Определение абсолютного возраста горных пород

Наиболее распространенный стратиграфический метод основан на принципе перекрывания одних слоев и пачек осадочных пород другими. В связи с развитием органического мира в различных осадках встречаются остатки различных представителей растительного и животного царства, отражающие их эволюцию. На основании этих двух фактов была выработана стратиграфическая шкала, самой крупной единицей которой является эра. Всего выделяется пять эр:

а) археозойская, или архейская (от древнегреческих слов: «архе», начало и «зое», жизнь) – эра начала жизни;

б) протерозойская (от «протерос», первый) – эра первичной жизни;

в) палеозойская (от «паляйос», древний) – эра древней жизни;

г) мезозойская (от «мезос», средний) – эра средней жизни;

д) кайнозойская (от «кайнос», новый) – эра новой жизни.

В свою очередь эры разделены на периоды, а периоды – на эпохи.

Стратиграфическая шкала является относительной: она указывает лишь на последовательность образования горных пород и развитие органического мира. Стратиграфическая шкала наиболее близка к реальной жизни только для наиболее поздних геологических явлений. К таковым относятся ледниковые отложения Северной Европы. Изучение озерных осадков (ленточных глин), позволило довольно точно установить возраст оледенения. Чередование тонких прослоев глинистых и песчаных частиц соответствует зимнему и летнему периодам. Таким образом, подсчитано, что Валдайское оледенение на северо-западе России началось около 90 тыс. лет тому назад. Однако по мере изучения все более древних осадочных отложений такой способ становится все менее и менее совершенным в силу большой измененности первичных осадков.

Также несовершенны и другие приемы оценки геологического времени, в частности по количеству глинистых и песчаных частиц, приносимых реками в океан, и сопоставлению этих величин с общей мощностью осадочных пород.

Точное установление возраста геологических формаций стало возможным только после открытия радиоактивности. Изучение радиоактивных веществ показало, что на скорость радиоактивного распада не влияют ни температура, ни давление, ни электрические и магнитные поля, ни, наконец, действие химических реагентов. Поэтому, зная количество накопившихся продуктов распада радиоактивного вещества и период полураспада их, можно вычислить время, за которое эти продукты распада образовались, т. е. вычислить абсолютное время существования радиоактивного вещества (минерала).

Зная количество продуктов радиоактивного распада, количество нераспавшихся атомов и константу распада, можно вычислить абсолютный возраст образования данного изотопа. Для этого нужно, чтобы конечные продукты распада не покидали радиоактивного вещества и были учтены полностью. Кристаллическая структура минералов является приближенно закрытой системой и продукты распада практически не покидают ее. Чем больше в минерале находится продуктов распада, тем древнее этот минерал.

Поскольку периоды полураспада для изотопов урана, тория и калия очень велики, то продукты радиоактивного распада этих элементов не могут в достаточном количестве (для их точного учета) накопиться за короткий промежуток времени. Поэтому определения возраста по радиоактивным изотопам урана, тория и калия затруднены для молодых геологических образований и практически показывают уверенные значения, начиная с мезозоя.

Для определения абсолютного возраста нужно следить, чтобы образцы пород не были выветрелыми, разрушенными или подвержены механическим деформациям; минералы не должны содержать включений других минералов. Все это нужно для того, чтобы получить материал, не потерявший продуктов радиоактивного распада. Наиболее желателен отбор минералов, имеющих кристаллическую форму, ибо в этом случае мы можем быть наиболее уверенными в сохранности продуктов радиоактивного распада.

В настоящее время для определения абсолютного возраста используют следующие методы определения абсолютного возраста: урано-свинцовый (свинцовый), гелиевый, калий-аргоновый (аргоновый), калий-кальциевый, рубидиево-стронциевый и т. д.

Урано-свинцовый метод. Для определения абсо­лютного возраста урано-свинцовым методом нужно знать весовые количества урана, тория и свинца в минерале, а также изотопный состав свинца. Определение изотопного состава свинца, как, впрочем, и других элементов, производится на специальных приборах – масс-спектрометрах. Природный свинец состоит из четырех изотопов: ²⁰⁴РЬ, ²⁰⁶РЬ, ²⁰⁷РЬ и ²⁰⁸РЬ; три последних обязаны своим происхождением радиоактивному распаду урана и тория, а ²⁰⁴РЬ является нерадиогенным, количество его в геологической истории Земли постоянно.

Зная весовое количество урана в минерале, определяемое химически, мы, тем самым, знаем, сколько у нас изотопов ²³⁸U и ²³⁵U, ибо содержание в природном уране в настоящее время всегда равно 0,714 %.

Для определения возраста урано-свинцовым методом могут быть использованы следующие минералы: уранинит, монацит, ортит, циркон, пирохлор, эшинит, ксенотим, самарскит и др. Для приближенного определения возраста можно использовать отношение ²⁰⁷РЬ/²⁰⁶РЬ, извлекая свинец из таких минералов, как полевые шпаты.

Калий-аргоновый метод основан на ядерном превращении ⁴⁰К в ⁴⁰Аг и ⁴⁰Са. Природный калий состоит из изотопов: ³⁹К – 93,08 %, ⁴⁰К – 0,0119 % и⁴¹К – 6,91 %. Из них только ⁴⁰К является разноактивным изотопом, большая часть его (88 %) превращается в ⁴⁰Са и около 12 % – в ⁴⁰Аг. Отсюда и возникли калий-кальциевый и калий-аргоновый методы. Калий-аргоновый метод в настоящее время весьма широко распространен. Аргон выделяют из образца на специальных установках прокаливанием при температуре 1200…1400 °С в вакууме. Возраст минерала определяется по отношению ⁴⁰Аг/⁴⁰К. Калий определяется химически дипикриламинатным или тетрафенилборатным методами, а чаще методом фотометрии пламени.

Для определения возраста породы калий-аргоновым методом используют калийсодержащие минералы: мусковит, биотит, глауконит, сильвин, амфиболы. В некоторых случаях, когда трудно выделить отдельные минералы, определяют возраст породы в целом (например, глинистый сланец).

Рубидиево-стронциевый метод дает более надежные результаты, чем калий-аргоновый. Для определения возраста по рубидиево-стронциевому методу могут быть использованы минералы калия, рубидий.

Как уже отмечалось, урано-свинцовый и калий-аргоновый, а также рубидиево-стронциевый методы мало удобны для установления возраста новейших геологических образований.

Для определения наиболее молодых геологических образований применяется радиоуглеродный метод, сущность которого состоит в следующем. В верхних слоях атмо­сферы под действием корпускулярного излучения Солнца на ¹⁴N образуется ¹⁴С. Период полураспада ¹⁴С равен примерно 5500 лет. Через этот промежуток времени количество ¹⁴С распадается наполовину, снова образуя ¹⁴N. Радиоактивный углерод ¹⁴С примешивается в атмосфере к обычному углероду и попадает во все объекты природы (организмы животных, растения, горные породы).

Пока организмы живы, содержание ¹⁴С в них постоянно, благодаря постоянному обмену с окружающей средой. Однако после их смерти обмен со средой прекращается и содержание ¹⁴С начинает уменьшаться. Замеряя количество ¹⁴С, можно определить возраст растительных остатков, прошедший со времени их смерти. Материалом для анализа является хорошо сохранившееся дерево, древесный уголь, торф, карбонатные илы. Этот метод применяется для установления возраста речных террас, морен, торфообразования, а также для датировки археологических памятников.

Погрешность составляет 100 лет. Радиоуглеродным методом устанавливают возраст объектов от 1000 до 30 000 лет.

Наиболее древние значения возраста горных пород и минералов близки к 3,5 млрд. лет (Кольский полуостров). Возраст отдельных минералов древних щитов Канады, Южной Африки также близок к 3 млрд. лет. Наиболее древний возраст имеют геологические объекты на щитах, которые считаются древнейшими геологическими структурами Земли. Если возраст гранитов достигает 3,5 млрд. лет, то естественно, что возраст земной коры должен быть значительно большим, ибо граниты внедрились в какие-то уже существовавшие породы, а если же они образовались ультраметаморфическим путем, т. е. в результате гранитизации, то, следовательно, гораздо раньше их уже существовали какие-то осадки. Древнейшие горные породы, которые удалось датировать, находятся в горном районе Нэрриер в Австралии. Возраст их 4,2 млрд. лет. В настоящее время считают, что возраст Земли составляет около 4,5 млрд. лет. Эти данные хорошо согласуются с данными о возрасте небесных пришельцев-метеоритов, которые не древнее 4,5 млрд. лет.

Как показали исследования, возраст горных пород Луны также оказался близким к 4,5 млрд. лет. Последнее обстоятельство, как и другие геохимические данные, указывает на единство земного, лунного и метеоритного вещества. Возраст Солнца примерно в десять раз больше возраста Земли.

11