Работа геологи это рассказать правдивую историю истории Земли, точнее, историю земной истории, которая всегда правдива. Сто лет назад мы мало знали о продолжительности истории - у нас не было хорошего критерия времени. Сегодня, с помощью методов изотопного датирования, мы можем определить возраст камней почти так же, как мы наносим на карту сами камни. За это мы можем поблагодарить радиоактивность, обнаруженную на рубеже прошлого века.
Потребность в геологических часах
Сто лет назад наши представления о возрасте камней и возрасте Земли были расплывчаты. Но очевидно, что камни очень старые вещи. Судя по количеству пород, плюс незаметные темпы процессов, их образующих - эрозия, захоронение, фоссилизация, поднимите - геологическая запись должна представлять неисчислимые миллионы лет времени. Именно это понимание, впервые выраженное в 1785 году, сделало Джеймса Хаттона отцом геологии.
Итак, мы знали оглубокое время", но исследовать это было неприятно. На протяжении более ста лет лучшим способом организации его истории было использование окаменелостей или биостратиграфии. Это работало только на осадочные породы и только некоторые из них. Скалы докембрийского века имели только самые редкие остатки ископаемых. Никто не знал даже, сколько из истории Земли было неизвестно! Нам нужен был более точный инструмент, какие-то часы, чтобы начать его измерять.
Возникновение изотопных знакомств
В 1896 году случайное открытие радиоактивности Анри Беккерелем показало, что может быть возможным. Мы узнали, что некоторые элементы подвергаются радиоактивному распаду, самопроизвольно переходя в атом другого типа, испуская прилив энергии и частиц. Этот процесс происходит с одинаковой скоростью, такой же устойчивой, как часы, на которую не влияют обычные температуры или обычная химия.
Принцип использования радиоактивного распада в качестве метода датирования прост. Рассмотрим эту аналогию: гриль для барбекю, полный горящего угля. Древесный уголь горит с известной скоростью, и если вы измерите, сколько осталось угля и сколько пепла образовалось, вы сможете определить, как давно зажегся гриль.
Геологическим эквивалентом освещения гриля является время, в которое минеральное зерно затвердевало, будь то давно в древнем граните или просто сегодня в свежем лавовом потоке. Твердое минеральное зерно задерживает радиоактивные атомы и их продукты распада, помогающие обеспечить точные результаты.
Вскоре после того, как радиоактивность была обнаружена, экспериментаторы опубликовали некоторые даты испытаний пород. Понимая, что при распаде урана образуется гелий, Эрнест Резерфорд в 1905 году определил возраст куска урановой руды, измерив количество захваченного в нем гелия. Бертрам Болтвуд в 1907 году использовал свинец, конечный продукт распада урана, в качестве метода оценки возраста минерального уранинита в некоторых древних породах.
Результаты были впечатляющими, но преждевременными. Камни оказались удивительно древними, в возрасте от 400 миллионов до двух с лишним лет. миллиард года. Но в то время никто не знал об изотопах. однажды изотопы были эксплицированыВ течение 1910-х годов стало ясно, что методы радиометрического датирования не были готовы к прайм-тайму.
С открытием изотопов проблема датирования вернулась на круги своя. Например, каскад распада урана-свинца в действительности равен двум - распады урана-235 - свинца-207 и распада урана-238 - свинца-206, но второй процесс происходит почти в семь раз медленнее. (Что делает датирование ураном-свинцом особенно полезно.) В следующие десятилетия было обнаружено около 200 других изотопов; у тех, которые являются радиоактивными, затем были определены скорости распада в кропотливых лабораторных экспериментах.
К 1940-м годам эти фундаментальные знания и достижения в области инструментов позволили начать определять даты, которые что-то значат для геологов. Но методы все еще развиваются сегодня, потому что с каждым шагом вперед можно задать множество новых научных вопросов и ответить на них.
Методы изотопного датирования
Существует два основных метода изотопного датирования. Каждый обнаруживает и считает радиоактивные атомы через их излучение. Пионеры радиоуглеродного датирования использовали этот метод, потому что углерод-14, радиоактивный изотоп углерода, очень активен, распадаясь с периодом полураспада всего 5730 лет. Первые радиоуглеродные лаборатории были построены под землей с использованием антикварных материалов, относящихся к эпохе радиоактивного загрязнения до 1940-х годов, с целью поддержания низкого уровня фонового излучения. Тем не менее, для получения точных результатов могут потребоваться недели подсчета пациентов, особенно в старых образцах, в которых остается очень мало атомов радиоуглерода. Этот метод все еще используется для дефицитных, высокорадиоактивных изотопов, таких как углерод-14 и тритий (водород-3).
Большинство процессов распада, представляющих интерес для геологии, слишком медленные для методов подсчета распада. Другой метод основан на фактическом подсчете атомов каждого изотопа, а не ожидании распада некоторых из них. Этот метод сложнее, но более перспективен. Это включает в себя подготовку образцов и проведение их через масс-спектрометр, который сортирует их атом за атомом в соответствии с весом так же аккуратно, как одна из тех машин для сортировки монет.
Для примера рассмотрим калийно-аргоновый метод датирования. Атомы калия входят в три изотопа. Калий-39 и калий-41 стабильны, но калий-40 подвергается распаду, который превращает его в аргон-40 с периодом полураспада в 1277 миллионов лет. Таким образом, чем старше образец, тем меньше процент калия-40, и наоборот, тем больше процент аргона-40 относительно аргона-36 и аргона-38. Подсчет нескольких миллионов атомов (просто с помощью микрограмма камня) дает довольно хорошие даты.
Изотопные датировки легли в основу целого столетия прогресса, которого мы достигли в истинной истории Земли. И что произошло за эти миллиарды лет? Этого времени достаточно, чтобы соответствовать всем геологическим событиям, о которых мы когда-либо слышали, с оставшимися миллиардами. Но с этими инструментами знакомств мы были заняты составлением карт глубокого времени, и история с каждым годом становится все точнее.