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 кристалло-химическими 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 докем-брийские 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, выветре-лые 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:

 

свинец-206свинец-207свинец-207свинец-208

уран-238 ' уран-235 ' свинец-206' торий-232'

 

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 сви-нец-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

 

свинец-206свинец-207свинец-208

уран-238 ' уран-235 ' торий-232'

 

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 привнос 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 обста-новок, 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 Омолонского 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.

СОВСЕМ НЕДАВНО