14С, однако я буду использовать более длинное, но более удобное для чтения название углерод-14).
Чаще всего методы радиоизотопного датирования, применяемые для горных пород, задействуют изотопы относительно распространенных и известных элементов, например, калия и урана, однако используются также и некоторые более экзотические элементы — например, рубидий, рений и самарий. У каждого из методов есть свои достоинства и недостатки, и выбор самого полезного метода диктуется обстоятельствами — например, геологическими условиями нахождения образца. Самый частый метод для древних пород, с которым мы будем регулярно сталкиваться в этой книге, основан на цепочках распада урана, заканчивающихся изотопами свинца. Одна из причин распространенности уран-свинцового метода датирования — тот факт, что во многих горных породах содержится минерал циркон, который одновременно и достаточно богат ураном, и стоек к изменениям, к тому же его легко извлечь для анализа.
Как можно догадаться по названию, циркон содержит цирконий, а из его химической формулы ZrSiO4 видно, что другими его основными компонентами являются кремний и кислород. Уран присутствует только в следовых количествах, но его концентрация все же гораздо выше, чем в большинстве других минералов, потому что атомы урана легко занимают место циркония в структуре этого вещества. Циркон — твердый и плотный минерал, обычно красноватого цвета; его мелкие зерна повсеместно встречаются в магматических породах. Более редкие крупные кристаллы иногда продают в качестве полудрагоценных камней, однако для геологов настоящая ценность циркона заключается в пользе для датирования. Он настолько устойчив к изменениям, что даже в тех случаях, когда горные породы погружаются вглубь Земли, нагреваются и подвергаются метаморфизму, кристаллы циркона нередко остаются целыми, сохраняя при этом возраст исходной породы. Когда на поверхности планеты породы наподобие гранитов подвергаются выветриванию, многие содержащиеся в них минералы растворяются или превращаются в глину, однако кристаллы циркона выживают. Поэтому песок на пляже неизменно содержит зерна этого минерала.
Наряду с уран-свинцовым методом мы встретимся с другим широко применяемым способом радиоизотопного датирования, который использует распад калия до одного из изотопов аргона. Минерала, который был бы эквивалентен циркону, у калия нет, однако это относительно распространенный на планете элемент, и для датирования можно использовать многие обычные минералы — например, некоторые разновидности слюды и полевого шпата. По различным техническим причинам метод калий-аргонового датирования полезен для более молодых частей геологической летописи.
С помощью уран-свинцового и калий-аргонового методов было получено большинство дат на современной геологической шкале. В тех случаях, когда были доступны подходящие образцы, оба метода применяли одновременно: перекрестная проверка независимыми методами гарантирует точность результатов. Однако нужно как-то справиться с проблемой, касающейся показанных на рисунке 1 возрастов: существуют значительные трудности при применении уран-свинцового и калий-аргонового методов к осадочным породам, но — как мы видели ранее — основой для геохронологической шкалы являются окаменелости, а их находят как раз в осадочных породах. Как же тогда получили соответствующий возраст?
Решение становится яснее, если мы рассмотрим образование осадочных пород. Многие минеральные зерна, из которых они состоят, некогда были частью других пород на материках; но из-за эрозии они покинули родительские породы, попали в море, а затем осели на дно. Поэтому датирование этих минералов позволит определить возраст материнских пород, а не самих осадочных пород. Кроме того, минералы в осадочных породах, которые осаждаются непосредственно из морской воды (и поэтому подходят для определения их возраста) не содержат того количества урана, калия или других радиоактивных изотопов, которое нужно, чтобы достоверно определить возраст. В эту категорию попадает карбонат кальция — широко распространенный компонент океанических отложений. Это один из случаев, когда мать-природа оказалась не особенно благосклонна к геологам.
Очевидно, что с проблемой как-то удалось справиться: ведь точные радиометрические данные существуют для множества осадочных пород. Каким же образом? Дело в том, что Земля — очень активная планета с вулканами, которые почти непрерывно извергают вулканический пепел. Именно это происходило в начале 2010 года, когда облако пепла от вулкана Эйяфьядлайёкюдль в Исландии закрыло воздушное сообщение в Европе. Извержение Эйяфьядлайёкюдля по мировым стандартам было слабым, однако оно показало, как пепел от вулкана может разлететься по целому региону. В результате самых крупных извержений пепел распространяется по всему миру, а когда оседает на морское дно, то образует легко опознаваемые слои. Такие слои пепла — маркеры почти мгновенных (с геологической точки зрения) событий, а поэтому они оказываются идеальными кандидатами на датирование. К счастью, они часто содержат кристаллы циркона или минералы, пригодные для использования калий-аргонового метода.
Слои вулканического пепла настолько многочисленны, что сегодня являются самым важным материалом для датирования осадочных пород. Самые мощные вулканы, которые дают больше всего пепла, появляются в основном на окраинах океанских бассейнов в результате тектонических процессов. Вспомните вулканы Индонезии или Анд. Даже если отдельные вулканы извергаются лишь время от времени, накапливающиеся в соответствующих регионах осадки пронизаны слоями пепла. Если важно знать возраст конкретного уровня в толще осадков (например, уровня, который означает какую-то геологическую границу), а подходящего слоя пепла в идеально подходящем положении нет, обычно можно провести интерполяцию между близко расположенными слоями.
В качестве примера можно привести последовательность пластов известняка в южном Китае, которая проходит через границу между пермским и триасовым периодом. Окаменелости показывают, что эта граница, которая одновременно разделяет палеозойскую и мезозойскую эру (рисунок 1), отмечает самое массовое вымирание в истории Земли, когда внезапно исчезло более 90 % видов, живших в океанах. Точная датировка такого события крайне важна, однако известняки нельзя датировать напрямую. К счастью, они расположены в районе с высокой вулканической активностью и содержат многочисленные слои пепла. В 1990-х годах группа геохронологов из Массачусетского технологического института (MIT) взяла образцы пепла выше и ниже нужной границы, тщательно выбрала содержащиеся в них кристаллики циркона и измерила возраст циркона с помощью уран-свинцового метода. Результаты показаны на рисунке 2 и говорят о том, что фрагмент отложений толщиной в несколько метров, перекрывающий границу, образовался всего лишь за два миллиона лет. Даты слоев пепла также позволяют точно определить возраст границы — 251,4 миллиона лет. Возможно, не менее важно и то, что с помощью датирования близко расположенных слоев пепла исследователи смогли сделать вывод, что это массовое вымирание происходило в течение короткого промежутка времени — менее миллиона лет.
Я еще ничего не сказал о докембрийской части временной шкалы. Радиоизотопное датирование раскрыло ее истинные масштабы: ученые, создававшие ранние версии шкалы времени по окаменелостям, поразились бы, узнав, что эта часть составляет более 85 % истории планеты. Из-за отсутствия окаменелостей породы докембрия можно поместить в шкалу только с помощью прямого радиоизотопного датирования. На рисунке 1 показано всего несколько основных подразделов этой части шкалы — катархей, архей и протерозой. Границы между этими подразделами частично произвольны, а частично основаны на признанных событиях, которые повлияли на Землю в глобальном масштабе. Несмотря на древность докембрийских пород, они представляют целый гобелен с обширными и временами удивительными сведениями, и в последующих главах мы это увидим. Они показывают мир, который на протяжении миллиардов лет отличался от мира, который известен нам сегодня.
Рисунок 2. Осадочные слои на пермско-триасовой (П-Т) границе в южном Китае. Преобладающий тип горных пород здесь — известняк; слои пепла показаны серыми полосками. Возраст слоев пепла, основанный на уран-свинцовом методе датирования кристаллов циркона, указан в миллионах лет. Слой пепла, расположенный непосредственно ниже официальной П-Т границы, дает ее возраст. Показано расположение пермских (p) и триасовых (t) окаменелостей. Обратите внимание, что непосредственно над П-Т границей есть небольшой интервал со смешанными окаменелостями. Это обычная особенность осадочных пород: роющие организмы и течения перемешивают отложения. Показанная колонка представляет чуть более 18 метров слоев пород. (На основе данных Bowring et al. 1998).
Это краткое введение призвано дать обзор того, каким образом геологи используют различные виды информации, хранящейся в горных породах, чтобы расшифровать события из прошлого нашей планеты и определить их хронологию. Эта работа продолжается, и новые открытия постоянно меняют различные аспекты истории. В последнее время акцент делается на изучении времен и событий в прошлом, которые имеют отношение к тому, что может происходить в будущем. Это особенно важно для понимания проблем, которые повлияют на ближайшее будущее человеческого общества — например, глобального потепления. Но прежде чем обратиться к таким проблемам, в следующей главе мы вернемся в самое начало — на 4,5 миллиарда лет назад — чтобы изучить происхождение планеты и самые первые дни её жизни. На Земле не осталось пород тех времен: их разрушили геологические процессы. Однако у нас есть камни из космоса. Как и земным камням, им есть что рассказать.