Лекция 13
Эволюция Земли
13.1 Методы наук о Земле
В науках о Земле применяют различные физические, химические методы исследования, некоторые из них являются весьма специфическими и практически не встречаются в других областях естествознания. Один из них — сейсмическое зондирование земных недр — представляет собой мощный метод изучения глубоких областей земного шара, куда непосредственно человек вряд ли сможет когда-нибудь заглянуть. Ведь самые глубокие скважины, которые удалось пробурить в земной толще, не превышают 10-12 км, а это составляет около одной трети средней толщины земной коры (около 30 км) и всего лишь 0,17% радиуса Земли (6300 км). В основе метода сейсмического зондирования лежит регистрация сейсмических (упругих) волн, возникающих в Земле при землетрясениях (в том числе вызванных ядерными взрывами, падением крупных метеоритов и т. п.). Простейший сейсмограф представляет собой обычный маятник с массивным грузом на конце.
Если сейсмические колебания достаточно быстрые (высокочастотные), то груз не успевает раскачаться и остается практически неподвижным. А вот точка подвеса маятника, жестко связанная с земной поверхностью, колеблется, и эти колебания относительно груза записываются на ленту самописца. Если имеется достаточно много сейсмографов, расположенных в разных точках земной поверхности, то, собирая и обрабатывая информацию, полученную с их помощью, можно достаточно точно определить направление сейсмической волны, ее скорость, амплитуду и другие параметры. А они, в свою очередь, тесно связаны с тем, через какие породы проходила волна, как она преломлялась, отражалась, поглощалась. Именно таким образом была, например, обнаружена граница между земной корой и верхней литосферой (граница Мохоровичича), доказано, что внешнее ядро является жидким, а также получено огромное количество достоверных данных о внутренней структуре Земли.
Второй специфический метод исследования, на котором мы здесь остановимся, связан с определением возраста различных геологических образований, а следовательно, и с реконструкцией событий геологической эволюции. Геологическое время сейчас определяют преимущественно по содержанию радиоактивных изотопов и продуктов их распада в минералах земной коры. Известны несколько типов ядерных превращений, которые используются в качестве геологических часов. Примерами таких превращений могут служить следующие ядерные реакции:
238U -> 206Рb + 8 4Не;
235U -> 207Рb + 7 4Не;
232Th -> 208Pb + 6 4Не;
Точность этих методов связана с тем, что скорость радиоактивного распада практически не зависит от внешних условий и определяется только типом реакции. Если когда-то в прошлом концентрация радиоактивного изотопа в минерале была n0 то, спустя время t, концентрация, экспоненциально уменьшаясь, составит
n(t) = n0 e-αt, (1.1)
где α — постоянная радиоактивного распада (экспериментально определяемая величина). Концентрацию n(t) в минерале можно измерить, однако найти время t, а следовательно, возраст минерала, из уравнения (1.1) нельзя, так как неизвестна начальная концентрация n0. Эту трудность легко обойти, предположив, что в каждый момент времени сумма концентраций распадающегося изотопа n(t) (например, 238U в первой реакции (1.1)) и радиогенного продукта распада r(t) (в той же реакции это 206РЬ) остается постоянной величиной, равной начальной концентрации n0 : n(t) + r(t) = n0.
Тогда, очевидно, e-αt = n(t)/ (n(t) + r(t)). Потенцируя, получаем
t = ln(1 + r(t)/n(t))/ α, (1.2)
Таким образом, зная концентрации n(t) и r(t) (они определяются с помощью масс-спектрометров), по известному значению α легко определяется возраст исследуемого материала. Именно с помощью радиоактивных часов установлен возраст Земли и проведена детальная геохронологическая периодизация.