенствоваться.

ДАТИРОВКА С ПОМОЩЬЮ РАДИОАКТИВНОСТИ

Для геологов главным судьей-хронометристом является радиоактивность горных пород. К счастью, существует много естественно встречающихся радиоактивных изотопов, обладающих свойствами, делающими их полезными для решения задач геологической хронологии. Их важность нельзя переоценить. Только благодаря им появилась возможность составить историю Земли, которая рассказывается в этой книге.

Как же можно использовать свойство радиоактивности для определения возраста горных пород или для оцифровки временной шкалы? Тема эта является весьма сложной и специальной. Тысячи научных статей и много книг были написаны об этом предмете. Здесь мы можем дать читателю лишь краткий очерк, приведя несколько примеров. Но основная предпосылка метода, в сущности, очень проста. Радиоактивные изотопы распадаются с постоянной скоростью. В этом отношении они совершенно аналогичны обычным часам. Мы знаем, что каждую минуту часы отстукивают шестьдесят секунд. Мы также знаем, что в любом образце горной породы, который содержит уран, около полутора процентов этого урана распадается, образуя свинец, каждые 100 миллионов лет. Измеряя количество урана, которое распалось в течение жизни какого-нибудь определенного образца (или, наоборот, количество свинца, образовавшегося в результате распада), можно определить возраст образца.

Большинство химических элементов периодической таблицы Менделеева имеют по несколько изотопов. Как уже рассказывалось в главе 2, все изотопы одного элемента ведут себя в химическом отношении одинаково. Каждый из них имеет одинаковое число протонов в ядре своих атомов и одинаковое число электронов, окружающих это ядро. Однако каждый из изотопов имеет слегка отличный вес, поскольку ядра разных изотопов содержат неодинаковое число нейтронов. Вид изотопа определяется числом, которое означает сумму протонов и нейтронов в ядре атома (и тем самым его вес, точнее — массу). Таким образом, в каждом глотке воздуха, который вы вдыхаете, большая часть атомов кислорода принадлежит изотопу кислород 16, но некоторые принадлежат изотопу кислород 18 и совсем ничтожное число — изотопу кислород 17. Но что касается вашего тела, то большая часть его состоит из всех изотопов кислорода.

Радиоактивные изотопы неустойчивы. Радиоактивный распад направлен на достижение устойчивости с помощью изменения соотношения между числом протонов и нейтронов в ядрах атомов. Это осуществляется путем выбрасывания некоторых частиц из ядра с большой энергией, и в этом процессе образуется другой химический элемент. Например, мы видели, что уран, распадаясь, образует свинец (хотя в этом конкретном случае преобразование ядер урана в свинец включает целую серию радиоактивных распадов, а не один-единственный этап). Явление радиоактивности было открыто в последние годы девятнадцатого столетия и с тех пор интенсивно изучается. Ученые быстро узнали путем экспериментов, что радиоактивность является статистическим явлением, то есть что каждый радиоактивный изотоп характеризуется определенной вероятностью того, что он распадется в заданный промежуток времени. Это легче всего представить, вообразив большое количество радиоактивных атомов в стакане. Представим себе, что мы можем их видеть и определять их число в любой момент времени. Если мы проделаем такое наблюдение через какой-нибудь промежуток времени, скажем, через минуту, то обнаружим, что определенная часть атомов распадется; при наблюдении еще через минуту распадется та же часть оставшихся атомов и так далее. Поскольку радиоактивность является статистическим явлением, и особенно если количество атомов в стакане изначально было мало, то доля распадающихся атомов может слегка колебаться от минуты к минуте, но в среднем она будет постоянной. Тот же эксперимент, но проведенный в разное время и при широком разнообразии окружающих условий, даст тот же результат. Это указывает на то, что вероятность распада определенной доли данного изотопа за определенное время является постоянной величиной. Закономерность распада удобно выразить через время полураспада изначального количества атомов данного изотопа в образце породы, то есть время распада половины изначальных атомов изотопа. Математически период полураспада прямо пропорционален величине постоянной распада и для большинства радиоактивных изотопов он определен с высокой точностью. Именно эти данные являются ключом ко всем применяющимся в геологии методам «абсолютного» датирования.

Возможно, вы поняли из этого описания, что радиоактивный распад описывается экспоненциальным законом распределения: количество распадающихся за каждую единицу времени атомов в начале процесса велико, но с течением времени становится все меньше. Именно доля атомов, которые распадаются в каждый из одинаковых промежутков времени, оказывается постоянной, что видно из рис. 6.2.

Почему же в природе существуют неустойчивые радиоактивные изотопы? Вместе с устойчивыми элементами большая часть их образуется в результате ядерных реакций в недрах звезд или же при взрывах сверхновых звезд которые регулярно происходят в нашей Галактике. Они являются частью того вещества, которое вошло в состав Земли при ее образовании; изотопы с очень долгим периодом полураспада распались лишь частично. Они все еще встречаются на Земле. Но существуют и изотопы со столь коротким периодом полураспада, что любые их количества, существовавшие в период образования Земли, давно уже полностью распались. Тот факт, что они все же встречаются на Земле, говорит о том, что они продолжают образовываться в каких-то ныне протекающих процессах.