Неожиданные затруднения. Об искусстве скрывать число прожитых лет

Все операции по определению абсолютного возраста выполнены правильно. И методика выбрана обоснованно, и технические условия соблюдались неукоснительно. А результат анализа никуда не годится. Не вяжется он ни с представлениями геологов, ни с истинным положением пород в земной коре.

Такая невеселая ситуация возникала не раз. И чем больше анализов получали радиологи, тем яснее становилось, что в теле Земли действуют некие силы, словно поставившие себе целью сбить абсолютную геохронологию с верного пути.

Очень часто под влиянием всевозможных причин отдельные химические элементы, а иногда и целые семейства их покидают решетку материнского минерала. Одни из них рассеиваются в пространстве, другие находят приют во встреченных на пути минералах и, прервав свое путешествие, приживаются в кристаллах нового хозяина, пока геохимические процессы не позовут их снова в дорогу. Это явление получило название миграции элементов.

На место ушедших атомов приходят элементарные частицы других веществ. Иногда горная порода может испытать настоящее нашествие чужеродных элементов. Пришельцы захватывают в свое владение все новые и новые кристаллические решетки и заставляют минералы перерождаться. Стоит породе утратить хоть немного аргона или приобрести добавочный калий, как уменьшится отношение аргон-40/калий-40 и соответственно снизится возраст горной породы.

Если же растущий минерал в силу тех или иных причин захватит избыточный аргон либо утратит некоторое количество калия, отношение этих радиоизотопов увеличивается, что создаст впечатление, будто бы порода старше, нежели в действительности.

Частичная, а что еще хуже полная, потеря минералами радиогенного аргона, скапливавшегося в них на протяжении геологической истории, является наиболее существенной причиной "омоложения" результатов, полученных аргоновым методом. Потеря эта может быть вызвана и кристаллохимическими особенностями самих минералов, и различной устойчивостью их внутренних структур, и всевозможными внешними воздействиями - температуры, давления, природных растворов и других сил.

Для того чтобы узнать условия сохранения аргона в породе, было проведено множество сравнительных анализов. Исследовались общие, или, как их называют, валовые, пробы горных пород. Затем из той же породы брались порознь полевые шпаты и слюды. Для всех этих трех веществ определялся абсолютный возраст. Когда накопилось достаточное количество результатов, стали выявляться некоторые закономерности.

Выяснилось, например, что наибольший возраст обычно показывает слюда, а наименьший - полевой шпат. Для древнейших пород Земли разница в возрасте этих минералов, выделенных из одних и тех же пород, составляет от 300 до 500 млн. лет. Для палеозойских образований она исчисляется десятками миллионов лет, а в новейших отложениях не превышает нескольких миллионов лет. Возраст валовой пробы занимает при этом некоторое среднее положение. Лучше всего сохраняется аргон в минералах, не подвергавшихся за время своего существования перегревам, которые могли бы вызвать изменения кристаллической структуры.

Достаточно нагреть полевой шпат до нескольких сотен градусов Цельсия, чтобы в его внутреннем строении произошли заметные перемены и аргон начал покидать кристаллическую решетку минерала. Но при той же температуре слюды стремятся сохранить свое прежнее строение и преобразуются значительно медленнее. До 1300° С необходимо нагреть светлую слюду мусковит, чтобы она утратила весь радиогенный аргон.

Казалось бесспорным, что аргон лучше всего сохраняется в слюдах. И вдруг - обратная закономерность: в некоторых образцах полевой шпат удерживает атомы радиогенного аргона лучше, чем находящаяся рядом слюда. Оказалось, снова виновата температура. На каждом тепловом рубеже любой минерал может выделить лишь некоторое количество содержащегося в нем аргона. Потом утечка газа прекращается и может возобновиться лишь при очередном нагревании. А вот скорости, с которыми аргон покидает кристаллическую решетку слюд и шпатов, не совпадают. Поэтому и получается иногда такое несоответствие.

Опасность ошибки в результате появления в породе избыточного аргона, захваченного кристаллами минералов во время их роста, значительно меньше. Это явление наблюдается нечасто и к тому же присуще лишь немногим минералам, которые редко используются для определения абсолютного возраста. Иногда ничтожные количества такого аргона обнаруживаются в эффузивных породах и туфах, но и здесь они крайне редки.

Зато в слюдах, взятых из метаморфических пород, радиолога могут ожидать подвохи. В кристаллах слюды сплошь и рядом можно обнаружить некоторое количество избыточного аргона. Его называют реликтовым или унаследованным. Присутствие такого аргона ощутимо удревняет абсолютный возраст. И что самое неприятное - полученный результат не дает возможности даже судить о том времени, когда порода подверглась изменениям.

Глубинные растворы приносят калий, высокая температура нарушает устоявшийся режим горной породы, и, повинуясь их требованиям, "бредут" атомы по своим кристаллическим "кочевьям". Проникает подобный раствор в докембрийские интрузивные образования, и в них начинают расти новые молодые минералы. Минералы такого происхождения не могут указать на истинный возраст горной породы.

Тем не менее такие новообразования представляют для радиолога определенный интерес. Хотя они и не позволяют решить основную задачу, но зато с их помощью можно достаточно точно установить время, когда горная порода подверглась преобразованию. А это очень важно для изучения геологического развития той или иной территории и воссоздания истории активности земных глубин.

А на поверхности породы, открытой действию дождя, ветра и солнца, протекают противоположные процессы - идет разрушение. Здесь кристаллическая структура минералов утрачивает калий. Даже невооруженным глазом можно заметить это необратимое изменение. Теряя калий, выветрелые полевые шпаты покрываются тонкой пленкой глинистых образований. Эта пленка постепенно утолщается, захватывает внутренние области кристаллов и, в конце концов, вместо прочного полевого шпата в породе остается лишь совершенно лишенная калия белая глина - каолин.

На первых порах соотношение калия и аргона в некоторых минералах сохраняется. Слюды, например, разрушаются последовательно, слой за слоем, и оба элемента покидают их кристаллическую решетку в количестве почти пропорциональном. И хотя аргон утрачивается слюдой все-таки немного быстрее, это не влияет существенно на результаты определения возраста. Но так обстоит дело только в начальной стадии выветривания. Пройдет время, и эти минералы тоже потеряют свою геохронологическую ценность.

Подземные грунтовые воды, насыщенные кальцием, высасывают калий из слюд и полевых шпатов. А еще глубже уже другие воды - выделяющиеся из магмы - вызывают замещение калия натрием.

В слюдах и полевых шпатах в результате геохимических процессов может изменяться также количество рубидия и стронция. Если рубидий займет в кристаллах слюды место калия (а это нередко происходит при стечении определенных условий), возраст породы неизбежно окажется заниженным. Стронций же при метаморфических преобразованиях, наоборот, переходит из слюды в окружающие ее минералы, в частности в полевые шпаты. Поэтому определение возраста метаморфических образований, сделанное по слюдам, "омолодит" исследуемую породу, а радиологические данные, полученные для полевых шпатов той же породы, напротив, "состарят" ее.

Правда, перемещения рубидия и стронция сравнительно невелики. Теоретически можно утверждать, что даже в небольшом куске породы, несмотря на все изменения, сохраняется первоначальное соотношение стронция-87 и рубидия-87. Казалось бы, следует анализировать не отдельные минералы, а их совокупность - валовую пробу породы.

Но выяснилось, что в валовых пробах обычно присутствует огромное количество обыкновенного - нерадиогенного - стронция, в десятки раз превышающее содержание радиогенного изотопа этого элемента. Дело сразу осложнилось. Если знать изотопный состав обычного стронция, можно было бы внести соответствующие поправки и все-таки выяснить истинный возраст породы. Но, к сожалению, радиологам изотопный состав стронция, как правило, не известен.

Свинцово-изотопный метод, по-видимому, имеет существенные преимущества перед аргоновым и стронциевым. Так, с его помощью возраст минералов может быть исчислен по четырем парам отношений:

Определение возраста минералов

Но тому моменту, когда образец попадает в геохронологическую лабораторию, предшествует длившаяся миллионы лет жизнь горной породы. За это время в ней происходит ряд радиоактивных превращений, что может сопровождаться миграцией как материнских и дочерних изотопов, так и любого из промежуточных радиоэлементов. Привнес или вынос хотя бы одного из них может существенно повлиять на результаты определения возраста.

Поэтому, для того чтобы быть уверенным в своих заключениях, геохронолог должен проверить совпадение результатов по всем четырем парам изотопов. Правда, такое совпадение бывает на практике нечасто. Но если одинаковые или близкие данные о возрасте получены по всем четырем изотопным отношениям, радиологическому заключению, по-видимому, можно верить.

Изотопные отношения имеют различную чувствительность к геохимическим процессам. Наиболее чутко отзывается на уменьшение количества свинца отношение его изотопов, обладающих атомной массой 206 и 207.

Свинец-206 мигрирует одновременно и в строгой пропорции со своим собратом, имеющим атомную массу 207. Поэтому для минералов, происходящих из докембрийских пород, для которых отношение этих изотопов определяется с наиболее высокой точностью, цифра, вычисленная по свинцу, является наиболее достоверным показателем возраста. Даже если минерал испытал утрату урана или тория, отношение свинец-207/свинец-206 сохраняет свою надежность.

Но при анализе образцов, возраст которых моложе 600 млн. лет, свинцовое отношение измеряется очень неточно, и поэтому приходится отдавать предпочтение другим изотопам. На первое место выступают пары

Анализ образцов, возраст которых моложе 600 млн. лет

Объяснить расхождение возрастной датировки бывает иногда трудно еще и потому, что изотопный состав свинца, привнесенного в породу, может оказаться различным. Что же касается потери свинца минералами, то здесь недостаточно ясны не только причины, но и сам ход химических процессов, которые могут протекать совершенно по-разному в зависимости от геологических условий и от того, насколько давно затронули породу геохимические изменения.

Пожалуй, наиболее просто установить возраст интрузивных пород. Они образовались в результате кристаллизации магматического расплава, и все их минералы родились, грубо говоря, одновременно. Если эти породы не претерпели за время своего существования каких-либо серьезных изменений (а выявить это, в общем, возможно), возраст их, определенный различными методами, будет приблизительно одинаков.

Но достаточно даже незначительных тепловых воздействий, проникновения магматических растворов или химического замещения в составе породы, как положение резко ухудшается. Аргон покидает кристаллическую решетку слюд и других содержащих калий минералов, меняется соотношение радиоактивных изотопов в акцессорных минералах. В результате породы целых районов оказываются значительно омоложенными по сравнению с их истинным возрастом.

Еще сложнее обстоит дело с породами, измененными нагревом и проникающими растворами. Здесь могут иметь место и привнес новых элементов, и уменьшение количества старых, и миграция составных частей породы. В подобных случаях радиологи пытаются определять возраст разных компонентов породы разными методами: акцессорных минералов - свинцово-изотопным, первичных амфиболов - аргоновым, реликтовых слюд - стронциевым. И хотя иногда результаты этих анализов расходятся, нередко все-таки удается прийти к более или менее определенному заключению.

Калий-аргоновый метод применим для датирования магматических, метаморфических, а в некоторых случаях и осадочных пород. Но поскольку этим методом возраст может определяться по результатам анализа только какого-либо одного минерала, использовать его для анализа валовых проб породы нельзя. Оценка абсолютного возраста может считаться заслуживающей доверия лишь при условии, что радиологические наблюдения по нескольким минералам совпадают. Поэтому чтобы получить надежные выводы, стараются, например, продублировать определения, сделанные по слюде, - результатами по калиевому шпату или амфиболу, а данные по амфиболу в свою очередь подтвердить анализами пироксена или плагиоклаза. Если же это невозможно (а такое случается, когда исследованию подлежат так называемые мономинеральные породы, например амфиболиты), надо проконтролировать полученные результаты другими радиологическими методами.

Но при всех условиях необходимо, чтобы анализируемая порода на протяжении своего существования не испытала ни потерь аргона или калия, ни обогащения этими элементами. Для докембрийских образований вероятность сохранения пород в первозданном состоянии ничтожно мала. Поэтому для древнейших отложений калий-аргоновый метод может применяться лишь в рекогносцировочных целях. Зато при датировании фанерозойских пород им можно пользоваться со значительной уверенностью.

Огромным преимуществом этого метода является его высокая производительность. Многие десятки тысяч анализов, характеризующих соотношение калия и аргона в горных породах, позволяют не только устанавливать возрастную принадлежность отдельных точек геологического разреза, но и создавать модели развития палеотектонических обстановок, магматизма и рудообразования.

Рубидий-стронциевый метод обычно используется для анализа валовых проб магматических и метаморфических пород. Возраст осадочных отложений этим методом не устанавливается. Как и при калий-аргоновом методе, надежность полученных результатов существенно зависит от того, в какой мере сохранила порода изначально присущее ей содержание рубидия и стронция. Но поскольку способность к миграциям у стронция значительно слабее, чем у аргона, этот метод может применяться при изучении не только фанерозойских, но и докембрийских образований.

Свинцово-изотопный метод наиболее пригоден для определения возраста пород, претерпевших длительные (и даже неоднократные) преобразования. Поэтому он особенно удобен при изучении докембрийских пород. С помощью именно этого метода был установлен архейский возраст метаморфических пород Станового хребта (более 3 млрд. лет) и Омодонского массива (3,4 млрд. лет), железистых кварцитов Чарского месторождения в регионе Байкало-Амурской магистрали (2,65 млрд. лет), гнейсов Енисейского кряжа (4,1 млрд. лет) и многих других древнейших образований.

Возможность представить надежное свидетельство достоверности определений сделала свинцово-изотопный метод одним из самых авторитетных в геохронологии. Неоднократно доводилось этому методу играть роль своеобразного арбитра при решении научных споров о возрасте древних отложений. В качестве примера можно привести известный случай, когда свинцово-изотопным методом было установлено время формирования гнейсов Камчатского массива -1300 млн. лет назад. Возраст этих пород по определениям калий-аргоновым методом считался равным 100-150 млн. лет, а по данным рубидий-стронциевого анализа - 487 млн. лет.

Но на пути широкого применения свинцового метода стоят три препятствия: сложность, трудоемкость и, что едва ли не самое главное, длительность подготовки материала к анализу. Удастся ли найти такие способы, которые помогли бы преодолеть эти объективные трудности?

Исходным материалом для определения геологического возраста служат многие минералы и горные породы из многих регионов земного шара. Но можно ли считать равноценными все полученные результаты? Среди радиологов нет единого мнения о том, какой минерал может наилучшим образом указать возраст земных слоев, сформировавшихся в той или иной обстановке.

Каждый геохронологический метод имеет свои ограничения. Сформулированы ли они полностью? Пока нет. Несмотря на значительные успехи, абсолютная геохронология все еще находится в стадии становления.

Получить истинные значения возраста можно лишь при условии, если экспериментально установленное отношение элементов не нарушалось в течение всего существования горной породы. Так бывает очень редко. Однако путем совместного применения различных геохронологических методов удается в значительной степени приблизиться к истинной датировке древних отложений.

Даже в тех случаях, когда аналитическое исследование бессильно указать время возникновения пород, оно позволяет установить возраст преобразований, под действием которых породы обрели свой нынешний облик. Выявить общие закономерности геохимического поведения элементов, которые могут служить индикаторами возраста, и объяснить причины, вызывающие "возрастные аномалии", - важнейшая задача геохронологии. Задача эта сложная, и решена она пока далеко не в полной мере. Но уже сделаны первые шаги к ее решению.