Радиоактивность и шкала геологического времени

 

Анри Беккерель открыл явление радиоактивности в 1896 г., однако значение этого явления для геологии не было осознано до 1903 г., когда Пьер Кюри и его ассистент обнаружили, что соли радия постоянно выделяют тепло. Незадолго до этого Резерфорд и Содди, работавшие в университете Мак-Гилл в Монреале, обнаружили, что излучение альфа-частиц из любого известного радиоактивного вещества сопровождается выделением огромной энергии. Резерфорд быстро занял лидирующее положение в новой области исследований и к 1904 г. убедился, что в атомах всех радиоактивных элементов, а может быть, и во всех вообще атомах заключено огромное количество скрытой энергии. Весной того же года он был приглашен прочитать лекцию в Королевском институте в Лондоне. Он так рассказывает о своих впечатлениях:

 

«Я вошел в полуосвещенную комнату, но сразу же среди публики заметил лорда Кельвина и понял, что меня ждут неприятности с последней частью моего выступления, где речь пойдет о возрасте Земли, так как мои взгляды резко расходились с его мнением. К моему облегчению, Кельвин вскоре погрузился в сон, но как только я подошел к важному пункту, то увидел, как этот стреляный воробей встрепенулся, приоткрыл один глаз и бросил на меня мрачный взгляд! Тут на меня снизошло неожиданное вдохновение, и я заявил, что лорд Кельвин ограничивал возраст Земли лишь при условии, что не будет открыто новых источников тепла. Это пророческое изречение относится к тому, о чем мы говорим сегодняшним вечером, т. е. к радию! Смотрю, этот старикан взирает на меня с сияющей улыбкой»⁴⁵.

 

В своей лекции Резерфорд развивал мысль, что Землю нельзя больше рассматривать как остывающее тело потому, что при распаде содержащихся в ней радиоактивных элементов освобождается огромное количество энергии. Надлежащим образом было отмечено значение вытекающих отсюда следствий для геологии и биологии, в том числе возможность увеличения времени для эволюции.

Вскоре после лекции Резерфорда Кельвин опубликовал заметку, в которой опровергалась идея о том, что радий мог служить постоянным источником тепла; вместо этого предлагалось искать внешние источники энергии. Если верить биографу Резерфорда⁴⁶, несколько позже, но в том же году на собрании Британской ассоциации Кельвин публично отказался от этого высказывания. Подобные данные приводятся также в комментариях Томсона; в беседе с ним Кельвин, вероятно, признался, что открытие радия сделало некоторые из его выводов несостоятельными⁴⁷.

Тем не менее фактически Кельвин никогда не отрекался от своих идей: последние публикации показывают неизменность его позиции. Новые данные Резерфорда в них игнорировались, и гравитация по-прежнему рассматривалась как единственно возможный источник энергии. Однако к середине десятилетия большинство физиков согласились, по-видимому, с мыслью, что солнечное тепло каким-то образом связано с радиоактивностью.

В то время как Резерфорд и Содди вели свои исследования в различных областях, Р. Стратт сосредоточил свое внимание на изучении радиоактивности земной коры. Выполненные им анализы изверженных пород показали, что концентрация радиоактивных элементов в них в 50—60 раз превышает среднюю концентрацию, необходимую для поддержания температуры Земли в целом. Такой аномальный результат можно было, вероятно, объяснить только тем, что радиоактивные элементы сосредоточены в земной коре. Это открытие нанесло решающий удар кельвиновскому чисто механическому объяснению земной тепла.

В 1904 г. у Резерфорда родилась плодотворная идея, что гелий, захваченный радиоактивными минералами, может служить средством определения геологического возраста. В следующем году Болтвуд сделал открытие, что свинец неизменно ассоциируется с урановыми рудами, и это натолкнуло его на мысль, что свинец является стабильным конечным продуктом распада урана; в 1906 г. он убедился в своем предположении окончательно и в полной мере оценил значение этого открытия для определения возраста⁴⁸.

Метод определения возраста заключался в подсчете конечного продукта радиоактивного распада и времени, необходимого для образования единичного количества этого продукта за счет распада исходного, материнского элемента. Для исследуемого минерала необходимо было найти отношение конечного, новообразованного продукта к исходному элементу. На этой ранней стадии исследования подходящий материал имелся в крайне ограниченном количестве, к тому же точно не были известны ни конечные продукты, ни скорость распада. Кроме того, весьма трудоемкой была и экспериментальная часть работы.

Несмотря на то что к 1907 г. Болтвуд установил для большого количества образцов хорошую устойчивую корреляцию между отношением уран/свинец и геологическим возрастом в диапазоне 410—2200 млн. лет⁴⁹, он не стал продолжать исследований в этом направлении. Теперь уже Стратт, недавно назначенный заведующим кафедрой физики Импириал-колледжа в Лондоне, оказался главным лицом в развитии методов радиометрического датирования. С 1908 по 1910 г. он, используя гелиевый метод, вычислил возраст большого числа минералов и сопоставил результаты со стратиграфическим положением образцов⁵⁰.

В 1911 г. ученик Стратта Артур Холмс (1890—1965) возродил уран-свинцовый метод, впервые предложенный Болтвудом⁵¹. Впоследствии он ради геологии бросил физику; именно с его именем, больше чем с каким-либо другим, связаны развитие и ревизия шкалы геологического времени на протяжении нескольких следующих десятилетий.

Первый полный обзор различных методов определения геологического возраста был опубликован Холмсом в 1913 г.⁵² Он отметил, что как геологам, так и физикам для подсчета времени приходилось допускать неизменность скорости процессов. Из-за различия полученных результатов следует предположить, что обе группы не могут быть одновременно правы. Постоянство скорости распада короткоживущих радиоактивных элементов неоднократно подтверждалось экспериментально, и нет никаких оснований считать, что долгоживущие элементы сколько-нибудь отличаются от них в этом отношении. С другой стороны, однообразие геологических процессов опытным путем не могло быть подтверждено. Более того, надежные данные позволяют думать, что процессы эрозии и осадконакопления в настоящее время отличаются бóльшим размахом, чем происходившие в прошлом.

Но действительно сильное воздействие на геологические круги оказал блестящий синтез йельского геолога Джозефа Баррела (1869—1919), появившийся четырьмя годами позже. Публикация его статьи, озаглавленной «Ритмы и измерение геологического времени»⁵³, стала переломным моментом. До нее и, конечно, до выхода из печати книги Холмса многие геологи, и не без оснований, относились скептически к новому методу определения возраста — методу радиометрического датирования, особенно когда результаты определений гелиевым и свинцовым методами не совпадали. Баррел убедительно выразил это следующими словами:

 

«Столкнувшись с одной неудачей физических методов, несмотря на их, казалось бы, строго математический характер, со стороны геологов было бы, конечно, неразумно безоговорочно доверять новым методам измерения времени, основанным на радиоактивности. Здесь также могут существовать еще не известные и даже не подозреваемые нами факторы, которые исказят результаты»⁵⁴.

 

После появления статьи Баррела практически единственным из известных геологов, кто резко продолжал выступать против радиометрического датирования, был Джоли, хотя и он полностью оценил значение радиоактивности для термальной истории Земли. Он продолжал искать пути для примирения геологических фактов с данными Кельвина, и, аналогично последнему, ни разу публично не объявил об изменении своих взглядов.

Баррел подчеркивал, что доктрина униформизма упустила из виду роль ритмов в природе: но и эрозия, и осадконакопление являются пульсирующими процессами. Осадконакопление зависит от изменения базиса эрозии. Скорость осадконакопления в большей степени определяется скоростью прерывистого опускания поверхности, из которой отлагаются осадки, нежели скоростью поступления материала. Такое опускание должно предшествовать осадконакоплению, хотя под грузом осадочного материала оно еще больше усиливается. Отложение осадков — это в общем случае не непрерывный равномерный процесс; в нем имеются многочисленные мелкие перерывы, которые Баррел назвал диастемами.

Из-за высокого стояния материков в настоящее время и мощных современных орогенических движений скорость денудации и, следовательно, осадконакопления сейчас намного выше их средней скорости за геологическую историю в целом. Из этих соображений следует, что большинством геологов очень сильно недооценивается временная значимость осадочных слоев. Баррел считал, что, руководствуясь одними только геологическими данными, 250 млн. лет следовало бы считать приемлемой оценкой для времени, прошедшего с начала кембрия. Радиометрические данные показывали, что эта цифра должна быть увеличена еще в два раза.

Возрастная шкала Баррела, как и ее более детализированный вариант, предложенный через несколько лет Холмсом, во-первых, основана на принципе, провозглашенном задолго до этого Хотоном: «Истинным критерием относительной длительности геологических периодов является максимальная мощность слоев, образовавшихся в течение этих периодов». Во-вторых, необходимо точно определять абсолютный возраст минералов, относительный возраст которых известен из их статиграфического положения. Так, для определения возраста по свинцовому методу, применяемому и Баррелом, и Холмсом, брались пегматиты с урановой смолкой, которые прорывают верхнесилурийские отложения и сами с несогласием перекрыты нижним девоном. В этом случае возраст, полученный по отношению урана к свинцу, должен приблизительно соответствовать абсолютному возрасту конца силура.

Со временем число надежных определений возраста неизменно росло, как росло и разнообразие изотопов, которые использовались для радиометрического датирования и могли, следовательно, служить средством взаимного контроля. Улучшалось качество приборов и соответственно увеличивалась точность определений; параллельно — на базе данных радиометрического датирования — происходило уточнение взаимоотношений геологических подразделений, и в то же время по всему миру накапливалась важная новая информация о мощности отложений. Несмотря на все это, фанерозойская геохронологическая шкала в сущности не претерпела коренной ревизии в течение 50 лет, как это видно из табл. 1. А ведь в последние годы прошлого и в начале текущего столетий существовал заметный разнобой в цифрах, полученных геологами, пытавшимися определить возраст. Так, в интервале 1885—1902-х годов для начала кембрия приводили цифры 3, 18, 28, 600, 794 и даже 2400 млн. лет! Это лишний раз подчеркивает исключительную ценность как работ самого Баррела, так и методов радиометрического датирования в целом!

В 1931 г. в Вашингтоне состоялось заседание Национального совета научных исследований, имевшее большое значение для проблемы возраста Земли. Самую большую и важную часть доклада⁵⁹ Холмс закончил словами: «Следовательно, в настоящее время ничего нельзя сказать более определенного, чем то, что возраст Земли превышает 1460 млн. лет, вероятно, не меньше 1600 млн. лет и, скорее всего, много меньше 3000 млн. лет». Теперь, через полвека, принято считать, что Земле примерно 4500 млн. лет, хотя возраст самых древних обнаруженных пока пород несколько меньше 3800 млн. лет. Дальнейшие изменения, конечно, возможны, но они едва ли будут значительными. Возраст Земли не является уже предметом горячих споров.

 

 

Эпилог к дискуссии