История Земли в 25 камнях: Геологические тайны и люди, их разгадавшие - Дональд Протеро Страница 20

физике и химии радиоактивности, и открытия их показали, что предположение Кельвина об отсутствии дополнительного тепла было неверным. Но они не были геологами, которых живо интересовала бы проблема возраста Земли. Зато двое других ученых, Бертрам Болтвуд и Артур Холмс, поняли, что радиоактивность не только объясняет, откуда берется тепло, опровергающее предположение Кельвина, но и дает ответ на вопрос: «Сколько лет Земле?»

Путь к ответу прост, хотя многие понимают этот метод неправильно. В природе существует всего несколько элементов, которые являются радиоактивными и самопроизвольно распадаются: родительский атом (например, уран-238, уран-235 и калий-40) превращается в стабильный дочерний атом (свинец-206, свинец-207, аргон-40 и кальций-40), и скорость этого процесса достаточно мала, что позволяет использовать его для геологического датирования. Скорость распада известна точно, поэтому если мы сможем измерить в образце количество родительских атомов и количество дочерних, то их соотношение и будет мерой того, как долго происходил распад.

Конечно, при работе с настоящими горными породами возникает много сложностей, поэтому должны соблюдаться особые условия. Распад измеряется с момента кристаллизации минерала, вот почему метод в основном применим к магматическим породам, образующимся в результате остывания магмы, – например, потокам лавы, слоям вулканического пепла или внедряющимся магматическим телам, формирующим дайки. Геохронологи (специалисты по радиометрическому датированию) стараются получить как можно более свежие кристаллы, чтобы не было ни утери, ни добавления родительских или дочерних атомов – такие утечки и загрязнения могут исказить измеряемое соотношение. Заранее устранить ожидаемые проблемы и правильно калибровать используемый для надежного определения возраста прибор (его называют масс-спектрометром, поскольку он разделяет разные изотопы и измеряет их массу) помогают разнообразные лабораторные процедуры. Наконец, каждая радиометрическая дата сопровождается оценкой погрешности, основанной на том, насколько воспроизводимым может быть каждый полученный результат. Например, если указывается возраст в 100 млн лет ± 5 млн лет, это означает, что с вероятностью в 95 % истинный возраст лежит где-то между 95 млн лет и 105 млн лет.

Однако в 1900 г., когда радиоактивность только начинали изучать, все это не было известно. Физики пытались датировать горные породы, измеряя количество гелия – газа, выделяющегося при распаде урана, но уловить весь гелий почти невозможно. Другой метод нашел химик из Йельского университета Бертрам Болтвуд: он обнаружил, что уран в результате радиоактивного распада превращается в свинец. Следуя предположению Резерфорда, Болтвуд обратил внимание на то, что породы, заведомо более старые, содержат больше свинца, чем молодые. К сожалению, в то время господствовало самое примитивное понимание схемы превращения урана в свинец. В частности, Болтвуд не знал, что существуют два радиоактивных изотопа урана (уран-238 и уран-235), у которых разные скорости распада и разные дочерние изотопы свинца. И все же после анализа имевшихся у него образцов химик в 1907 г. получил величины от 400 млн лет до 2,2 млрд лет (единица в миллиард лет называется гигагодом и в зарубежной литературе обозначается Ga – сокращение латинского gigaannum). Это стало первым подтверждением догадки, что в действительности Земле уже миллиарды лет, как давно подозревали геологи, и что оценка Кельвина далека от истины. Увы, позднее Болтвуд начал страдать от тяжелой депрессии, и его исследования зашли в тупик. В 1927 г. он покончил с собой.

Игры с датировкой

Первые анализы Болтвуда показали, что возраст некоторых горных пород достигает 2,2 млрд лет, но дальше ученый не продвинулся. Задача превратить зарождающуюся геохронологию в строгую науку выпала на долю молодого британского геолога Артура Холмса (рис. 8.1). Холмс родился в 1890 г. в крохотном городке Гейтсхед (недалеко от Дарема и границы с Шотландией) в семье со скромным достатком. Изначально он планировал изучать физику в Королевском научном колледже (ныне Имперский колледж Лондона), но на втором году обучения вопреки советам наставников прошел курс геологии и нашел свое истинное призвание.

Рис. 8.1 Молодой Артур Холмс в 1912 г., когда он окончил учебу и начинал свою карьеру в геохронологии. Источник: Wikimedia Сommons

Холмс оказался блестящим студентом и вскоре занялся исследованиями. Он ухватился за горячую проблему радиоактивности и понял, что датирование уран-свинцовым методом, описанное в статье Болтвуда 1907 г., имеет огромные перспективы. Для своего проекта он использовал норвежский гранит девонского периода. Холмс прервал рождественские каникулы и провел их в Лондоне, работая в одиночестве в тихой лаборатории. Его научный руководитель физик Роберт Стретт отмечал:

В настоящее время мы в значительной степени существуем за счет заимствованного оборудования, часть которого принадлежит другим общественным организациям, таким как Королевская обсерватория, Королевское общество и т. д., а часть была одолжена у владельцев. Едва ли стоит напоминать: то, что преподаватели Имперского колледжа вынуждены выпрашивать учебное оборудование у своих личных друзей, кажется несколько ниже достоинства такого учреждения.

В январе 1910 г. Холмс в одиночку продолжал работу в тиши холодной лаборатории. В агатовой ступке он измельчал породу в порошок из минеральных зерен, переплавлял эти зерна в платиновом тигле с бурой, растворял их в чрезвычайно едкой плавиковой кислоте (см. главу 11), а затем снова и снова кипятил раствор, измеряя выделение радона (косвенно определяя тем самым содержание урана в породе). Содержание свинца молодой ученый измерял так: сплавлял порошок в лепешку, затем кипятил, дважды растворял в соляной кислоте, а после этого давал испариться всей содержащейся воде. Далее он нагревал остаток в сульфиде аммония, и в результате свинец выпадал в осадок в виде сульфида свинца (известного как минерал галенит). Этот осадок Холмс собирал на фильтре, сушил, прокаливал, обрабатывал азотной кислотой, кипятил, обрабатывал серной кислотой и снова нагревал. «В результате, – писал Холмс, – оставалось чуть-чуть белого осадка. Его собирали на очень маленьком фильтре, промывали спиртом, сушили, прокаливали и взвешивали с максимально возможной точностью». Часто оставалось всего несколько миллиграммов вещества.

Эти сложные химические манипуляции требовали невероятного терпения, исключительной ловкости и большого количества времени; часто в течение таких процедур расходовался почти весь первоначальный образец. В довершение всего результаты нужно было проверить, поэтому весь анализ ученый повторял от двух до пяти раз – в зависимости от того, сколько исходного вещества у него оставалось. Однажды ему пришлось отказаться от всех полученных данных, потому что в помещение просочился радон. В других случаях возникала необходимость просить в Британском музее еще один образец, так как первоначальный материал закончился. Однако в конце концов вся эта тяжелая работа окупилась, и Холмс получил надежную величину для возраста девонского гранита из Норвегии – 370 млн лет. Геолог значительно усовершенствовал подходы Болтвуда и доказал, что уран-свинцовый метод датирования действительно помогает определить возраст горных пород. Полученные результаты были опубликованы Холмсом в 1911 г. – через год после окончания колледжа.

Все годы учебы Холмс жил на крохотную стипендию в 60 фунтов в год; он был так беден, что на время