30.03.2012

Ученые пересмотрели главный метод датировки в геологии

Методов радиоизотопного датирования существует совсем немного. Еще меньше этих методов позволяют определять возраст объектов в миллионы и миллиарды лет. Одним из самых популярных является уран-свинцовый метод, который примечателен тем, что в 1953 году Клэр Кэмерон Паттерсон, геолог из Чикагского университета, с его помощью впервые достаточно точно определил возраст Земли. Тем удивительнее стала новость о том, что геологи предложили поправить этот метод - изменение, которое повлечет передатировку большинства крупных геологических событий.

Кристалл циркона. Фото с сайта минералы.рф

Немного истории

Радиометрические методы, несмотря на существенные различия, базируются на одной достаточно простой идее. Имеется некоторый образец. Нам известно содержание двух изотопов некоторых элементов - одного стабильного и одного не очень. Мы знаем, что стабильный получается из нестабильного в результате распада (или серии распадов) и даже знаем с высокой точностью время, которое занимает этот процесс. В самом первом, "наивном", приближении предполагается, что, начиная с некоторого момента, ядерные процессы внутри образца идут вне зависимости от окружающей среды.

Закон ядерного распада, открытый Фредериком Содди и Эрнестом Резерфордом, утверждает, что интенсивность распада пропорциональна количеству атомов того или иного элемента. Взяв отношения начального количества атомов данного элемента к оставшимся и прологарифмировав обе части равенства, мы получаем довольно простую формулу, которая задает зависимость времени от количества атомов.

В эту формулу входят три параметра, два из которых определяются довольно точно - это период полураспада элемента и количество атомов (это вычисляется преимущественно спектрометрией). Третий же параметр - количество изотопа на момент консервации образца - необходимо определить независимыми методами. Например, при радиоуглеродном датировании органики (там, кстати, момент консервации - это момент смерти организма) для определения первоначального количества углерода ¹⁴C используют, среди прочего, дендрохронологическую шкалу, то есть определяют содержание этого вещества в атмосфере по образцам древесины известного возраста.

Метод уран-свинцового датирования, начавший активно развиваться в конце 50-х годов прошлого века, является одним из самых авторитетных на настоящий момент. Его используют преимущественно для датировки пород. В качестве образцов выступают кристаллы циркона - минерала ZrSiO₄. Основой этого метода служит превращение урана после серии альфа- и бета-распадов в свинец.

У этого метода есть несколько очень важных плюсов по сравнению с конкурентами. Во-первых, на момент образования минерала он с большой вероятностью не содержал свинца вообще - это связано с тем, что уран встраивается в кристаллическую решетку минерала, замещая атомы циркония, а свинец для этого не подходит. Это означает, что снимается вопрос определения, какие из атомов свинца образовались в результате распада урана, а какие были в образце изначально. Ничего подобного, например, для радиоуглеродного метода нет.

Вторым важным плюсом является наличие сразу двух радиоизотопных "часов" внутри образцов, связанных с ураном-238 и ураном-235. Эти элементы превращаются в разные изотопы свинца - 207 и 206 соответственно. Это является преимуществом вот почему: как уже говорилось выше, в теории, образец взаимодействовать с окружающей средой не должен. В действительности, однако, он взаимодействует и, как следствие, изотопы, получающиеся в результате распада, могут покидать образцы. Подобные утечки сказываются на часах по-разному, поэтому сравнение полученных датировок позволяет найти эти ошибки и достаточно часто устранить их - фактически, эти два процесса корректируют друг друга.

Метод уран-свинцового датирования используется очень широко. Например, с его помощью в 1953 году геолог из Чикагского университета Клэр Кэмерон Паттерсон сумел вычислить возраст Земли - он оказался равным 4,55 миллиарда лет. Примечательно, что со времени появления этой цифры прошло почти 60 лет, а единственное, что изменилось - геологи снизили погрешность в измерении с 70 до 20 миллионов лет. Это стало одним из ключевых достижений науки XX века.

Из последних достижений можно отметить статью, опубликованную в Science в ноябре 2011 года. Тогда международная группа ученых смогла построить наиболее полную датировку массового пермского вымирания - катастрофического события в истории планеты, когда погибло более 90 процентов видов живых организмов. В работе исследователи установили, что вымирание произошло 252,28 миллиона лет назад. Все погибшие виды вымирали одновременно в море и на суше, причем весь процесс занял около 200 тысяч лет (а мог, по словам ученых, уложиться и в 100 тысяч). Как следствие, ученые заключили, что причиной вымирания были так называемые сибирские траппы. Они возникают в результате особого вида магматизма и приводят к излиянию большого количества магмы на поверхность через трещины в земной коре без образования вулканов.

Новые результаты

Что же сделали ученые из США и Великобритании под руководством Джона Хайса в новой работе, опубликованной в Science? Они обратили внимание на то, что при сравнении работы двух изотопных часов внутри образца геологи используют соотношение изотопов урана ²³⁸U и ²³⁵U, которое считается постоянным и равным 137,88. При этом оказалось, что систематических исследований на эту тему не проводилось, а само число является результатом консенсуса между разными группами геологов.

Уран-238. Фото Greenhorn1

В рамках работы ученые проанализировали содержание изотопов урана в 58 образцах циркона, собранных в разных регионах планеты. В результате они установили, что оно не является постоянным и лежит в пределах от 137,743 до 138,490. Как следствие, исследователи предлагают пересмотреть фундаментальное соотношение в пользу его небольшого уменьшения - они предлагают принять его равным 137,818 с погрешностью 0,045.

Новое предложение было принято многими специалистами положительно. Например, геохронолог из Калифорнийского университета Джеймс Мэттинсон заявил Nature News: "Люди, работающие в этой области, найдут много интересного в новой работе". Он также добавил, что результаты исследователей будут полезны для калибровки результатов различных измерений.

Сами ученые говорят, что из-за вносимой поправки возраст отдельных образцов может измениться на сотни тысяч, а иногда и миллионы лет. Это, в теории, приведет к пересмотру деталей существующей ныне геохронологической шкалы событий. Единственное, о чем ученые говорят с уверенностью - возраст Земли пересмотрен не будет. Это связано с тем, что данные по нему были подтверждены независимыми исследованиями.

Примечательно, что одновременно с работой Хайса появились данные о том, что другой радиометрический метод может потребовать пересмотра. Майкл Пол из Еврейского университета в Иерусалиме выяснил, что период полураспада самария-146, используемого в датировке по самарию-неодиму, может оказаться на 30 процентов короче, чем считалось до сих пор - "всего" 68 миллионов лет.

Все эти результаты показывают, что многие фундаментальные результаты в геологии могут потребовать пересмотра. Не кардинального, но все-таки довольно ощутимого. Это, в свою очередь, принесет науке множество новых результатов.

Андрей Коняев

Источники:

1. Lenta.Ru