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.

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.

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