Сокровищница XXI века - Владислав Иванович Кузнецов

происхождения. Ведь в породе зачастую примешаны и свинцовые изотопы, родившиеся в процессе синтеза элементов Солнечной системы, да еще иногда примеси урана и тория встречаются одновременно. Нужно уметь отличить свинец ториевого происхождения от уранового свинца. В цепи распада урана на пути к свинцу встречается и благородный газ радон. Если порода пористая, то радон — продукт распада примесного урана — выйдет из минерала и где-то в другом месте превратится в свинец. Измеренный возраст окажется меньше истинного.

Точность уран-свинцового метода и его надежность повышаются благодаря масс-спектрометрическим измерениям. Масс-спектрометр сортирует радиогенный свинец по отдельным изотопам. У каждого из них свое происхождение. Свинец-206 накопился из урана-238, свинец-207 — потомок урана-235, а свинец-208 — продукт распада тория-232.

Изотопный анализ дает возможность учесть при определении возраста первичный свинец. Дело в том, что в природных минералах вкраплен свинец-204, который не возникает в цепях превращений ни одного из природных радиоактивных элементов. Иными словами, ядра свинца-204 только первичного происхождения. Изотопный состав первозданного свинца (отношение количеств изотопов в данном химическом элементе) неизменен и был определен после масс-спектроскопического анализа железных метеоритов, в которых нет ни урана ни тория и радиогенный свинец не мог накопиться. Стало возможным по количеству свинца-204 определять полное содержание первозданного свинца в изучаемых породах и вносить требуемую поправку.

Свинцовый способ, после его дополнения изотопным анализом, стал надежным средством определения времени возникновения горных пород. Если возраст породы не очень велик, то точность метода становится недостаточной — за это время лишь незначительная доля урана переходит в свинец. Ничтожная примесь радиогенного свинца не позволяет определить возраст такой породы.

Но вот минерал, в котором никогда не было урана. Как отмерить прожитые им годы?

Во многих важных для геологов случаях выручают калиевые соединения. Их содержат такие распространенные минералы, как полевые шпаты и слюды.

Изучение изотопов калия привело к неожиданному открытию. Калий с атомным весом сорок оказался радиоактивным, с периодом полураспада, подходящим для датировки геологических эр. Изотоп калий-40 испытывает бета-распад и превращается в распространенный изотоп кальция. Кальций радиогенного происхождения отделить в минералах от кальция первозданного, образовавшегося во время синтеза элементов Солнечной системы, невозможно: элемент слишком распространен в природе и небольшую добавку радиогенного кальция учесть нельзя. Но в распаде калия-40 есть одна замечательная особенность. Его ядро может не только испускать ядерный электрон и при этом переходить в устойчивый кальций, но и захватывать с орбиты своей оболочки электрон и превращаться в аргон — элемент с низшим атомным номером. Аргон в минералах только радиогенного происхождения. Первичный аргон «выкипел» еще из расплавленного вещества Земли и, будучи инертным газом, при образовании земной коры остался в атмосфере. Ведь создать твердое вещество, в которое входит аргон, химики сумели совсем недавно. Синтетические соединения аргона крайне неустойчивы и в природных условиях распадаются. Поэтому, если удалось определить количество аргона в породе, то нетрудно рассчитать и ее возраст.

Калиево-аргонные ядерные часы намного точнее гелиевых. Потери аргона за геологические времена не очень велики — аргон менее подвижен, чем гелий. И все же утечкой аргона пренебрегать нельзя. Возьмем обычный гранит. Он сложен из калиевого полевого шпата и слюды. Отделив слюду от шпата, выделим из них аргон, измерим количество калия-40 в том и другом минерале и вычислим возраст. И здесь нас встречает неожиданность. Шпат оказывается моложе слюды. Но ведь образовались они одновременно. В чем тут дело?

Слюда прочнее удерживает аргон, и кажущаяся молодость шпата — результат утечки. Напрашивается вывод— шпаты не годятся для измерения возраста.

Советские ученые выяснили, что в некоторых видах полевого шпата аргон сохраняется почти без потерь, когда в других утечка слишком велика. Поэтому, если отделить хорошо удерживающие аргон шпаты и пользоваться только ими при оценке прожитых породой лет, то ошибка будет устранена. Калиево-аргонным способом датируют породы, начиная с возраста 100 тысяч лет и выше. Свинцово-урановому методу доступны только времена, исчисляемые, как минимум, миллионами лет.

За последние годы разработан еще один метод определения геологического возраста. После радиоактивного распада изотопа рубидий-87 образуется стронций. Возраст геологических эр определяют по отношению стронция к рубидию в минералах, в которых первозданный стронций не содержался. Это прежде всего слюды — мусковит, биотит, лепидолит. Стронциевым методом определяют возраст древнейших гранитов и слюд. Рубидий медленно распадается в стронций, — должно пройти 50 миллиардов лет, чтобы половина рубидия перешла в стронций. Возраст пород, которые моложе 5 миллионов лет, стронциевыми часами уже не измерить, — они слишком грубы для такого промежутка времени.

Когда земной шар остывал, атомы вещества стали формироваться в твердые тела. Возникали кристаллы, в которых атомы застывали в строгом порядке. Только в плотных твердых телах продукты радиоактивного распада оставались рядом с материнскими ядрами. В жидком расплаве атомы свободно перемешивались, и, так как у продуктов распада химическая природа совсем иная, чем у материнских ядер, дочерние ядра концентрировались в других местах. Все методы, о которых мы рассказывали, отсчитывают возраст вещества, начиная с момента его кристаллизации.

В последние годы стали применяться ядерные часы, основанные на самопроизвольном или, как чаще говорят, спонтанном делении урана. По сравнению с другими видами распада деление — редкий процесс.

Среди миллиона малых ядерных катастроф, когда из тяжелого урана вылетают легкие альфа-частицы, происходит «большой взрыв» — уран сам по себе разваливается на два ядра-осколка. Заряженные положительно, осколки отталкиваются друг от друга, разлетаются с громадной скоростью, внедряются в структуру твердого тела и оставляют за собой след — смещенные со своих мест атомы.

Осколочные следы практически не затушевываются другими повреждениями.

Новый метод позволил изучить возраст древних природных стеклоподобных образований, некоторых метеоритов. По следам деления определены концентрации урана и возраст очень мелких зерен различных материалов.

Метод датировки по следам осколков деления применим в очень широком интервале времени: можно с высокой точностью определить и дату образования слюды, возраст которой несколько сот миллионов лет, и время изготовления вазы из уранового стекла, отлитой в прошлом веке. Дело в том, что регистрируются отдельные акты распада. Достигается громадная чувствительность. Один микрограмм радиогенного свинца — количество, с трудом обнаруживаемое химическими способами, — накапливается, когда 2,5×1015 ядер урана — число астрономическое — проходят по долгой цепи превращений.

Зато зарегистрировать следы урана в веществе удается по нескольким десяткам самопроизвольно разделившихся ядер.

Загадка возраста Земли волновала человечество с незапамятных времен. По библейским текстам, наша планета сотворена 6 тысяч лет назад. Древние халдеи, жившие в Месопотамии, считали, что Земле два миллиона лет.

Когда ученые стали оценивать возраст земного шара, то они сразу поняли, что речь должна идти о многих десятках