16. Возраст Земли

Для оценки возраста Земли была использована другая модификация метода. Она основана на том факте, что лишь очень малая часть тяжелых элементов коры (свинца, урана, тория) сконцентрирована в рудных месторождениях, а основной запас этих металлов рассеян в породах коры в виде следов.

Английский геолог А. Холмс и немецкий ядерный физик ф. Хоутерманс независимо друг от друга предложили использовать такое распределение тяжелых элементов в земной коре для расчета возраста Земли. Этот метод теперь известен под названием "модель Холмса - Хоутерманса". В нем используется изотопный состав так называемого обычного свинца, содержащегося в галените - минерале рудных свинцовых жил.

Поскольку свинец, уран и торий сильно рассеяны в земной коре, можно считать, что концентрирование свинца в рудное месторождение - очень редкое событие. Значит с большой вероятностью можно допустить, что атомы свинца, которые мы находим сейчас в руде, претерпели такое концентрирование лишь однажды за время своего существования.

При концентрировании в руду свинец отделялся от своего прежнего окружения, т. е. от пород, в которых он был рассеян в качестве следового элемента. Поскольку свинец переходит в подвижное состояние при гораздо меньшей температуре и давлении, чем уран и торий, он отделялся и от этих элементов, которые вместе с ним были рассеяны в породе. Следовательно, после того как свинец собрался в рудную жилу, прекратилось его накопление за счет распада радиоактивных элементов. Прекратилось и изменение его изотопного состава. Таким образом, свинцовые руды как бы законсервированы. Они сохраняют изотопный состав свинца, рассеянного когда-то в материнской породе.

В материнской породе изотопный состав свинца со временем медленно менялся: накапливались изотопы ²⁰⁶Рb, ²⁰⁷Pb и ²⁰⁸Pb - конечные продукты распада урана и тория, содержавшихся в той же породе. В разных породах исходное содержание свинца, урана и тория, конечно, было различным; кроме того, возраст разных материнских пород, из которых затем мигрировал свинец, также различался. Поэтому изотопный состав обычного свинца, поступившего из разных пород, может быть самым разнообразным.

Чтобы принять в расчет различия, зависящие от первичных колебаний относительного содержания свинца, с одной стороны, и урана и тория - с другой, эти различия лучше выразить через коэффициент μ. Это отношение количеств ²³⁸U и ²⁰⁴Рb, экстраполированное к настоящему времени:

Для каждого значения коэффициента μ характерна особая кривая изменения изотопного состава свинца со временем.

Чтобы рассчитать возраст Земли, надо знать изотопный состав первозданного свинца. Конечно, проще всего было бы принять, что весь первозданный свинец состоял из нерадиогенного изотопа ²⁰⁴Рb. Но это не так: известно, что в межзвездном веществе, из которого формировалась Земля, содержатся естественные радиоактивные элементы. К тому же оказалось, что в свинце, находимом в метеоритах, есть радиогенные изотопы. Следовательно, первозданный свинец Земли уже должен был иметь сложный изотопный состав.

Хоутерманс [9], далее, принял, что с земным первозданным свинцом наиболее сходен свинец железных метеоритов, практически не содержащих урана и тория. Изотопы свинца 206, 207 и 208, содержащиеся в таких метеоритах, не могли образоваться путем радиоактивного распада за время существования метеорита (ведь урана и тория в нем нет). Лучше других был проанализирован состав свинца из метеорита Canyon Diablo, потому его и выбрали на роль образца первозданного земного свинца.

На фит. 12 показаны графики изменения изотопного состава свинца при разных значениях коэффициента μ. В разных горных породах значение μ варьирует от 9 до 10; чаще всего μ = 10. Взяв за основу изотопный состав свинца из метеорита Canyon Diablo, можно построить изохроны. Точки их пересечения с кривыми, описывающими изменение изотопного состава свинца при разных μ, указывают изотопный состав обычного свинца, выделившегося из материнской породы, в момент, соответствующий данной изохроне. Кривые ограничены изохронной w; это самая древняя из возможных изохрон. Она и соответствует возрасту Земли. Наклон этой изохроны соответствует промежутку времени

поэтому обычно считают, что "возраст Земли" составляет 4,5 млрд. лет.

Фиг. 12. История изменения состава обычного свинца согласно модели Холмса - Хоутерманса [9]. Сплошные линии - изохроны; пунктирные линии - ход изменения современного изотопного состава обычного свинца с разными значениями коэффициента μ. Этот коэффициент представляет собой соотношение количеств урана и нерадиогенного свинца в материнской породе. На верхней абсциссе отложено время в миллионах лет. Изохрона w соответствует 4,5±0,3 млрд. лет

Гипотеза Холмса - Хоутерманса, как мы помним, основана на допущении, что свинец в данной руде концентрировался лишь однажды. Однако оно, видимо, справедливо не для всех случаев. Этот метод, примененный к свинцовой руде с недостаточно хорошо известным геологическим прошлым, дает довольно курьезные результаты. Но встречающееся в литературе резко критическое отношение к самой идее метода кажется мне необоснованным. Статистически допущение Холмса - Хоутерманса должно соответствовать действительности, и тезис о параллельном и независимом ходе изменения обычного свинца в разных местах Земли можно считать верным.

Хотя ценность метода Холмса - Хоутерманса кажется несомненной, получаемый результат может меняться в зависимости от того, какие величины принимают в качестве исходных. Тилтон и Стейгер [17], используя свинец гранитов и свинцовых руд возрастом 2700 млн. лет, в котором должно быть много загрязнений, оценили возраст Земли в 4750 млн. лет. Ульрих [18], используя океанические базальты, получил даже цифру 5430±40 млн. лет; правда, она еще нуждается в подтверждении. Таким образом, не исключено, что возраст Земли превышает 4,5 млрд. лет. Это избавило бы нас от очевидного парадокса: возраст пород мантии также составляет около 4,5 млрд. лет, а ведь этим породам требовалось какое-то время для кристаллизации. Так или иначе, согласно современным данным, возраст Земли не превышает 5 млрд. лет.

Теперь мы видим, как быстро развивались события в ранний период истории Земли. Если нашей планете не более 5 млрд. лет, то в ранние дни (точнее - ранние миллионы лет) геологической истории темп развития Земли был сравнительно быстрым. Затем наступил довольно спокойный период сменяющих друг друга циклов горообразования. Этот не сопровождавшийся значительными пертурбациями период длится уже более 3,3 млрд. лет.