Встречающийся в природе калий состоит из смеси трех изотопов: калия-39, -40 и -41. Радиоактивен только калий-40, на долю которого приходится чуть больше 0,0001 общего количества элемента.
При радиоактивном распаде калия выделению свободных электронов (бета-распаду) сопутствует обратный процесс - поглощение электронов атомным ядром:
40К+е - 40Аr + b.
Это явление, известное под названием электронного захвата, несколько усложняет общую картину. Поэтому, чтобы определить возраст аргоновым методом, необходимо не только вычислить наблюдаемое в минерале соотношение аргона-40 и калия-40, но и учесть интенсивность электронного захвата и бета-распада. Но и в этом случае сохраняется основная закономерность: чем древнее порода, тем больше в ней радиогенного аргона.
На территории СССР - в Сибири, на Кавказе, на Украине, в Средней Азии, на Дальнем Востоке и в Канаде были проведены определения геологического возраста аргоновым методом. Аргоновый метод (его называют также калий-аргоновым) занял одно из ведущих мест в геохронологических исследованиях. И чем шире внедрялся он в практику, тем отчетливее проявлялись его достоинства и недостатки.
Выяснилось, что многие минералы удерживают аргон очень плохо. Недолго сохраняется он в так называемых «неустойчивых частях» полевых шпатов. Значит, если мы будем иметь дело с гранитом, состоящим из кварца, полевого шпата и слюды, и определим абсолютный возраст этой породы по слюде, то полученная цифра окажется заведомо больше, чем количество лет, исчисленное по шпату. Во избежание подобного разнобоя необходима сложная предварительная обработка полевого шпата с помощью раствора азотнокислого таллия.
Не лучше обстоит дело и с другим минералом - сильвином, очень широко используемым при геохронологических определениях. Недавно стало известно, что при перекристаллизации горных пород, а также под действием давления аргон легко улетучивается из сильвина. Стало быть, на древних отложениях, которые на протяжении истории Земли могли неоднократно подвергаться нагреванию и сжатию, калий-аргоновый метод может «не сработать» или привести к серьезным ошибкам в определении.
Для устранения этого недостатка был разработан кальциевый метод. Радиогенный изотоп кальция (кальций-40) образуется в результате бета-распада калия-40:
40К + е - 40Ca + b.
Отношение количеств этих двух изотопов и принимается в качестве показателя возраста минералов (с поправками на скорость электронного захвата и бета-распада калия). Опыты, проведенные во Всесоюзном научно-исследовательском геологическом институте им. А. П. Карпинского, показали, что кальциевый метод может иногда с успехом применяться даже в том случае, когда порода, содержащая сильвин, испытала перекристаллизацию.
В последнее время геохронологическая датировка слюд и древних магматических и метаморфических пород нередко осуществляется с помощью рубидий-стронциевого метода. Он основан на превращении рубидия-87 в стронций-87:
87Rb - 87Sr + b.
Самостоятельных минералов рубидий не образует, но он настолько часто сопутствует калию, что большинство калиевых минералов можно считать пригодными для определения возраста этим методом. Необходимо лишь быть уверенным, что горная порода содержит стронций только радиогенного происхождения.
Существует еще один геохронологический метод, который использует превращение рения-187 в осмий-187. Правда, рений довольно редко встречается в земной коре. Но значительные его количества приурочены к минералу молибдениту, который часто находят в кварцевых жилах и кристаллических гранитоидных породах. Знать возраст этих пород чрезвычайно важно для выяснения многих вопросов рудо-образования.
ШКАЛА ГЕОЛОГИЧЕСКОГО ВОЗРАСТА
О небесных странниках и о том, что известно сегодня о возрасте Земли
Едва ли вызывает сомнение, что наша планета вне зависимости от условий рождения должна быть во всяком случае старше любых горных пород, входящих в состав ее наружной каменной оболочки. Если это так, то чтобы приблизиться к истинному значению абсолютного возраста Земли, необходимо прежде всего установить время образования наиболее древних пород, слагающих земную кору.
Такие породы обычно залегают на значительной глубине, скрываясь под мощным слоем более поздних наносов. Но есть несколько областей, где подобные древнейшие образования выходят на земную поверхность. Эти участки называются докембрийскими щитами. В Европе, например, известны два щита: Балтийский и Украинский. Балтийский расположен на территории Карелии, Финляндии и Скандинавии; Украинский - на юго-западе нашей страны, в бассейне рек, несущих воды в северную часть Черного моря. По крайней мере шесть щитов открыто в Азии: Анабарский, Алданский, Индийский, Аравийский, Северо-Китайский и Китайско-Вьетнамский. Имеются такие щиты и на других континентах.
Возраст древнейших образований пытались определять различными методами. Анализу были подвергнуты тысячи образцов горных пород из многих областей земного шара. Исследователи брали в качестве исходного материала разнообразные минералы, изучали содержание радиоактивных изотопов в десятках разновидностей пород. И результаты получались самые разные.
Собрав воедино все сведения, накопленные за несколько десятилетий, можно с достаточной уверенностью утверждать, что возраст древнейших пород литосферы превышает 3,7 млрд. лет и, по-видимому, может достигать 4 млрд. лет. Такие отложения были обнаружены в Антарктиде, Африке, Канаде, Гренландии и в нашей стране - на территории Украинского и Алданского щитов, Охотского массива и Енисейского кряжа. Но к тому времени, когда возникли эти породы, Земля уже наверняка существовала. Стало быть, образование планеты произошло не позже 4 млрд. лет назад.
В поисках материала, который позволил бы уточнить возраст Земли, обратились к ее космическим родственникам - метеоритам. Согласно одной из гипотез метеориты представляют собой остатки погибшей планеты, некогда располагавшейся где-то между орбитами Марса и Юпитера. Если допустить, что образование планет Солнечной системы произошло приблизительно в одно время, то, определив возраст метеоритов, можно было бы со значительно большей уверенностью говорить и о дате рождения Земли.
Различают метеориты железные и каменные. Железные метеориты состоят в основном из железа, никеля и кобальта; тяжелых радиоактивных элементов, таких как уран и торий, не содержат.
В состав каменных метеоритов входят различные минералы и силикатные породы. В этих метеоритах без труда обнаруживается присутствие различных радиоактивных компонентов: урана, калия, тория и рубидия.
Имеются также железокаменные метеориты, занимающие по составу как бы промежуточное положение между железными и каменными. Одни из них представляют собой железоникелевое вещество с многочисленными порами и каналами, заполненными стеклообразным силикатным минералом - оливином. Другие отличаются от типичных каменных метеоритов тем, что в них есть крупные вкрапления железа.
Возраст метеоритов был определен теми же способами, которые используются при изучении древних пород Земли. Свинцовый, калий-аргоновый, рубидий-стронциевый и рений-осмиевый методы контролировали и дополняли друг друга. И когда накопилось достаточное количество результатов, советские и американские исследователи, занимавшиеся изучением метеоритов, пришли независимо друг от друга к сходным выводам.
Солнечная система. Пояс астероидов отделяет планеты земной группы от планет группы Юпитера.
Оказалось, что половина всех изученных каменных метеоритов имеет возраст от 3,6 до 4,6 млрд. лет; остальные результаты составили ряд более молодых значений возраста. Это вполне объяснимо, если считать, что каменные небесные пришельцы являются обломками литосферы погибшей планеты.
Железные метеориты в среднем значительно древнее каменных. Так и должно быть, если они представляют вещество внутренних оболочек былого небесного тела. Обычные значения их возраста, скорректированные по данным различных геохронологических методов, расположились в интервале между 4 и 5 млрд. лет.
Конечно, возраст метеоритов не является непосредственным свидетельством времени образования Земли. Но, во всяком случае, геохронологи могли теперь утверждать, что продолжительность существования Солнечной системы составляет около 5 млрд. лет. Дополнительную информацию принесло изучение пород, взятых с поверхности Луны. Минимум 4,4 млрд. лет - таким оказался возраст лунного грунта.
Можно предполагать, что планеты Солнечной системы и их спутники возникли почти одновременно. Но для того чтобы превратиться в горную породу, вещество должно было пройти значительный путь эволюционного развития. Значит, Земля, родившаяся из первичного космического вещества, еще старше.
