В середине XVII в. ирландский архиепископ Дж. Уссер пришел к выводу, что Земля была создана точно в 9 ч утра 23 октября 4004 г. до н.э. Это «открытие» было сделано в результате тщательного изучения религиозных текстов. И вплоть до XIX в. все попытки разработать способы определения абсолютного или хотя бы относительного возраста горных пород не имели успеха. В 1897 г. известный английский физик Уильям Томас Кельвин (1824-1907) попробовал установить возраст Земли, исходя из разницы температур молодой расплавленной планеты и затвердевшей, сегодняшней; при этом он предположил, что скорость остывания была постоянной. Полученная Кельвином цифра – 20-40 млн. лет – примерно в 100 раз меньше возраста, устанавливаемого современными исследователями. Радиоактивность тогда была неизвестна, и Кельвин не мог принять во внимание тепло, выделяемое в недрах Земли при распаде радиоактивных элементов.
Закон порядка напластования
Если попытки найти пути к определению абсолютного возраста Земли неоднократно терпели неудачу, то шкалу относительного времени оказалось разработать значительно легче. Нужно было просто определить тот порядок, в котором откладывались горные породы. При этом не требовалось никаких ссылок на точно установленные отрезки времени. В конце XVIII в. Уильям Смит (1789-1839) сформулировал закон порядка напластования, который гласит, что в слоистых ненарушенных породах нижний пласт всегда древнее верхнего. После этого встала задача составления геологической колонки. Для этого нужно было определить и увязать между собой горные породы, а потом разместить их в определенной возрастной последовательности. Вся стратиграфическая колонка была разделена на части, а в основу деления были положены перерывы в осадконакоплении между одной и другой геологическими эрами, причем продолжительность основных стратиграфических единиц оказалась весьма различной.
Значительно облегчило корреляцию пород изучение ископаемых органических остатков. Организмы, жившие в определенные периоды геологической истории, отличают свои характерные признаки; их ископаемые остатки теперь с успехом используются при увязке пород, найденных в разных районах.
Иными словами, осадочные породы, содержащие одинаковые комплексы ископаемых остатков, отложились в одни и те же геологические периоды.
В поисках абсолютного возраста
Определить абсолютный возраст Земли удалось лишь тогда, когда выяснилось, что радиоактивный распад протекает с постоянной скоростью. В 1907 г. химик Б. Больтвуд (1870-1927) обнаружил, что распад радиоактивных минералов удобно использовать для определения отрезков времени. Он установил существование прямой связи между продуктами распада и их материнскими элементами и прямую зависимость между количеством конечных продуктов распада в образце породы и ее возрастом.
В основе радиологической хронологии лежит период полу распада – время, которое требуется для того, чтобы половина данного количества материала распалась, или разложилась, на продукты радиоактивного происхождения. Например, период полураспада урана-238 составляет 4510 млн. лет. По истечении этого времени остается только половина первоначального количества урана, остальное превращается в ряд радиоактивных изотопов, конечным продуктом распада которых является изотоп свинца РЬ-206. Торий-232 имеет еще более длинный период полураспада – порядка 14100 млн. лет, а период полураспада углерода-14 – всего 5570 лет.
Возраст горной породы в образце, определяется путем сравнения отношения продуктов распада к оставшемуся количеству материнского вещества. Затем известный период полураспада анализируемого элемента используется для расчета возраста образца. Этот способ обрел надежность лишь после того, как в 50-е годы были сконструированы масс-спектрометры – приборы для анализа и определения массы элементов с точностью до миллионных долей грамма.
Процесс распада чрезвычайно сложен. Разрушение нестойких атомов происходит спонтанно, независимо от физических или химических условий. Это один из уникальных процессов на Земле, скорость которого не меняется со временем, что является идеальным стандартом для измерения абсолютного возраста.
Метод радиологической хронологии позволяет определять не возраст элемента, а возраст породы от времени ее кристаллизации в форме минералов. Минералы имеют вполне определенный химический состав, и продукты происходящих в нем процессов разложения являются результатом распада радиоактивного исходного элемента.
Определение возраста Земли
Уран и его ближайший «родственник» торий – не единственные элементы, пригодные для определения абсолютного возраста нашей планеты. Широко распространен в земной коре калий-40 с периодом полураспада 2300 млн. лет. Распадаясь, он образует аргон-40, инертный газ, содержащийся в атмосфере. Сравнение концентраций этих двух элементов в земной коре показывает, что Земля имеет возраст порядка 4600 млн. лет. Возраст древнейших пород, развитых на докембрийских щитах Северной Америки, Гренландии, Африки и Австралии, определяется всего в 3500 млн. лет. Несоответствие между этими двумя цифрами вполне допустимо, если предположить, что период охлаждения, предшествовавший образованию земной коры, был весьма длительным. Однако, несмотря на все современные методы, абсолютный возраст целого ряда пород до сих пор определить не удалось.