Мінерали – хранителі часу

Наша планета пережила довгу геологічну історію. Колись розпечена лава гігантськими потоками заливала поверхню земної кулі і, поступово застигаючи, йшла на дно океанів. Проходили сотні мільйонів років, лави перекривалися опадами морів і океанів. Відклалися в глибинах водойм пласти, стискаючись в складки, виявлялися похованими під новими нашаруваннями і знову виступали на поверхні Землі гірськими ланцюгами і височинами. Коли це сталося? Звідки ми знаємо, наприклад, що Чорне море утворилося пізніше Тихого океану, а Карпати значно молодші Саянських гір? Адже коли відбувалися ці події, не було людини на Землі і ніхто не міг скласти хронологію геологічних подій. Але збереглися німі свідки цих грандіозних перетворень. Це ті осадові гірські породи, які, як листковий пиріг, поступово накладаючись пластами один на одного, утворили геологічні формації.

Ось чому для того, щоб дізнатися, до якого часу належить дана геологічна подія – утворення якого-небудь вулкана, поява моря або гірського ланцюга, – перш за все, потрібно вивчити порядок нашарування осадових гірських порід.

Чим глибше залягає такий пласт, тим він древніше, а чим молодше, тим він ближче до поверхні. Так виник метод відносного обчислення часу, що дозволяє визначити послідовність геологічних подій (що було раніше і що – пізніше). Він отримав найменування стратиграфічного (від латинського «стратус», що означає «шар», або «пласт»).

На межі XVIII і XIX століть цей метод був значно доповнений іншим, названим палеонтологічним. Вивчаючи скам’янілі рештки тварин і рослин, вчені встановили, що представники органічного світу з часом змінювалися, або еволюціонували, і що кожному пласту або групі пластів відповідають тільки певні тварині або рослинні скам’янілості. Тепер, знаходячи в пластах порід яку-небудь викопну тварину, вчені вже твердо могли визначити, до якого геологічного часу її слід віднести.

Отже, обидва методи дозволили встановити, в якій послідовності виникли на Землі різні геологічні нашарування, які з них слід вважати більш молодими і які – більш давніми. Так як історія Землі вельми обширна, вчені визнали більш зручним поділити її приблизно так само, як діляться товсті книги, – на окремі «томи», «глави», «розділи» і «параграфи». Поступово виникла шкала геологічного літочислення Землі, що складається з чотирьох розділів: ер, періодів, епох і століть.

Домовилися вважати, що в історії Землі було п’ять ер: архейська, або найдавніша (від грецького «архе» – «початок» ), протерозойская – ера первинної життя ( від «зої» – «життя» і «протеросому» – «перший» ), палеозойська – «давня» (від «паляйос» – «стародавній»), мезозойська – середня і кайнозойская – нова.

Кожна ера нараховує кілька періодів. Найменування їх часто пов’язано з географічними назвами тих місць, де вперше були вивчені відкладення даної системи (наприклад, пермокій), або з гірськими породами, характерними для даного періоду (кам’яновугільний, крейдяний і т. д.) Створення шкали відносного геологічного літочислення стало важливою подією в геологічній науці і дозволило порівнювати між собою за часом утворення далеко один від одного залягаючих гірських порід. Однак використовувані методи володіли істотним недоліком. Вони дали можливість встановити лише відносний вік гірських порід. Як же визначити точну дату виникнення тієї чи іншої гірської гряди, окремого мінералу або знайденого викопного динозавра? (До речі прийшла думка, що дітей, які відпочивають у дитячому таборі в наших мальовничих Карпатах, такому як ось тут, буде корисно залучити до досліджень тамтешніх гірських мінералів та порід).

АТОМИ НА СЛУЖБІ ГЕОЛОГІЇ

Над розв’язанням цієї проблеми довгі роки билися вчені різних країн. І ось приблизно 100 років тому для визначення абсолютного віку гірських порід було запропоновано використовувати явище розпаду деяких хімічних елементів, названих радіоактивними. Виявилося, що такі елементи, як уран, радій, торій, калій, рубідій та інші, які входять до складу мінералів, що складають гірські породи, мають здатність спонтанно розпадатися. При цьому вони перетворюються в інші хімічні елементи і в кінцевому підсумку – в стійкі, сталі елементи або їх ізотопи. Цей розпад йде завжди з незмінною швидкістю, різною для різних елементів і не залежить від будь-яких зовнішніх впливів.

Наприклад, атоми урану і торію, розпадаючись на атоми ряду інших елементів, зрештою дають газ гелій і метал свинець. Гелій може частково випаровуватися, свинець ж не зникає, а навпаки, з плином часу зазвичай накопичується в мінералі. В даний час відомі три радіоактивних види розпаду, що закінчуються утворенням свинцю: урану – радію, актіноурану – актинію і ряд розпаду торію.

Так, при розпаді урану кожен атом цього елемента (з атомною вагою 238), втрачаючи послідовно вісім альфа-частинок або вісім атомів гелію і проходячи через цілий ряд проміжних продуктів перетворення, дає, зрештою, один атом кінцевого продукту розпаду – уранового свинцю.

Більшість радіоактивних мінералів, придатних для визначення часу їх утворення, знаходяться в так званих магматичних породах, що утворилися з вогненно-рідких розплавів. Ці породи зовсім не містять органічних копалин, завдяки яким і можна було б встановлювати їх відносний вік. Однак рідкі радіоактивні мінерали, включені в магматичні породи, самі зберігають у собі докази тривалого періоду часу, що протік з моменту їх кристалізації.

Якщо встановлено, що даний мінерал кристалізувався в вулканічній породі або мінеральній жилі в той же час, коли утворилася ця порода або жила, то можна визначити і абсолютний вік самої породи. Для цього потрібно знати, наприклад, яка кількість гелію і свинцю виходить при радіоактивному розпаді одного грама урану або торію протягом року і кількість свинцю і гелію, що припадає на один грам урану або торію в мінералі. Поділивши друге число на перше, можна отримати приблизно вік мінералу або породи, виражений в роках.

Здавалося б, все дуже просто. Однак на практиці це здійснюється значно складнішим шляхом, за допомогою спеціальних математичних формул. Але складність полягає не тільки в цьому. Створити абсолютну шкалу геологічного часу тільки по урановим і торієвим мінералам на практиці не представляється можливим: ці мінерали зустрічаються рідко і далеко не у всіх геологічних формаціях. Крім того, при аналізі доводиться рахуватися і з недостатньою стійкістю уранових і торієвих мінералів: вилуговування урану, наявність нерадіогенного свинцю у вихідній речовині, витікання гелію через кристалічні решітки мінералів – все це може повести до великих помилок в обчисленні абсолютного віку.

Як же бути? На допомогу прийшов новий метод визначення віку гірських порід. Він заснований на процесі радіоактивного розпаду калію з атомною вагою 40. Встановлено, що в будь-якому природному мінералі, що містить калій, знаходяться три його ізотопи: калій-39, калій-40 і калій-41.

Калій-40 радіоактивний. Для нього характерні два типи радіоактивного розпаду. В результаті першого утворюється стійкий ізотоп кальцію, а в підсумку другого – стабільний ізотоп аргону. Він-то і використовується для визначення абсолютного віку мінералів і гірських порід, що містять калій.

Знаючи швидкість розпаду калію-40, кількість його в мінералі і кількість отриманого аргону, вдається точно розрахувати час утворення окремих мінералів. Частинки ізотопу аргону володіють значними розмірами і тому порівняно добре утримуються в кристалічних решітках мінералів. Ось чому в гірських породах, що містять калій, обов’язково повинні поступово накопичуватися ізотопи аргону. За кількістю його і визначають вік мінералу.

Автор: Д. І. Щербаков.