Статья: Хронология далекого прошлого
«Еще в начале тридцатых годов в одном из авторитетных стратиграфических руководств было сказано, что по разным методам подсчета возраст земной коры получается от 40 миллионов до 7 миллиардов лет. Такой разброс цифр, конечно, обесценивает их».
Но еще более показательна другая цитата:
«Теперь мы знаем, что весь фанерозой продолжался примерно 570 миллионов лет... ошибка измерений для начала палеозоя составляет десять—пятнадцать миллионов лет».
Действительно, по шкалам образца 80-х годов XX века абсолютный возраст границы протерозоя и палеозоя оценивался как 570 млн лет с ожидаемой ошибкой не более 15 млн лет, то есть 555–585 млн лет.
Однако шкала образца 2004 года (см. в предыдущем разделе Глобальную геохронологическую шкалу палеозойской эры) дает датировку 542 плюс-минус 1 млн лет! Таким образом, если считать нынешнюю шкалу правильной, приходится признать, что в 1986 году ошибка составляла не 10-15, а целых 28 миллионов лет! За два десятилетия интенсивного развития абсолютной геохронологии нижняя граница раннего кембрия сместилась на величину, равную (по современным представлениям) продолжительности всей раннекембрийской эпохи!
При этом, заметьте, изучение палеонтологии раннего кембрия шло своим чередом, кембрий оставался кембрием, археоциаты — археоциатами, и, если честно, специалистам по кембрию от всех этих пертурбаций ни жарко, ни холодно. Но теперь, я думаю, читателю легче понять, почему палеонтологи больше доверяют своим периодам, эпохам, векам, горизонтам и свитам, чем пресловутым «миллионам лет».
И все-таки — откуда они берутся, эти миллионы? *
Из методов определения абсолютного возраста наиболее широко применяются так называемые радиометрические методы, основанные на постоянстве скорости распада радиоактивных изотопов (см. таблицу).
Пока вещество находится в жидком состоянии (жидкая магма, например) его химический состав переменчив: происходит перемешивание, диффузия, многие компоненты могут улетучиваться и т. д. Но когда минерал затвердевает, он начинает вести себя как относительно замкнутая система. Это значит, что присутствующие в нем радиоактивные изотопы не вымываются и не улетучиваются из него, и уменьшение их количества происходит только за счет распада, который идет с известной постоянной скоростью. Все продукты распада в идеале тоже остаются внутри минерала. К сожалению, такой «идеал» встречается в природе не намного чаще, чем идеальный газ или абсолютно черные тела.
Если в новообразовавшейся горной породе изначально не было атомов — продуктов распада данного изотопа (или если нам известно, сколько их там было); если атомы изотопа и образующиеся продукты его распада действительно не вымывались, не улетучивались и не внедрялись извне, то мы и впрямь можем очень точно определить возраст породы, измерив соотношение масс изотопа и его продуктов. Знать изначальное содержание изотопа в породе для этого не нужно. Например, если в породе обнаружено соотношение изотопа и продуктов его распада 1:1, а период полураспада изотопа равен 1 млн лет, и если мы имеем основания полагать, что изначально продуктов распада в породе не было, значит, эта порода образовалась 1 млн лет назад.
Чем больше период полураспада, тем более давние геологические события датируются при помощи соответствующего радиометрического метода. Если изотоп распадается быстро (как 14C), с течением времени в образце остается слишком мало исходного изотопа для точного анализа. Наоборот, если изотоп распадается очень медленно, его нельзя использовать для датировки молодых отложений, поскольку в них накопилось еще слишком мало продуктов распада из: Н. В. Короновский, А. Ф. Якушова, Абсолютная геохронология, geo.web.ru/db/msg.html?mid=1163814&uri=part18-02.htm)
В реальности всё гораздо сложнее. Обычно бывает очень трудно оценить изначальное содержание в породе продуктов распада данного изотопа. Например, калий-аргоновый метод (который, кстати, использовался для датировки большинства важнейших стратиграфических границ) основывается на том чрезвычайно удобном обстоятельстве, что из расплавленных пород аргон обычно улетучивается. Однако во время кристаллизации минерала может происходить захват аргона извне. Как отличить этот аргон от того, что образовался позднее в ходе распада изотопа 40K? Можно исходить из предположения, что захваченный аргон имел такое же соотношение изотопов 40Аr/36Аr, как в современной атмосфере. Измерив количество 36Аr, можно затем вычислить количество «чистого» радиогенного аргона 40Аr. Однако вышеупомянутое допущение далеко не всегда оправдано...
Каждый из радиометрических методов имеет свои достоинства и недостатки. Например, недостатком уран-свинцового метода является редкая встречаемость минералов с достаточно высоким содержанием урана; недостатком калий-аргонового — высокая вероятность утечки образующегося аргона из уже затвердевшего минерала.
В итоге каждый отдельно взятый радиометрический метод часто дает ошибочные датировки. Поэтому ученые стараются проводить датирование одного и того же слоя при помощи нескольких независимых методов. Если результаты более или менее совпадают, все вздыхают с облегчением. Если нет, приступают к скрупулезному поиску возможных источников ошибок и разработке разнообразных замысловатых поправок. К сожалению, встречается и иная тактика: из нескольких полученных дат выбирается та, которая лучше всего соответствует взглядам исследователей, а для остальных датировок начинают целенаправленно искать «компромат».
Для определения абсолютного возраста самых молодых отложений (не старше 100 тысяч лет), особенно для сохранившихся в них органических материалов, широко используется радиоуглеродный метод. Радиоактивный изотоп углерода 14C образуется в верхних слоях атмосферы в результате бомбардировки ядер азота нейтронами космических лучей: 14N + n —> 14С + p. Углерод 14С окисляется до 14СO2 и распространяется в атмосфере. Растения используют 14СO2 в ходе фотосинтеза для производства органики наравне с обычной углекислотой. В результате соотношение 14C/12C в живых организмах оказывается таким же, как в атмосфере (порядка 10–12). После смерти организма приток углерода в него прекращается (система становится условно замкнутой, как и в случае с затвердевшим минералом), и начинается неуклонное экспоненциальное снижение соотношения 14C/12C за счет распада радиоактивного изотопа 14C.
Применение радиоуглеродного метода, однако, сталкивается с целым рядом трудностей. Захороненная органика может загрязняться посторонним углеродом, как «древним» (с низкой долей 14C), так и «молодым». В результате возникают, соответственно, «ошибки омоложения» и «ошибки удревнения». Кроме того, соотношение 14C/12C в атмосфере не постоянно. Например, хозяйственная деятельность человека и особенно испытания ядерного оружия очень сильно сказываются на этой величине. Темпы образования 14C в верхних слоях атмосферы зависят от интенсивности космического и солнечного излучения, а это величины переменные. Соотношение 14C/12C зависит и от общей концентрации СO2 в атмосфере, которая тоже склонна меняться. Все эти естественные колебания, однако, не очень велики по амплитуде и с определенной степенью точности могут быть учтены. По-настоящему серьезную проблему представляет лишь возможность загрязнения образца посторонним углеродом.
Люминесцентные методы абсолютной датировки основаны на способности некоторых широко распространенных минералов (например, кварца и полевого шпата) накапливать в себе энергию ионизирующего излучения, а затем, при определенных условиях, быстро отдавать ее в виде света. Ионизирующее излучение не только прилетает к нам из космоса, но и генерируется горными породами в ходе распада радиоактивных элементов. Под воздействием радиации некоторые электроны кристалла переходят в особое возбужденное состояние. Чем больше в кристалле трещин и других дефектов, тем большее число электронов способно к такой трансформации. Пока кристалл (например, песчинка) спокойно лежит в темном, прохладном месте (например, под слоем других песчинок), число «перевозбужденных» электронов в нем постепенно растет, энергия копится.
Если такой кристалл подвергнуть определенной стимуляции (нагреть до 500 градусов или даже просто осветить), он стремительно отдает накопленную энергию в виде света. Возбужденные электроны при этом успокаиваются и возвращаются на положенные орбиты, и «люминесцентный хронометр» обнуляется. Измерив количество излученного света, можно определить, как долго кристаллу дали спокойно пролежать в вышеупомянутом темном, прохладном месте после того, как он в последний раз подвергался аналогичной стимуляции (попадал на свет или нагревался). На этом и основаны методы люминесцентной датировки: соответственно, термолюминесцентный и оптико-люминесцентный (метод оптически стимулированной люминесценции). Впервые термолюминесцентный метод начали применять в середине XX века археологи для определения возраста обожженной керамики (это очень удобно, поскольку во время обжига люминесцентный хронометр гарантированно обнуляется).
По сути дела, кристалл работает не как хронометр, а как дозиметр. Количество «накопленного» кристаллом света показывает не время как таковое, а суммарную дозу полученного кристаллом облучения. Кстати, существуют и широко используются термолюминесцентные дозиметры. Использование данного свойства кристаллов для получения абсолютных датировок базируется на предположении о постоянстве радиационного фона в том месте, где находился кристалл. Например, в окрестностях Чернобыля проводить люминесцентное датирование археологических находок — занятие довольно бессмысленное.
Люминесцентные методы позволяют датировать образцы возрастом примерно от 100 до 200 000 лет и в идеале дают ошибку не более 10%. Но это, как всегда, лишь «в идеале». На количество накопленного кристаллом света влияет множество факторов, в первую очередь — структура кристалла, количество дефектов кристаллической решетки и, конечно, уровень радиации в том месте (или местах), где кристалл находился. Этот уровень мог меняться не только из-за деятельности человека, но и по другим причинам — например, из-за периодических контактов кристалла с грунтовыми водами. Трудности при определении возраста пещерных отложений могут быть связаны еще и с тем, что не всегда можно точно установить, какие песчинки в этих отложениях принесены «с улицы» первобытными обитателями пещеры, а какие насыпались с потолка.
Метод электронно-парамагнитного или электронно-спинового резонанса тоже основан на изменениях, постепенно накапливающихся в кристалле под воздействием радиации. Только в данном случае речь идет не о количестве «возбужденных» электронов, способных «успокаиваться» с излучением света, а о количестве электронов с изменившимся спином. Чтобы определить число таких электронов, физики используют резонансные методы, то есть подвергают колебательную систему (в данном случае кристалл) периодическому внешнему воздействию (например, помещают в переменное магнитное поле) и наблюдают отклик, который дает система при сближении частоты внешнего воздействия с одной из частот собственных колебаний системы. Для простого палеонтолога или археолога такие премудрости абсолютно непостижимы. Все вопросы — к физикам, пожалуйста. Они, кстати, утверждают, что метод позволяет датировать образцы возрастом до двух млн лет, лучше всего работает на карбонатных породах, и очень хорош для определения возраста зубной эмали.
Существует еще целый ряд физико-химических методов абсолютной датировки, имеющих ограниченную область применения. В качестве примера можно привести аминокислотный метод, основанный на том, что «левые» аминокислоты, из которых построены белки всех живых организмов, после смерти постепенно рацемизируются, то есть превращаются в смесь «правых» и «левых» форм. Метод применим только к образцам очень хорошей сохранности, в которых сохранилось достаточное количество первичного органического вещества. Другая сложность заключается в том, что скорость рацемизации напрямую зависит от температуры. Поэтому, например, для образцов из умеренных широт метод имеет разрешающую способность порядка 20-30 тыс. лет, но применим лишь для молодых отложений (не старше 2 млн лет); в полярных районах метод позволяет датировать более старые образцы (до 5-6 млн лет), но с меньшей точностью (ошибка порядка 100 тыс. лет).
Дендрохронологический метод, или датирование по древесным кольцам, в большой чести у археологов. Этот метод позволяет датировать только самые молодые отложения (возрастом до 5-8 тысяч лет), зато с очень высокой точностью, вплоть до одного года! Нужно лишь, чтобы в раскопе обнаружилось достаточное количество древесины. В стволах большинства деревьев образуются годовые кольца, ширина которых колеблется в зависимости от погодных условий соответствующего года. Характерные «спектры» широких и узких колец примерно одинаковы у всех деревьев данной местности, растущих одновременно. Специалисты по дендрохронологии составляют сводные дендрохронологические шкалы, протягивающиеся от сегодняшнего дня в прошлое. Очень помогают в этом деревья-долгожители. Самому старому из доживших до наших дней деревьев было 4844 года, когда его срубили в 1965 году (это считается одним из самых печальных событий в истории дендрохронологии). Старейшему из живых деревьев на планете 4789 лет. Это сосна (Pinus longaeva), растущая в Калифорнии.
К сожалению, погода в разных районах Земли сильно различается, и если в Канаде выдалось теплое лето (и деревья образовали толстые годовые кольца), то в Сибири то же самое лето вполне может оказаться холодным, и годовые кольца будут тонкими. Поэтому для каждого региона приходится составлять отдельные дендрохронологические шкалы.
Дендрохронологический метод применим только для районов с сильными сезонными колебаниями климата (температуры или количества осадков) — в противном случае четких годовых колец не образуется. Кроме того, состав почвы должен способствовать хорошей сохранности древесины, а изучаемые археологические культуры — широко использовать дерево в хозяйстве.
Хорошие результаты может давать совместное использование дендрохронологического и радиоуглеродного методов. Годовые кольца не только сохраняют память о погодных условиях конкретного года — по небольшим изменениям уровня 14С от кольца к кольцу можно судить о флуктуациях содержания этого изотопа в атмосфере. Это позволяет существенно повысить точность радиоуглеродного датирования, а также дает дополнительный источник данных для дендрохронологической корреляции (позволяет коррелировать годовые кольца не только по их ширине, но и по содержанию 14С). В ряде регионов надежные дендрохронологические шкалы удалось протянуть на 8-9 тыс. лет в прошлое, а при помощи радиоуглеродной калибровки — до 13 тыс. лет и более.
|
