Маршия Бьорнеруд - Осознание времени. Прошлое и будущее Земли глазами геолога

Тем не менее в первые годы XX в. именно революция в физике обеспечила инструменты, которые позволили вывести заплутавшую геологию из викторианского лабиринта. Всего десятилетие спустя после случайного открытия Антуаном Анри Беккерелем в 1896 г. явления радиоактивности этот феномен уже был использован для определения возраста горных пород. К 1902 г. исследования Марии Кюри в Париже и Эрнеста Резерфорда в Кембридже показали, что радиоактивный распад является своего рода природным алхимическим процессом, в ходе которого некоторые элементы (например, уран) самопроизвольно испускают энергию и в результате превращаются в другие элементы (например, свинец) и это происходит с постоянной скоростью, пропорциональной оставшемуся количеству исходного элемента. Сейчас нам известно, что химические элементы, которые определяются количеством протонов в ядре, могут иметь разное количество нейтронов — такие разновидности элементов были названы изотопами — и что разные материнские изотопы могут испытывать разные виды распада с образованием разных дочерних изотопов других элементов. Но на заре XX в. структура атома еще не была известна: атомное ядро было открыто Резерфордом только в 1911 г., а изотопы — еще несколько лет спустя.

В 1903 г. Резерфорд доказал, что процесс радиоактивного распада следует экспоненциальному закону, и это сразу натолкнуло его на мысль, что данный процесс можно использовать как естественные часы для определения возраста урансодержащих пород. В 1908 г. (всего через год после смерти лорда Кельвина) одаренный 18-летний студент-физик лондонского Имперского колледжа Артур Холмс заинтересовался этой идеей и решил предпринять амбициозный проект по определению абсолютных геологических дат [11] Увлекательную, превосходно написанную биографию Артура Холмса вы найдете в книге: Cherry Lewis, 2000. The Dating Game: One Man's Search for the Age of the Earth . Cambridge: Cambridge University Press. . Холмс начал собирать образцы горных пород, содержащих определенные минералы, особенно циркон, которые, как было известно, при своей кристаллизации могли включать в кристаллическую решетку только атомы урана (U), но не свинца (Pb). Затем он измерял относительные концентрации урана и свинца в таком минерале и, используя закон радиоактивного распада Резерфорда, который количественно описывал зависимость радиоактивности от времени, рассчитывал время, прошедшее с момента кристаллизации минерала [12] Основное уравнение Резерфорда — Содди, математическое описание радиоактивного распада, имеет вид dP/dt = — λP, где P — число атомов материнского изотопа в любой данный момент времени, dP/dt — скорость распада, а λ — постоянная распада для данного изотопа. Отношение между периодом полураспада t 1 / 2 и постоянной распада равно t 1 / 2 = ln 2/λ или 0,693/λ. Примерно за 10 математических шагов из закона Резерфорда можно вывести уравнение — так называемое уравнение возраста, которое выражает возраст минерала (время, прошедшее с момента кристаллизации, t) как функцию соотношения дочерних/материнских изотопов D/P и постоянной распада λ. Оно имеет простой вид: t = 1/λ [ln (D/P +1)]. .

С математической точки зрения эти расчеты на удивление просты и требуют знания всего двух чисел: (1) соотношения дочернего и материнского элементов (Pb: U), которое растет вместе с увеличением возраста породы и не зависит от первоначального (неизвестного) количества исходного материала (табл. 2. 1) и (2) постоянной распада материнского элемента, которая, по существу, является вероятностью распада каждого отдельного атома за определенное время, что можно сравнить с шансами человека выиграть в лотерею в отдельно взятом году. Таким образом, постоянная распада измеряется в единицах времени t -1(или 1/t). Резерфорд вычислил постоянную распада урана на основе измерения количества радиоактивного излучения, испускаемого определенной массой урана за данный интервал времени. Постоянная распада также обратно пропорциональна более знакомой величине — периоду полураспада, т. е. времени, за которое половина материнского вещества распадается, превращаясь в дочернее вещество. Другими словами, низкое значение постоянной распада (низкая вероятность выигрыша в лотерее) означает длительный период полураспада (очень нескорый выигрыш), и, наоборот, высокое значение этой константы означает короткий полураспад (быстрое обогащение).

К 1911 г., несмотря на все еще недостаточное понимание явления радиоактивности и примитивное лабораторное оборудование, Артур Холмс определил абсолютный возраст полудюжины магматических пород, чьи взаимоотношения с осадочными слоями позволяли определить диапазоны их относительного возраста на геохронологической шкале, основанной на ископаемых остатках. Три образца пород относились к хорошо охарактеризованному окаменелостями палеозою и еще три — к хронологически темному, недифференцированному докембрию. Хотя на тот момент не было известно, что свинец образуется в результате распада не только урана, но и еще одного радиоактивного элемента — тория, вычисленные Холмсом даты были на удивление близки к современным оценкам (в пределах десятков миллионов лет).