Летописцы Вселенной

Власть человека над природой в XX веке колоссально возросла. Вместе с тем уровень экономики и техники, темпы их развития все больше зависят от природных ресурсов, все важнее становится их изучение и рациональное использование. В первую очередь это относится к полезным ископаемым — рудам, углю, нефти и другим природным богатствам.

Геология и геофизика изучают, как известно, состояние недр нашей планеты, размещение в них полезных ископаемых. За последние годы интересы и задачи многих наук о Земле и других телах солнечной системы становятся общими. И здесь исключительную роль приобретает геохронология — наука, которая возникла в наше время и занимается определением времени возникновения преобразования геологических тел.

Геохронология зародилась на основе ядерной физики. Дело в том, что ядра радиоактивных элементов (среди встречающихся в природе наибольшее значение в этом смысле имеют калий, рубидий, уран и торий) в результате радиоактивного распада самопроизвольно превращаются в ядра других элементов. Так, ядра калия с атомным весом 40 (изотоп калий-40), распадаясь, превращаются в ядра аргона с тем же атомным весом. Изотоп рубидия — в изотоп стронция. Изотопы урана-238 и 235 — соответственно в изотопы свинца-206 и 207. Изотоп тория-232 (единственный встречающийся в природе изотоп этого элемента) — в изотоп свинца-208.

Отметим две особенности этого явления. Первая состоит в том, что способность к распаду обычно свойство не всех ядер данного элемента, а лишь некоторых из них. Так, из ядер трех изотопов калия, встречающихся в природе, к распаду способны только ядра изотопа калия-40. Вторая особенность — высокая стабильность скорости распада. На нее могут повлиять лишь чрезвычайно интенсивные внешние воздействия, например температура в миллионы градусов.

В земных условиях скорость радиоактивного распада практически не зависит от внешних условий. Поэтому, измерив количество радиоактивного изотопа, содержащееся в грамме породы, и количество накопившихся продуктов распада (радиогенных изотопов) с момента затвердения породы, мы можем вычислить, сколько времени прошло с тех пор. Вот почему с развитием геохронологических методов стало возможным устанавливать не только последовательность геологических событий, но и когда они произошли.

В геологии, геохимии и космохимии многие проблемы могут быть решены лишь с помощью радиологических и изотопных методов. Имеется в виду определение возраста Земли и Луны, изучение древнейших образований земной коры, возрастное сопоставление лунных пород, создание геохронологической шкалы, изучение изотопного состава элементов Земли, Луны и метеоритов в связи с ядерными процессами и многое другое. Знание возраста минералов и пород, в частности, очень важно для понимания геологической истории горных образований и расположения в них руд.

Изотопные лаборатории широко развиты сейчас во всех странах мира. При Международном геологическом союзе создана Международная геохронологическая комиссия, в состав которой входят и советские ученые.

В Советском Союзе при АН СССР действует комиссия, координирующая работу всех изотопных лабораторий.

На громадное значение сведений о длительности геологических процессов и возрасте геологических формаций первым указал академик Вернадский. По его инициативе в 1937 году была создана международная комиссия по определению абсолютного геологического времени. Проблемой уточнения возраста Земли занимались крупнейшие ученые на протяжении многих столетий. Однако наиболее достоверное значение возраста Земли было вычислено только с помощью так называемых радиоактивных часов, с использованием данных изотопного анализа свинца. В настоящее время советские и зарубежные ученые оценивают возраст Земли в 4,56 ±0,03 миллиарда лет.

С открытием радиоактивного распада стало возможным измерить промежутки времени в миллиарды, миллионы и сотни тысяч лет. Скорость накопления радиогенных изотопов очень невелика, поэтому содержание их в минералах и породах лишь в редких случаях поднимается до нескольких десятитысячных долей процента. В минералах наиболее молодых или бедных радиоактивными изотопами оно резко падает — в отдельных случаях в миллион раз и более. Точно измерить содержание этих изотопов очень сложная задача. Решить ее можно только при использовании наиболее чувствительных методов ядерной физики. Пожалуй, лишь сама ядерная физика, оперирующая порой всего с несколькими отдельными атомами и элементарными частицами, предъявляет к техническим средствам измерений более жесткие требования, чем геохронология.

До появления ядерной геохронологии историческая геология основывалась на данных так называемой биостратиграфии. Принадлежность тех или иных образований к определенной геологической эпохе устанавливалась по останкам ископаемых животных и растений, характерных для этой эпохи. Одной из первых задач ядерной геохронологии было установление важнейших рубежей биостратиграфической шкалы геологического времени с исчислением в годах. Создание такой «геохронологической шкалы» позволило бы поставить на новый, прочный фундамент все ранее разработанные представления исторической геологии.

Задача была успешно решена на основе громадного фактического материала. Крупную роль в этом сыграли советские ученые. Разработанная ими геохронологическая шкала легла в основу международной шкалы, принятой в 1965 году геохронологической комиссией Международного геологического союза. В этой шкале относительно детально датированы рубежи истории Земли после так называемого декембрия (древнейшие образования), начиная с 570 миллионов лет назад.

С помощью радиологических методов не только установлен возраст Земли и метеоритов, но обнаружены, что не менее важно, древнейшие образования нашей планеты. Такие образования с возрастом 3960 и 3620 миллионов лет найдены в Гренландии, 3500 миллионов лет — в Африке и на Украине, 3270 миллионов лет — в Центральном Казахстане, 3100 миллионов лет — на Кольском полуострове и в других районах. Теперь известен возраст образцов, доставленных советскими и американскими космическими кораблями с Луны. Для лунных пород разными методами были получены цифры 2300, 3600 и 4700 миллионов лет.

Восстановление всех крупных геологических событий с «момента» становления Земли как планеты, освещение истории формирования земной коры в ее современном виде — вот та грандиозная работа, к которой приступают геохронологи вместе со специалистами других наук. Использование методов изотопной геохронологии в совокупности с другими делает реальным установление периодичности геологических, космических, а также биологических (эволюция живого вещества) процессов, в частности определение длительности периодов разного порядка.

Создание учеными ряда стран идентичных геохронологических шкал в обычном летосчислении доказывает надежность абсолютного датирования, что очень важно для теоретической и практической геологии. Поскольку главная масса опорных точек шкалы основана на оценках возраста минерала, то сама возможность создания шкалы на материале разных континентов показывает почти одновременную распространенность определенных геологических процессов.

Современная наука о горных породах, образовавшихся из расплавленных магм, — петрология — признает радиологические методы в числе основных, опирается на них. Без ее развития невозможно создание теории о рудных месторождениях. Радиологическое изучение орудения позволяет устанавливать этапность и последовательность формирования рудных и магматических образований, освещать взаимосвязи между рудообразующими процессами и магматизмом, выяснять источники рудного вещества и характер металлоносных растворов, выделять и датировать металлогенические эпохи, этапы и фазы, сопоставлять их в различных горнорудных районах.

В качестве примера можно указать, что в настоящее время даже в планетарном масштабе, пожалуй, не вызывает сомнений существование связи, например, урановой минерализации с кислыми магмами герцинид — складчатых горных систем, возникших во второй половине палеозойской эры. Урановые рудопроявления Корнуэлла (Англия) образовались 275 миллионов лет назад, то есть относятся к границе геологических систем, называемых карбон и пермь. Достаточно определенно выявлена генетическая связь колчеданных месторождений с формациями девона в районах Кавказа, Урала и других. Все это, включая специфику магматизма отдельных эпох, необходимо устанавливать для построения теории рудообразования на широкой исторической и генетической основе.

Магматические породы дают информацию о составе глубинных частей земной коры и так называемой верхней мантии. Что касается геологии океанического дна, то эта область остается еще почти неизведанной. Абсолютное датирование горных пород из океанических областей коснулось главным образом молодых вулканических образований островов. Давно известны, к примеру, гранитогнейсы с возрастом в 600 миллионов лет на Сейшельских островах в глубоководной части Индийского океана. В то же время нет данных для датирования измененных пород Атлантического, Аравийского и Индийского срединных хребтов, хотя в их пределах обнаружены ассоциации, тождественные Уралу, Кавказу и другим складчатым областям Земли. Планомерное и точное датирование возникновения горных пород островов и подводных хребтов океана позволит внести существенный вклад в изучение состава земной коры. Выяснится, в частности, как быть с гипотетическим выделением двух типов коры — «континентальной» и «океанической». Кстати, такое деление поколеблено последними геологическими данными, в частности нахождением гранитов при бурении дна Карибского моря. Кроме того, эти данные могут помочь решить вопрос о возрасте океана.

Одна из самых интересных страниц «изотопной летописи» была раскрыта недавно, когда в руках исследователей-геохронологов оказались образцы лунных пород, доставленных кораблями «Аполлон» и советскими автоматическими лунными станциями. Необходимо отметить, что датирование этих образцов представляло исключительные трудности, но дало весьма важные результаты. Возраст лунного грунта — реголита — оказался равным 4,5—4,7 миллиарда лет и поразительно совпал с цифрой возраста Земли. Кристаллические породы Луны, аналогичные земным базальтам, по данным урано-торий-свинцового и рубидий-стронциевого методов несколько моложе — им 3,5—4 миллиарда лет. Более молоды и прожилки «гранита». Выявлено большое развитие древних анортозитов, слагающих на Луне, как и на Земле, крупные древние массивы. Калий-аргоновым методом установлено проявление на Луне еще более поздних этапов ее развития. Отсюда можно заключить, что Луна, как и Земля, представляет собой космическое тело со сложной и длительной историей развития, в которой можно усмотреть аналогию с историей Земли.