Все слышали про научные данные, когда пишут: этой каменной породе 600 млн. лет, а этой – 1,5 млрд. лет. Как геология датирует это и определяет такой огромный возраст? Не наугад же?
Если для определения возраста органики используют радиоуглеродную датировку, то для датировки минералов - калий-аргоновый метод. Первый ограничен своей точностью по возрасту – не более 50 тыс. лет вглубь геохронологии. В более старших образцах С14 становится крайне мало (из-за его периода полураспада 5,7 тыс. лет) и выяснить возраст более древних образцов с определенной точностью не получится.
Калий-аргоновый метод - один из ключевых в современной геохронологии и с помощью его датируют минералы и каменные породы возрастом от 100 тысяч лет до возраста Земли (4,6 млрд лет). Калий входит в состав самых распространенных минералов: полевые шпаты, слюды. Он работает везде, где есть континентальная кора.
Физический принцип: как калий становится часами
В основе метода лежит радиоактивный распад природного изотопа ⁴⁰K. Этот элемент уникален двойственностью своего превращения: около 89% атомов ⁴⁰K испускают бета-частицу и становятся ⁴⁰Ca, а оставшиеся 11% захватывают электрон с K-оболочки, трансформируясь в инертный газ ⁴⁰Ar. Именно вторая ветвь распада служит геологическим хронометром.
Период полураспада ⁴⁰K составляет примерно 1,25 миллиарда лет . Это означает, что через 1,25 млрд лет в образце останется половина исходного ⁴⁰K, а количество накопленного ⁴⁰Ar достигнет определенной величины. За один год из миллиона атомов ⁴⁰K, превращается в ⁴⁰Ar всего 5-6 штук. Зная константы распада, измерив текущую концентрацию ⁴⁰K и ⁴⁰Ar в минерале, ученые вычисляют время, прошедшее с момента образования породы.
Как измерить газ, который накопился за миллиард лет внутри куска гранита?
- Специалист откалывает образец породы.
- В лаборатории кусок дробят и под микроскопом отбирают идеально чистые кристаллы. Важно, чтобы не было трещин, через которые мог уйти газ или попасть грязь.
- Кристаллы расплавляют при температуре до 2000°C. Вся кристаллическая решетка разрушается, и газ аргон, который был в плену миллионы лет, выходит.
- С помощью прибора масс-спектрометра ученые определяют, сколько атомов аргона вылетело. Та же процедура повторяется, чтобы узнать, сколько в образце осталось калия-40.
- Далее вступает в дело формула радиоактивного распада. Подставляют цифры в расчет: количество аргона сейчас, количество калия сейчас и скорость распада (константа).
- Формула выдает результат: например, 1,5 млн лет или 500 млн лет.
Развитием классики стал ⁴⁰Ar/³⁹Ar метод - нейтронно-активационная модификация. Образец помещается в ядерный реактор, где под действием быстрых нейтронов стабильный изотоп ³⁹K превращается в искусственный ³⁹Ar. После этого достаточно одного масс-спектрометрического измерения соотношения ⁴⁰Ar/³⁹Ar, чтобы вычислить возраст. Метод гораздо чувствительнее и позволяет анализировать микрограммовые концентрации, например, единичные зерна минералов. Более того, применяя технику ступенчатого нагрева и постепенно «выжимая» аргон из образца, можно получать спектры возрастов, реконструируя термическую историю породы.
Однако ⁴⁰Ar/³⁹Ar метод порождает и собственные проблемы. Облучение нейтронами вызывает перераспределение ядер отдачи и маскирует исходные изотопные соотношения инертных газов, что делает невозможным корректировку на «избыточный аргон» по первичным отношениям изотопов. Для молодых образцов с низким содержанием калия это может приводить к серьезной потере точности.
Три недостатка метода
1. Омоложение породы. Потеря радиогенного аргона - омоложение образца. Атом аргона - это крупный инертный газ, слабо удерживаемый кристаллической решеткой. При нагреве, механических деформациях или химических изменениях он легко уходит из минерала. Особенно подвержены потерям калиевые полевые шпаты, их применение разумно лишь для молодых, кайнозойских отложений.
При комнатной температуре аргон удерживается в кристалле. Но если породу нагревает магма? Или если камень пролежал на солнце в пустыне? При малейшем нагреве (200-300 градусов) кристаллическая решетка расширяется, и атомы аргона начинают уходить наружу, их концентрация снижается. Это называется диффузия.
Если камень перегрелся, он теряет часть аргона. Для метода датировки это выглядит так, будто там образовалось слишком мало газа, а значит, камень моложе, чем на самом деле. Получают цифру «100 млн лет», а в реально породе 1 миллиард.
2. Лишний аргон и завышение возраста. Более коварная проблема - попадание в кристалл минерала аргона, не связанного с распадом калия. Такое случается, если минерал захватывает газ из окружающей среды, флюидов или вмещающих пород в момент роста. Этот феномен называют «избыточный аргон».
Особенно уязвимы минералы с низким содержанием калия - пироксены, плагиоклазы: даже малая примесь захваченного ⁴⁰Ar на фоне почти полного отсутствия собственного радиогенного газа способна в разы завысить возраст. Это фиксируется как ложное «старение» образца даже при корректной процедуре облучения и измерения.
Лава, остывая, «заглатывает» пузырьки воздуха из атмосферы. Молодые породы (менее 100-200 тысяч лет) дают сильно завышенный возраст. Например, лава, извергнувшаяся в 1800 году, по анализу может показать возраст в 3 миллиона лет! Лава просто не успела высвободить лишний газ, прежде чем затвердеть. Метод «слепнет» на свежих объектах.
Другой пример с горой Святой Елены, где поток лавы, извергшийся в 1986 году, был исследован в 1996 году методом калий-аргонного датирования. В результате возраст некоторых минералов был оценен более чем в миллион лет, хотя фактический возраст лавы был всего 10 лет. Это вызывает сомнения в точности метода и достоверности подобных датировок.
3. Проблема закрытой системы. Главное правило любых геологических датировок: система должна быть закрытой. Ничего не должно входить в кристалл и ничего не должно выходить, кроме четко рассчитанного распада.
Но что происходит с камнем за миллионы лет? Минералы не лежат в вакууме. Через них текут горячие подземные воды (гидротермальные растворы). Вода вымывает калий. Вода может принести посторонний калий или наоборот, унести аргон.
Многие древние породы пережили несколько геологических катастроф. Каждый раз часы «сбивались» и начинали тикать заново. Ученый, взявший такой «потрепанный жизнью» образец, получит бессмысленный возраст, который не соответствует ни одному реальному событию.
Недостатки не делают метод бесполезным? Они делают его сложным. В геологии придумали, как бороться с этими проблемами:
- Возраст породы считают десятки раз по разным кристаллам из одного куска.
- Используют «метод изохрон». Это математический метод, который позволяет отличить «родной» аргон от «загрязняющего» атмосферного. Если точки на графике ложатся в прямую линию - возраст истинный. Если разлетаются в кучу малу - образец бракованный, идут за новым.
- Сравнивают методы. Если калий-аргоновый метод показал 500 млн лет, а соседний образец методом уран-свинцовым показал 505 млн лет - значит, цифры верные. Но где гарантия, что в уран-свинцовом методе не наложились свои погрешности?
Еще один «подводный камень» в калий-аргоновом методе. Откуда геология знает, какое количество аргона было миллионы лет назад в атмосфере Земли? Сейчас его 1%. А если его в прошлом было больше? Тогда и возраст пород выходит в миллиарды лет, т.к. породы в момент их образования захватили аргон из древней атмосферы.
Другая возможная проблема некорректности датировки – линейность периода полураспада. Атомы возникли в звезде, которые потом от ее взрыва разлетелись в газопылевую туманность, а из нее возникли планеты. Но почему одни атомы решают трансформироваться (распадаться) сразу через строгий промежуток времени, равный периоду полураспада, а другие живут практически вечно? Что влияет на этот процесс? Ядерная физика здесь отвечает через теорию вероятности. А именно: может распадется, а может нет.
В любом случае и сам процесс распада может теоретически быть нелинейным, например иметь арифметическую прогрессию. Сейчас распад идет с такой интенсивностью, а ранее был иной. И тогда все методы радиоактивной датировки теряют смысл.
Вопросы к радиоуглеродному методу датирования были заданы в этой статье: