8. Постоянство радиоактивного распада

Все методы датирования, использующие радиоактивный распад, основаны на одном общем допущении, а именно что радиоактивный распад на протяжении всей долгой истории Земли шел с одинаковой скоростью.

Теоретическая физика утверждает, что это именно так. Согласно теории, радиоактивный распад - ядерный процесс, и все его характеристики тесно связаны со свойствами ядра данного элемента. В отличие от конфигурации электронных орбит вокруг ядра, от которой зависят химические свойства атома, ядро не поддается внешним воздействиям. Ни скачки температуры или давления, ни изменения электрического и магнитного полей, имевшие место на протяжении геологической истории, не могли повлиять на ядерный процесс, каковым является радиоактивный распад. Физики-экспериментаторы подтвердили теорию, испробовав все возможные крайние факторы воздействия. Но геолога не удивишь сильными колебаниями температуры, силы тяжести, земного магнетизма или сверхвысокими давлениями. А важнейший фактор геологических процессов - время - нельзя моделировать в лаборатории. Правомерно ли, спросит геолог, применять теории ядерной физики, науки, которой еще не исполнилось и века, к истории Земли, насчитывающей не один миллиард лет?

Плеохроичные ореолы

Ответ на этот вопрос мы находим в минералогии. Во многих минералах обнаруживаются мелкие темные пятна. Под микроскопом они выглядят как концентрические кольца (фото 1)^*. В поляризованном свете эти кольца становятся окрашенными, причем их окраска обычно отличается от той, которая появляется при таком освещении у различных минералов. При повороте столика поляризационного микроскопа окраска колец меняется. Отсюда и название - плеохроичные^** ореолы. Эти ореолы образовались вследствие разрушения кристаллической решетки минерала иод действием излучения, источником которого служат вкрапления радиоактивных элементов.

^* (Все фотографии помещены в конце книги. - Прим. ред.)

^** (Многоцветные - от греч. pleon (больше) и chros (цвет). - Прим. перев.)

Фото 1. Плеохроичные ореолы

Излучение, сопровождающее распад радиоактивного элемента, всегда имеет одну и ту же энергию, характерную для процесса распада ядер этого элемента или изотопа. Значит, если в минерале содержится микроскопическое включение радиоактивного элемента, то его излучение всегда будет проникать в кристаллическую решетку минерала на определенное и неизменное расстояние. Вокруг радиоактивного включения образуется сферическая зона разрушения кристаллической решетки. Под микроскопом на тонком шлифе эта сфера будет выглядеть как кольцо или идеальный круг [2].

В рядах распада уран - свинец и торий - свинец, включающих многие промежуточные стадии между материнским и дочерним элементами, испускается целая серия излучений. Они обладают разными энергиями, разной "пробивной силой", поэтому вокруг зерна урана или тория во вмещающем минерале образуется несколько концентрических зон разрушения. Такая серия сфер (в сечении - колец) схематически показана на фиг. 4.

Фиг. 4. Схематическое изображение плеохроичных ореолов вокруг включения урана. В обычных породообразующих минералах радиус наружной сферы, образовавшейся в результате распада RaC′, составляет около 30 мкм

Если бы в ходе геологической истории энергия радиоактивных процессов менялась, то менялся бы со временем и радиус зон разрушения в плеохроичных ореолах. В результате медленного изменения энергии радиоактивного распада на протяжении миллионов лет вместо системы четких концентрических колец образовывалось бы расплывчатое пятно. Поскольку скорость распада прямо пропорциональна энергии, испускаемой при распаде, мы можем сделать вывод, что и скорость распада на протяжении геологического времени не менялась.

Конечно, в действительности почти всегда дело обстоит сложнее. Радиоактивное зерно, включенное в минерал, очень невелико, но все же обладает каким-то конечным размером, поэтому самое узкое кольцо пропадает. В некоторых случаях радиоактивный элемент склонен постепенно рассеиваться во вмещающем минерале, и вместо четких колец часто получаются смазанные пятна. Однако факт остается фактом - прекрасно различимые плеохроичные ореолы встречаются во многих минералах.

Итак, мы с уверенностью можем утверждать, что геологические часы, основанные на распаде природных радиоактивных изотопов, действительно измеряют абсолютное время. Но градуировать их циферблат в годах мы не можем. Эти часы равномерно идут вот уже миллиарды лет, но что толку в этой равномерности, если методы чтения их показаний недостаточно точны. Невозможно абсолютно точно измерить оставшееся количество материнского элемента и количество атомов дочернего стабильного изотопа. Довольно точные измерения возраста пород содержат ошибку примерно в 5%. Если определяемый возраст - 1 млрд. лет, то ошибка составит 50 млн. лет. Поэтому обычные стратиграфические методы, устанавливающие стратиграфическую последовательность более древних и более молодых пластов, нельзя полностью заменить (во всяком случае, для фанерозоя) методиками определения абсолютного возраста. Последние лишь дают нам ряд отправных точек, в соответствии с которыми мы упорядочиваем наши относительные стратиграфические датировки. В современной геологии оба метода датирования, абсолютный и относительный, должны идти рука об руку.