• +7 (495) 911-01-26
  • Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Мафусаил и изотопный анализ

Мафусаил и изотопный анализ

Почему библейские старцы жили по несколько сотен лет? Может ли человек достичь такого возраста? Даёт ли Священное Писание точную картину Сотворения мира?  

Чем современная геохронология отличается от той, какая была во времена Кеплера или Ньютона? Об этом читателям «НиР» рассказывает директор Института геохимии и аналитической химии имени В. И. Вернадского, академик РАН Юрий Александрович КОСТИЦЫН.

Сколько лет Земле?

Практически всю свою жизнь я занимаюсь изотопными исследованиями применительно к геохронологии и к изотопной геохимии. Это два тесно связанных между собой направления, которые в качестве основного инструмента исследования используют вариации изотопного состава элемента. Чтобы понять значение изотопов в строении окружающего нас мира, я приведу довольно простой пример.

Каковы были наши представления о возрасте Земли ещё, скажем, в XVIII веке или раньше? Они черпались исключительно из Библии. И вот, по расчётам, основанным на Библии, возраст нашей планеты - порядка шести-семи тысяч лет. Причём нельзя сказать, что это какие-то тёмные люди придумали: чтением библейских текстов и составлением хронологии событий занимались вполне признанные учёные. Допустим, Иоганн Кеплер. Он, изучив Библию, пришёл к выводу, что Земля была образована Господом в 3992 году до Рождества Христова.

По оценкам Исаака Ньютона, возраст Земли - тоже порядка шести тысяч лет, она возникла где-то в 4000-м году до нашей эры.

Из чего они исходили? Они сопоставляли жития библейских старцев из Книги Бытие: когда кто из них родил сына, сколько лет потом прожил этот сын, когда у него, в свою очередь, родился наследник... Что может нас удивлять в повествованиях Книги Бытие? Скажем, по этим библейским текстам Адаму было 130 лет, когда родился его сын Сиф, Мафусаилу было 187 лет, когда у него родился Ламех. А тому, в свою очередь, было 182 года, когда у него появился ребёнок. Мы можем завидовать этим возрастам, хотя, надо сказать, они вызывают некоторое сомнение.

В XVII веке в Англии была даже создана целая комиссия во главе с епископом Джеймсом Ашшером, которая попыталась привести разные оценки возраста библейских праотцев и связанные с этим исчисления к некой единой цифре. Члены комиссии установили, что 23 октября 4004 года до нашей эры (это было воскресенье) в 9 часов утра Господь сформировал Землю! Точность этой оценки, конечно, была потрясающей. Для нас, современных учёных, с такой точностью установить возраст любого геологического события невозможно. Конечно, зависть берёт!..

Но потом, в XVIII - начале XIX века, когда появились учёные, занимавшиеся именно геологическими процессами, скоростью накопления осадков, были высказаны иные оценки: выяснилось, что возраст некоторых пород может составлять сотни миллионов лет. Вначале это вызывало удивление, и таким оценкам не очень доверяли.

Затем, в XIX веке, были расчёты, основанные на возможной скорости остывания Земли. Если она изначально была огненно-жидким шаром, за какое время она могла остыть до той температуры, которую мы сейчас наблюдаем на поверхности? Звучали сначала приблизительные цифры: порядка ста миллионов лет. «Окончательный», уточнённый вывод был сделан лордом Кельвином в конце XIX века. Тогда были получены более точные оценки теплопроводности базальта, и на основе этих теплофизических данных он уточнил, что, скорее всего, возраст Земли - порядка 20-40 миллионов лет.

Чем же хорош изотопный метод?

Современные представления о времени формирования Земли - примерно четыре с половиной миллиарда лет назад - учитывают фактор радиоактивного распада, открытый в конце XIX - начале XX века.

Во-первых, это был дополнительный источник тепла, который Кельвин не мог тогда учитывать, а во-вторых, появился инструмент для определения возраста разных геологических событий. Тут тоже интересная история: как были получены самые первые оценки возраста с помощью изотопных данных?

Итак, в 1896 году Беккерель открыл радиоактивный распад. Уже через 11 лет, в 1907 году, Болтвуд обнаружил в старых записях данные о химическом составе урановых руд. Они действительно были старые на тот момент, им было лет 25, то есть примерно за четверть века до этого некий химик изучал, анализировал урановые руды и обнаружил, что в них столько-то урана и столько-то процентов свинца. Откуда мог взяться свинец в этих урановых рудах, было непонятно. Но он, как честный, аккуратный человек, записал, тем не менее, что свинец откуда-то взялся. Каких-то специальных минералов, которые могли бы объяснить присутствие свинца, он там не увидел, но свинец обнаружил.

Когда Болтвуд через четверть века наткнулся на эти записи, уже было понятно, что изотопы урана 235-й, 238-й - самые долгоживущие, распадаются цепочками, и в конце оказывается стабильный свинец. Он это обнаружил и по имевшимся тогда прикидкам скорости распада посчитал, что возраст этих урановых руд порядка полумиллиарда лет. Это были первые оценки возраста с помощью изотопных данных.

Ну а сейчас мы уже более точно знаем, что возраст Земли - чуть больше четырёх с половиной миллиардов лет. И, соответственно, мы применяем этот инструментарий для самых разных исследований: изучения горных пород, археологических изысканий. Радиоуглеродный метод годится для определения событий в первые десятки тысяч лет (до 60-70 тысяч лет), не больше. А другие изотопные системы позволяют нам определять, соответственно, другие диапазоны возраста, вплоть до миллиардов.

Разрушители общепринятых представлений

Должен сказать, что куда бы геохронолог ни приходил, где бы ни начинал свои исследования, как правило, прежние представления, основанные на каких-то других, косвенных данных, разрушаются. Всё это вызывает удивление, иногда даже некое неприятие, и я с этим сталкиваюсь всё время, всю жизнь.

Допустим, в 90-е годы мы поехали работать на нагорье Сангилен в Туве, где самые разные породы были до этого закартированы учёными. Прежде, пока не было изотопных методов, как определялся их возраст? Если порода сильно метаморфизована, изменена более поздними процессами по сравнению со своим первичным состоянием, то геологи считали, что это древняя порода. Если она менее метаморфизована, то - менее древняя. Если совсем не изменена какая-то магматическая порода, значит, она наиболее молодая. Плюс среди этих магматических пород тоже часто бывает, что одна пересекает другую, мы видим, что одно тело как бы срезает некое ранее бывшее. Ну, и тогда геологи каждому из них выделяют какой-то свой интервал времени.

И вот там, на Сангилене, на тот момент была вся геохронология выстроена от архея - это больше двух с половиной миллиардов лет - до мела, до ста миллионов. Вот такой диапазон практически весь был заполнен разными геологическими событиями.

Когда мы начали изучать эти породы, я и моя ученица с удивлением обнаружили, что все эти разные породы одного возраста! Они отражают разные стороны, разные явления одного и того же термального события. Это термальное событие привело к метаморфизму ранее существовавших пород, оно же довело часть этих пород до плавления, образовались так называемые интрузивные породы, и всё то, что там пересекало друг друга, тоже было одновозрастное. То есть это были события в геологическом понимании мгновенные, одновременные.

Что нагревает гейзер?

Конечно, аппаратура меняется, совершенствуется. Есть анализы, которые мы в принципе не могли бы провести 20 или 30 лет назад. Короткоживущие изотопы, которые возникли в результате взрыва Сверхновой, когда сформировалась наша Солнечная система, давно распались, и в результате их распада 4,5 миллиарда лет тому назад возникли небольшие изотопные сдвиги. После этого никаких изотопных сдвигов в этих изотопных системах не добавлялось, не появлялось. Эти сдвиги могли быть очень малы, и, скажем, в 70-80-е годы прошлого века просто не было приборов, способных их измерить.

Сейчас это тоже не тривиальная задача, но отдельные лаборатории в мире приобретают такие приборы, налаживают их, что называется, «вылизывают» до возможности измерять очень малые сдвиги на уровне миллионных долей от величины изотопного отношения. И эти данные позволяют нам увидеть, например, различия в составе вещества метеоритов и Земли.

Должен пояснить, что изотопные эффекты в природе бывают самые разные. Одно направление исследований связано с фракционированием изотопов. Его суть - в перераспределении изотопов в разных фазах в зависимости от их массы. Самый простой пример: с поверхности океана испаряется вода, и, соответственно, пар обогащается лёгким кислородом и лёгким водородом по сравнению с тем, что было в самом океане. Используя изотопный состав воды, мы можем установить источник этой воды.

Яркий пример - гейзеры на Камчатке, на Курилах, в Новой Зеландии, вообще по всей Земле, особенно в островодужных обстановках. Всем известны эти замечательные, красивые явления, когда горячая, часто перегретая вода извергается из-под земли. Понятно, что первые представления о том, откуда взялась эта вода, были связаны с какими-то мантийными глубинами. Естественно было предположить, что эта вода и идёт из самых земных недр, где очень горячо... Но изотопный анализ этой воды, кислорода и водорода показал, что это влага, которая совсем недавно выпала к нам на землю в виде дождя и снега. Это так называемые метеорные воды. Они прошли стадию испарения с поверхности океана, приобрели совершенно иной изотопный состав: в них больше лёгких изотопов, меньше тяжёлых. Когда они выпали за землю в виде дождя, просочились на глубину и попали в особые условия вблизи вулкана, где под ними породы высокой температуры, была запущена конвективная система, и эти метеорные воды нагрелись и вот уже выходят на поверхность в виде гейзеров. Без изотопного анализа мы бы никогда не узнали, что это вода, которая совсем недавно была в облаках, испарилась с поверхности.

Такие разные рудные жилы

Совершенно другой раздел изотопной геохимии связан с радиоактивными превращениями, когда изотопы урана, скажем, распадаются в изотопы свинца, изотоп рубидия 87-й распадается в изотоп стронция, изотоп самария 147-го распадается в изотоп неодима 143-го. Эти изотопные превращения нам тоже позволяют оценить состав источника вещества. Смысл здесь такой: для того чтобы определить химический состав породы, нам нужно провести химический анализ, но с помощью изотопных методов мы можем узнать некие химические параметры, химический состав не самой породы, а того вещества, из которого она образовалась, узнать её предысторию. Для расшифровки процессов преобразования вещества это очень важно, для фундаментальной науки, ну и для прикладных задач тоже.

Если вернуться к геохронологии, то самое очевидное применение - это, скажем, определение возраста тех или иных рудных образований для того, чтобы понять, как они возникли, в связи с чем. Скажем, мы нашли некие рудные жилы, которые сидят в каких-то породах, и у нас возникает задача определить - они случайно соседствуют с этими породами или возникли в результате того, что сначала образовались эти породы, а потом при остывании они исторгли некий флюид, из которого уже образовались данные руды.

Хороший пример - из моей старой истории, когда я ещё молодым специалистом изучал геохронологию месторождения гиганта Мурунтау, золоторудное месторождение в Кызылкумах. Тогда всё это был Советский Союз, наш объект. Когда я туда приехал, обнаружилось, что на объяснение формирования руд на этом месторождении претендует несколько гипотез. Одни геологи говорили, что это произошло в результате метаморфизма пород, другие - в результате того, что на глубине внедрялись массы гранитов, и из этих гранитов были исторгнуты флюиды, в связи с которыми потом образовались рудные жилы.

Так вот, возраст у этих пород - метаморфических, более древних, и гранитоидов - разный, и задача была определить возраст руд, возраст магматических пород этих гранитоидов и возраст метаморфических пород. В результате решения этой задачи стало понятно, как возникли рудные жилы. А на любом месторождении это вопрос номер один - как образовались данные рудные объекты? Потому что всегда возникает вопрос: эти руды через сколько-то лет кончатся; где искать следующие, как расширять запасы? Расширение запасов на любом месторождении - это вопрос экономически важный, а для этого надо знать, как они образовались, потому что мы дальше будем искать их в связи либо с метаморфическими процессами (это одна стратегия поиска), либо с гранитоидами (а это другая стратегия). И так на любом месторождении: нам важно знать, как, когда и в связи с какими породами возникли те или иные руды. Так что прикладная задача наших исследований - совершенно очевидная и понятная, и она решается с помощью изотопных методов. Священное Писание нам здесь, увы, не помощник.

Записала Наталия ЛЕСКОВА

Источник: "НиР" № 3, 2021


© 2024 Наука и религия | Создание сайта – UPix