Автобиография Земли. 4,6 миллиарда лет захватывающей истории нашей планеты

Сначала учет геологического времени (см. главу 2) велся с помощью относительных методов, внедренных Стеноном. Позже Смит соотнес конкретные ископаемые с определенными слоями горных пород в Центральной Англии, разработав принцип последовательности фауны и ископаемых. Геологическое время калибровали указанным способом примерно две сотни лет до тех пор, пока в середине XX в. не был разработан второй тип методов датирования – количественные. Относительное датирование пластов применяется преимущественно по отношению к осадочным горным породам и поверхностным осадкам из-за потребности в присутствии ископаемых материалов, тогда как количественные методы датирования, или геохронология, применимы ко всем типам горных пород. Это было революционное достижение с точки зрения геологической истории, открывающее возможности для точного определения возраста всех слоев горных пород нашей планеты.

Предвестником появления абсолютного датирования стало введение термина «геохронология». Термин предложил американский геолог и профессор Корнеллского университета Генри Уильямс в 1893 г., когда установил связь между шкалой геологического времени и возрастом Земли[183]. Взяв за основу толщу отложений вдоль реки Миссисипи, Уильямс попытался подразделить геологическое время на стандартные единицы – геохроны, – исходя из известной скорости седиментации и сравнения между разными эрами. С учетом того, что мощность исследованных Уильямсом отложений, накопившихся на протяжении эоцена, составляла 520 м, ученый вычислил, что соответствующий геохрон составляет примерно одну треть кайнозойской эры. Оценки возраста с использованием этого метода по-прежнему считаются относительными, поскольку скорость седиментации различается в зависимости от того, в какой части света накапливаются отложения, а также от других процессов, таких как эрозия. И хотя концепция геохронов не сохранилась, все геологи используют временные маркеры – геохронологию или хронометрическое датирование – как вспомогательные при характеристике геологической истории.

Самый древний из найденных на данный момент минералов – это кристалл циркона возрастом 4,4 млрд лет, обнаруженный в Джек-Хиллс, к северу от Перта, Австралия[184]. Древние горные породы раннего докембрия встречаются редко. Одно из обнажений самых древних пород на Земле, возрастом более 4,0 млрд лет, находится на берегу Гудзонова залива в Канаде[185]. В наши дни специалисты в сфере наук о Земле знают возраст Земли в абсолютных числах, поскольку древние минералы и горные породы обладают встроенными виртуальными часами. Эти «часы» состоят из радиоактивных изотопов – нестабильных атомов, которые изменяются и распадаются с предсказуемой скоростью. Абсолютный или настоящий возраст (в пределах временного интервала) определяют путем измерения концентрации радиоактивных изотопов, которые в результате спонтанного распада с течением времени превращаются из нестабильных в более стабильные, более легкие элементы с определенной скоростью. Ученые вычисляют возраст соответствующих образцов по соотношению концентраций начальных, нестабильных атомов и конечных, более стабильных.

К количественным методам определения возраста относятся не только радиометрические, но и другие хронометрические методы, в том числе электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) – метод определения количества свободных радикалов (их концентрации увеличиваются с возрастом в результате действия космической радиации), а также термолюминисцентный анализ, позволяющий определить накопленную дозу радиоактивности в объекте, поскольку он остывал с момента своего формирования. Другие методы включают оценку магнитного поля Земли и смены полюсов, зафиксированных в горных породах (магнитостратиграфия с использованием палеомагнетизма), а также изучение годичных колец ископаемых деревьев (дендрохронология). У каждого метода имеется диапазон возраста, для которого он наиболее применим: например, с помощью дендрохронологии можно датировать материал возрастом до 11 000 лет; электронный парамагнитный резонанс может определить возраст зубов в образцах, для которых неприменим метод радиоуглеродного датирования, – возрастом сотни тысяч лет (при этом погрешность тем выше, чем более древний материал). Геологи используют изотопы с большим периодом полураспада, такие как серия изотопов калий-аргон, для датирования самых древних минералов и горных пород возрастом в миллиарды лет. В конкретных возрастных диапазонах используются разные методы для проверки и подтверждения датировки.

Количественное определение возраста горных пород привело к пересмотру возраста Земли: он оказался гораздо бо́льшим, чем можно было представить. Ученые больше не говорили о миллионах или о десятках или даже сотнях миллионов лет. Сегодня геологи исчисляют возраст Земли миллиардами лет. К такой оценке геология пришла с помощью методов, заимствованных из других отраслей, особенно из физики и химии.