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

Первый период мезозойской эры – это триас. Триасовые слои (стратиграфически более молодые, чем пермские) были выделены немецким геологом Августом фон Альберти в 1834 г. на основе формации в Германии, состоящей из пластов пестрого песчаника, ракушечного известняка и радужных мергелей, или кейпера (представляющих подошвенное налегание при подъеме уровня моря)[164]164
  Alberti, von, 1834.


[Закрыть]. Альберти назвал формацию триасом в честь трех пластов. Вернер и другие первые геологи первоначально относили эти слои к нижней части вторичных, или «флецевых», пластов. Обильные ископаемые в верхних отделах вторичных пластов позволяли более легко классифицировать толщу. Обнаруженные Альберти месторождения соли, горные породы и фауна недалеко от города Зульц, где находились три знаменитых триасовых отложения, по характеру отличались и от более древнего цехштейна (пермский период), и от более молодого лейаса (юрский период). Пестрый песчаник формирует впечатляющие обнажения выветренной красной породы. В конечном итоге триасовые слои были выделены в аналогичных морских отложениях Альп и со временем на других континентах.

Юрский период, одно из первоначально выделенных подразделений, был наиболее изученным среди периодов мезозоя, отчасти благодаря тому, что множество обнажений горных пород того времени находилось вдоль побережья Дорсета, местности, где работала Мэри Эннинг.

Александр фон Гумбольдт, прусский географ, натуралист и исследователь, был первым, кто обратил внимание на юрские горные породы во время путешествия по Южной Франции, Западной Швейцарии и Северной Италии, и назвал их в 1799 г. юрским известняком (нем. Jura-Kalkstein), в честь гор Юра. Гумбольдт сделал свои выводы, опираясь исключительно на характеристики горных пород и стратиграфию, и не включил в свое сочинение никакой информации об ископаемых. В Англии Смит официально выделил юрские пласты в качестве системы лишь в своем отчете 1816–1819 гг.[165]165
  Smith, 1816–1819.


[Закрыть]. В 1822 г. Конибир и Филлипс продолжили подразделение юрского периода, выделив оолитовую серию (оолиты – это шаровидные образования, из которых образованы некоторые известняки), состоящую из более молодого оолита и более древнего лейаса[166]166
  Conybeare and Phillips, 1822.


[Закрыть]. В течение нескольких лет после этого в состав первых временных шкал входила оолитовая серия (рис. 3.4), созданная Джоном Филлипсом, английским геологом из Йоркшира, который помогал Смиту с проведением геологической съемки при создании карты графства Йоркшир[167]167
  Phillips J. Life on Earth: Its Origin and Succession. Cambridge: Macmillan, 1860. P. 51.


[Закрыть].

Меловой период – последний период мезозойской эры, который был впервые выделен Жан-Батистом Жюльеном д’Омалиусом д’Аллуа, бельгийским геологом, проводившим исследования Парижского бассейна в период с 1817 по 1822 г. Он назвал меловые формации (мягкий, тонкозернистый известняк, сложенный останками крошечных морских организмов), найденные там, территорией мела, а система в конечном итоге стала называться меловой. В Англии Смит определил местоположение таких пластов и стал первым, кто показал, что меловая формация занимает обширные участки. Из мела этого возраста, сложенного из спрессованных, богатых кальцитом фораминифер (одноклеточных крошечных морских животных), образованы Белые скалы Дувра.

Окончание этого периода привлекло столько же внимания, сколько и его начало и середина, в связи с падением астероида, в результате которого образовался кратер Чиксулуб, и его ролью в вымирании живых организмов в конце мелового периода. Следует особенно отметить исследования кратера Чиксулуб, проведенные физиком Луисом Альваресом и его сыном, геологом Уолтером Альваресом. Луис Альварес в 1968 г. стал лауреатом Нобелевской премии за свои работы в области физики элементарных частиц[168]168
  Stuart S. Biography Luis W. Alvarez // Nobel Lectures, Physics, 1963–1970. Amsterdam: Elsevier, 1972. P. 291–292.


[Закрыть]. Карьера Альвареса была выдающейся: во время Второй мировой войны в Массачусетском технологическом институте он занимался разработкой сложного детонатора для плутониевой бомбы «Толстяк», открыл радиоактивность трития, работал над изучением свойств космических лучей, разработал три разные радарные системы, одна из которых до сих пор используется в управлении воздушным движением. Альварес также был профессором Калифорнийского университета в Беркли, где под его руководством был построен 12-метровый линейный ускоритель частиц.

Рис. 3.4. Развитие временной шкалы геологии и форм жизни (Phillips, 1860. P. 51)

В 1977 г. Уолтер Альварес, профессор геологии Калифорнийского университета в Беркли, специалист по геоархеологии и палеомагнетизму, находился в Губбио, Италия, где собирал образцы для палеомагнитных исследований. Изучая особый пласт известняка в месте стыка меловых и третичных слоев, он обратил внимание на тонкий слой красной глины, покрывающий известняк. Пласт известняка под глиной содержал фораминиферы, но в самом слое глины их не было, а в залегающем выше, четвертичном известняке, можно было обнаружить всего лишь один вид фораминифер. Уолтер Альварес привез образцы глины в лаборатории Беркли и проконсультировался со своим отцом, который посоветовал провести дальнейшее исследование в лаборатории своих коллег, физиков-ядерщиков Фрэнка Асаро и Хелен Мичел. Асаро и Мичел использовали метод, который они разработали для точного определения низких концентраций элементов. Ученые обнаружили в образцах глины концентрацию иридия в шесть раз больше, чем обычно встречается на Земле. Путем дальнейшего сравнения концентрации иридия в других материалах ученые определили, что источник иридия – внеземной. На основе исследований иридия в 1980 г. четверо ученых опубликовали свои результаты, подробно изложив теорию ужасного столкновения с астероидом, которое привело к вымиранию живых организмов на границе мела и палеогена (K-Pg) (раньше эту границу называли границей мелового и третичного периодов, K-T)[169]169
  Alvarez L. W., Alvarez W., Asaro F. and Michel H. V. Extraterrestrial cause of the Cretaceous-Tertiary extinction // Science. 1980. V. 208. № 4448. P. 1095–1108.


[Закрыть]. Пройдет еще десять лет, прежде чем исследователи найдут место падения астероида. Именно столкновение с астероидом и связанное с ним массовое вымирание знаменуют окончание мелового периода и мезозойской эры и начало кайнозойской эры.

Кайнозойская эра – современная эра геологической истории Земли, и ее первым периодом с исторической точки зрения является третичный. Термин «третичный» был предложен в 1760 г. итальянским геологом Джованни Ардуино на основе вернеровской системы[170]170
  Vacarri, 2006.


[Закрыть]. Ардуино идентифицировал пласты в горах Италии только по их литологическим характеристикам, без использования ископаемых, и поместил их стратиграфически над вернеровской вторичной системой как относящиеся к третьему периоду – третичному. Геологи в дальнейшем выделили такие горные породы по всему континенту и обратили внимание на то, что с ними ассоциированы определенные комплексы ископаемых. Например, в 1810 г. Кювье и Броньяр дали пространную характеристику третичных горных пород, исходя из анализа ископаемых и пластов Парижского бассейна[171]171
  Cuvier G. and Brongniart A. Description géologique des environs de Paris. Paris: Chez G. Dufour et E. D’Ocagne, 1822, 428 p.


[Закрыть].

Третичный период стал официальным подразделением геохронологической шкалы на основе работы Лайеля 1833 г. и состоит из следующих эпох (которые являются более короткими подразделениями внутри конкретных периодов): палеоцена, эоцена, олигоцена, миоцена и плиоцена. Лайель выделил эоцен, миоцен, плиоцен и одну из более поздних стадий четвертичного периода – плейстоцен – в 1833 г. в третьем томе «Основных начал геологии»[172]172
  Lyell, 1833.


[Закрыть]. Первоначально основу для выделения этих отделов создали изучение ископаемых и биостратиграфия. Позднее, когда появились методы количественного датирования, они стали соответствовать временным (хроностратиграфическим) подразделениям. Лайель добавил олигоцен и палеоцен в издания своей книги 1854 г. и 1874 г. соответственно.

Палеоген (от греч. παλαιός – старый, древний и γενής – рождающий, рожденный) был принят Международной комиссией по стратиграфии в качестве нижнего отдела третичного периода, состоящего из палеоцена, эоцена и олигоцена. Карл Фридрих Науман, профессор минералогии и геологии Лейпцигского университета, впервые выделил палеоген в ранг системы в 1866 г. Основой для определения послужили его исследования на севере Германии, где в горных породах соседних третичных слоев наблюдались разные фауна и флора[173]173
  Naumann, 1866. P. 8.


[Закрыть].

Международная комиссия по стратиграфии постановила классифицировать верхний отдел третичного периода как неогеновый, состоящий из эпох миоцена и плиоцена. Мориц Гёрнес, директор Музея естественной истории в Вене, впервые использовал термин «неоген» в 1853 г., упоминая о работе профессора зоологии и технологии Гейдельбергского университета Хенрика Георга Бронна, вышедшей двадцатью с лишним годами ранее[174]174
  Hörnes, 1853. P. 808.


[Закрыть]. Гёрнес исследовал ископаемые Венецианского бассейна и обратил внимание на то, что фауны миоцена и плиоцена больше похожи друг на друга, чем на фауну более древних слоев, и поэтому отнес их к новой категории – неогену. Он установил взаимосвязь между своими находками на Сицилии, Кипре и Родосе, а также включил более молодые ледниковые и намывные отложения, которые были позднее идентифицированы как четвертичные, причем это разграничение отчасти основывалось на категориях, выделенных Бронном.

Французский геолог и археолог Жюль Денуайе выделил четвертичный период в 1829 г. при исследовании осадков в бассейне Луары в регионе Турен и в Лангедоке, Франция[175]175
  Desnoyers, 1829.


[Закрыть]. Он обнаружил и обозначил три комплекса моложе третичных слоев и назвал этот период четвертичным. В рамках четвертичного периода Денуайе выделил современные породы (самые молодые), делювиальные и раковинный известняк туренского горизонта (мергель с раковинами). Не во всех комплексах были ископаемые; некоторые представляли собой горную породу, образовавшуюся в результате литификации булыжников под действием рек.

В 1833 г. французский геолог Анри-Поль-Ирене Ребуль определил, что ископаемые четвертичного периода представляют собой остатки животных, живущих и ныне, в отличие от ископаемых третичного периода[176]176
  Reboul H. P. I. Géologie de la période Quaternaire. Paris: F. G. Levrault, 1833. P. 1–2.


[Закрыть]. Лайель включил четвертичный период в том виде, в котором его выделил Денуайе, во французское издание «Элементов геологии» 1839 г. В рамках четвертичного периода Международная комиссия по стратиграфии приняла эпохи плейстоцена и голоцена. Плейстоцен был определен как начало самых последних периодов оледенения и межледниковья, когда климат стал холоднее и массивные ледниковые щиты покрыли большие участки Северного полушария.

Дискуссия о четвертичном периоде и его подразделениях – стоит ли и как включить их в кайнозойскую эру – продолжалась десятки лет. Например, во времена Лайеля некоторые геологи были не согласны с отнесением ледниковых отложений к плейстоцену; сам Лайель предпочел поместить их в свою категорию «более молодого плиоцена»[177]177
  Aubry M-P., Berggren W. A., Van Couvering J., McGowran B., Pillans B. and Hilgen F. Quaternary: Status, rank, definition, and survival // Episodes. 2005. V. 28. № 2. P. 118.


[Закрыть]. Часть проблем возникала потому, что первоначально единицы временной шкалы выделяли с помощью биостратиграфии с использованием руководящих ископаемых или климатологии (ледниковых периодов), а затем, с появлением количественных методов датирования, их с разной степенью точности превратили в хроностратиграфические подразделения. В самом последнем издании геохронологической шкалы Международная комиссия по стратиграфии выделяет (от более древнего к более молодому) палеогеновый, неогеновый и четвертичный периоды.

Классификация эр – более длинных подразделений временной шкалы – была предложена несколькими британскими геологами. В 1838 г. Седжвик предложил термин «палеозойская серия» (позднее – эра) для объединения пластов в Британии от нижнего отдела кембрия до верхнего силура (ордовикский период еще не был выделен)[178]178
  Schuchert C. Paleogeography of North America // Geological Survey of America Bulletin. 1910, February 5. V. 20. P. 513.


[Закрыть]. Джон Филлипс в 1840 и 1860 гг. создал усовершенствованный вариант первой шкалы, расширив палеозойскую эру за счет включения пластов девонской, каменноугольной и пермской «систем» – тех, что залегали над слоями кембрийского и силурийского периодов. Филлипс предложил термины «мезозойская» и «кайнозойская» эры и включил в мезозойскую эру триасовую, оолитовую и меловую системы, а в кайнозойскую – эоцен, миоцен и плейстоцен (системы, выделенные Лайелем)[179]179
  Phillips, 1860. P. 51.


[Закрыть]. Филлипс изучал количество видов морских животных на протяжении времени в палеонтологической летописи Британии и, исходя из существования разрывов, связанных с событиями массового вымирания, выделил три эры, впервые применив статистический подход (рис. 3.5)[180]180
  Ibid. P. 66, fig. 4.


[Закрыть]. Диаграмма иллюстрирует вымирание в пермском периоде видов, живших в палеозое, а в меловом периоде – родов, живших в мезозойскую эру. Кроме того, кривая, характеризующая обилие видов, имеет несколько «впадин». Самая древняя из них относится к девонскому периоду и свидетельствует об изменении разнообразия видов в «переокисленных» осадках[181]181
  «Переокисленные» – устаревший термин, использовавшийся для описания глубоководных океанических осадков, которые подверглись химическим изменениям, включая кристаллизацию самых твердых минералов и восстановление металлов. См. Section E: Geology and Geography // Proceedings of the American Academy of Science. 33rd meeting, Philadelphia, September 1884. Salem, Massachusetts: Salem Press, 1885. P. 437.


[Закрыть]; а вторая «впадина» приходится на середину мезозойской эры и связана с утратой ряда организмов в самой верхней части оолитовых горных пород. Более поздние исследования выявили пять значимых вымираний, но два события – вымирание в конце пермского периода и столкновение с астероидом в конце мезозоя, – как показал Филлипс, являются отличительными признаками перехода между эрами.

Рис. 3.5.Определение границ геологических эр и распространенность видов живых организмов (Phillips, 1860, figure 4)

Оценка времени: последний рубеж

В Западной Европе возраст Земли в 1650 г. впервые высчитал епископ англиканской церкви Ирландии Джеймс Ашер на основе тщательного подсчета числа поколений людей, упоминаемых в Библии, библейского возраста и других исторических дохристианских дат. Согласно подсчетам Ашера, Земля возникла 23 октября 4004 г. до н. э., следовательно, сейчас ее возраст был бы чуть более шести тысяч лет. По мере развития геологии в эпоху Просвещения, с начала XVIII в., исследования и размышления Геттона, а затем Лайеля поставили под сомнение возраст Земли, вычисленный Ашером; эти ученые полагали, исходя из своих научных исследований, что наша планета, более вероятно, существует миллионы лет. Эта цифра все увеличивалась по мере развития науки, и теперь известно, что возраст Земли исчисляется миллиардами лет.

Несмотря на то что ученые разгадывают тайны эонов и эр в истории Земли, гораздо меньше известно о самых далеких временах, и чем дальше в прошлое мы смотрим, тем все более обобщенными и широкими становятся интервалы, на которые разделено это время. Тем не менее эти начальные периоды, как мы увидим далее в главе 4, все больше оказываются в центре внимания благодаря хроностратиграфическим методам[182]182
  Несколько замечаний о современном использовании терминов, относящихся к геологическому времени. Для описания событий геологической летописи, относящихся к периоду или другому подразделению времени, используются следующие геохронологические (временные) термины: «ранний», «средний» и «поздний». При обсуждении геологических комплексов, к которым относятся конкретные горные породы, комплексы горных пород или стратиграфические слои, где периоды или подразделения идентифицированы как таковые, согласно решению Международной комиссии по стратиграфии, для описания периода или другого официального хронологического подразделения используются следующие хроностратиграфические (время – горные породы) термины: «нижний», «средний» и «верхний». См. Haile N. S. Time and age in geology: the use of upper/lower, late/early in stratigraphic nomenclature // Marine and Petroleum Geology. 1987. V. 4. № 3. P. 255.


[Закрыть].

4
Геологическое время: измерение времени и природа геологической истории

Определение времени: количественные методы датирования

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]183
  Williams H. S. Studies for students, the elements of the geologic time scale // Journal of Geology, 1893. V. 1. P. 294.


[Закрыть]. 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]184
  Valley J. W. et al. Hadean age for a post-magma-ocean zircon confirmed by atom-probe tomography // Nature Geoscience. 2014. V. 7. P. 219–223.


[Закрыть]. 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]185
  O’Neill J., Boyet M, Carleson R. W. and Paquette J. L. Half a billion years of reworking the Hadean mafic crust to produce the Nuvvuagittuq Eoarchean felsic crust // Earth and Planetary Science Letters. 2013. V. 379. P. 13–25.


[Закрыть]. 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.

Само излучение, открытое Рентгеном и названное впоследствии рентгеновским (Х-лучами), исследователи наблюдали уже в 1880-х гг., но явление радиоактивности открыл в 1896 г. французский физик Антуан Анри Беккерель (1852–1908). Беккерель положил образец соли урана на фотографическую пластину (изолированную от воздействия солнечного света и других источников излучения), и на ней постепенно проявились очертания уранового образца. Беккерель задался вопросом: как такое возможно? Единственным разумным объяснением было то, что образец испускает «невидимые лучи»[186]186
  Lowrie W. Fundamentals of Geophysics (third edition). L.: Cambridge University Press, 2020. P. 211.


[Закрыть]. В том же году ученый опубликовал результаты своей работы[187]187
  Becquerel H. A. Sur les radiations émises par phosphorescence // Comptes Rendus des Séances de l’Académie des Sciences, 1896. V. 122. P. 420–421.


[Закрыть]. Беккерель умер в относительно молодом возрасте – ему было 55 лет, – вероятно, из-за работы с радиоактивным материалом, который вызывал многочисленные ожоги на его руках, и воздействия радиации.

В 1898 г. супруги Пьер Кюри (1859–1906) и Мария Склодовская-Кюри (1867–1934), французские физики, заинтересовались работой Беккереля и продолжили его исследования. Супруги Кюри (под руководством Марии) занимались исследованием тория и выяснили, что он испускает такие же «урановые лучи», как те, что обнаружил Беккерель. Мария назвала этот процесс радиоактивностью – так впервые был введен этот термин[188]188
  Friedlander G., Kennedy J. W. and Macias E. S. Nuclear and Radiochemistry. N. Y.: Wiley, 1981. P. 2.


[Закрыть]. Историки науки отдают должное Марии Кюри за осознание того факта, что источником излучения является ядро атома, а не совокупность его электронов. Эта концепция стала основой для развития физики[189]189
  Froman N. Marie and Pierre Curie and the discovery of polonium and radium (лекция в Королевской академии наук Швеции 28 февраля 1996 г., перевод Marshall-Lundén N.), 1996. https://www. nobelprize. org/prizes/themes/marie-and-pierre-curie-and-the-discovery-of-polonium-and-radium/


[Закрыть]. Кюри открыли два новых элемента: полоний и радий.

В 1903 г. Нобелевская премия по физике была присуждена Марии Кюри, Пьеру Кюри и Анри Беккерелю. Нобелевский комитет присудил награду супругам Кюри «в знак высокой оценки их выдающихся совместных работ по исследованию явлений излучения, открытых профессором Анри Беккерелем»[190]190
  Цит. с дополнениями по: Кюри Е. Мария Кюри / Пер. с фр. Е. Ф. Корша // Пьер и Мария Кюри. М.: Молодая гвардия, 1959. С. 258.


[Закрыть][191]191
  Ibid. P. 10.


[Закрыть]. В 1911 г. Мария Кюри получила вторую Нобелевскую премию – по химии – за работу с полонием и радием, которую она продолжила после трагической гибели мужа в 1906 г.: Пьер Кюри, поскользнувшись, попал под колеса экипажа и скончался в возрасте 46 лет в результате смертельного перелома черепа.

Понятие об изотопах было введено в 1913 г. радиохимиком Фредериком Содди (1877–1956), который на основе своих исследований изотопов свинца, иридия и тория понял, что атомы, имеющие одинаковую химическую природу и атомный объем, могут иметь разные атомные массы[192]192
  Soddy F. The origins of the conception of isotopes // Scientific Monthly, 1923. V. 17. № 4. P. 305–317.


[Закрыть]. В 1921 г. Содди была присуждена Нобелевская премия, но награду он смог получить только в следующем, 1922 г.[193]193
  Комитет Нобелевской премии в 1921 г. решил, что ни один из номинантов не соответствует критериям, определенным в завещании Альфреда Нобеля, поэтому в том году премии не вручались; тем не менее Содди получил свою награду в следующем году.


[Закрыть]. Еще ранее, в 1899 г., другой лауреат Нобелевской премии (1908), Эрнест Резерфорд (1871–1937), обнаружил, что торий выделяет газ, позже получивший название радон, и этот процесс сопровождается излучением двух типов: α и β. Два года спустя Резерфорд и Содди экспериментально обнаружили, что торий (в образце, оставленном в лаборатории на рождественские каникулы) в результате β-распада превратился в другую форму, которая, как выяснилось, представляет собой совершенно иной химический элемент: радий. В 1902 г. ученые опубликовали статью в двух частях «Причина и природа радиоактивности» о трансмутации – изменениях – элементов[194]194
  Rutherford E. and Soddy F. The cause and nature of radioactivity // London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. 1902. Vol. 4, 6th series. P. 370–396 (Part I), and 569–585 (Part II). (Резерфорд Э. совместно с Содди Ф. Причина и природа радиоактивности. Часть I и II // Резерфорд Э. Избранные научные труды. Радиоактивность / Отв. ред. акад. Г. И. Флеров; составитель и редактор перевода канд. физ. – мат. наук Ю. М. Ципенюк. М.: Наука, 1971. С. 202–239.)


[Закрыть]. В 1904 г. Резерфорд опубликовал книгу под названием «Радиоактивность» (Radio-Activity), где писал следующее:

Наиболее примечательным свойством радиоактивных тел является их способность самопроизвольно и непрерывно излучать энергию с постоянной интенсивностью без всякого, насколько известно, воздействия на них внешних причин… Явление кажется еще более удивительным, если считать, что радиоактивные тела, должно быть, постоянно излучают энергию с момента их образования в земной коре[195]195
  Rutherford E. Radio-activity // Neville F. H. and Whetham W. C. D. (eds.). Cambridge Physical Series. L.: Cambridge University Press, 1904. P. 4.


[Закрыть].

Среди изотопов водорода протий (водород-1) – самая стабильная и наиболее распространенная форма, состоит из одного протона и одного электрона и составляет более 99 % всего водорода на Земле. Протий существует в виде газа или соединений с другими элементами или другими изотопами водорода. Дейтерий (водород-2) состоит из одного протона, одного нейтрона и одного электрона. Связи в атоме дейтерия более сильные, чем в протии, и он более тяжелый. При взаимодействии дейтерия с кислородом образуется тяжелая вода, которая применяется в ядерных реакторах в качестве замедлителя нейтронов в реакциях распада урана, а также в некоторых методах обработки медицинских изображений. Тритий (водород-3) – нестабильный, радиоактивный изотоп водорода состоит из одного протона, двух нейтронов и одного электрона. Период полураспада трития с образованием газа гелия-3 (³He) составляет 12,43 года. Тритий представляет особый интерес для геологии, поскольку он имеет относительно короткий период жизни и его можно использовать для оценки возраста подземных вод и влияния поверхностных вод на подземные. Это один из многих методов применения радиоактивных изотопов в науках о Земле.

Материнские изотопы – это исходные изотопы горной породы или минерала, которые претерпевают распад. Дочерние изотопы – это изотопы, в которые превращаются материнские изотопы в результате распада с особой скоростью, называемой периодом полураспада (см. таблицу 4.1). Период полураспада – эквивалент константы распада для радиоактивного изотопа. Периоды полураспада разных изотопов варьируют в широком диапазоне: от относительно короткого, как в случае трития, до очень большого, как в случае урана. Следовательно, использование изотопов различается в соответствии с диапазоном времени, который охватывает их период полураспада. Благодаря этим свойствам изотопы превращаются в полезный инструмент датирования отложений, минералов или горных пород различного возраста, даже исчисляемого миллиардами лет.

Подземные воды наряду с поверхностными являются одним из важнейших источников воды для живых организмов. Они представляют собой часть гидросферы и взаимосвязаны с остальными оболочками Земли. Возраст подземных вод различен и зависит от того, насколько быстро пополняются их запасы за счет воды, просачивающейся с поверхности, или связи с озерами, ручьями и реками. Знание возраста подземных вод помогает определить, легко ли восполняются запасы и можно ли их использовать в качестве постоянного источника питьевой воды. Гидрологи обычно по присутствию трития определяют возраст и источник подземных вод. Подземные воды, возраст которых находится в диапазоне 60–100 лет, гидрологи считают «молодыми», что следует из короткого периода полураспада трития. Тритий – удобный изотоп, потому что, хотя он относительно редко встречается в природе (он образуется в низких концентрациях в результате взаимодействия космического излучения с атмосферой), его содержание довольно просто определить. Содержание трития измеряется в тритиевых единицах (ТЕ): 1 ТЕ равна отношению 1 атома трития к 10¹⁸ атомов водорода. До 1950 г. концентрации трития в подземных водах были низкими (менее 0,8 ТЕ)[196]196
  Sustainability of semi-arid hydrology and riparian areas (SAHRA), University of Arizona. http://web. sahra. arizona. edu/programs/isotopes/hydrogen. html (дата обращения: 15.06.2017).


[Закрыть]. Большая часть современного трития образовалась в результате испытаний термоядерного оружия в атмосфере в период с середины 1950-х до середины 1960-х гг. Пик выбросов пришелся на 1963 г.: в этот период концентрация трития достигала 1,3×10⁹ ТЕ. Тритий в высоких концентрациях смешивался с облаками и в результате выпадения атмосферных осадков поступал в океаны, а также в поверхностные и подземные воды. В период, когда проводился максимум испытаний бомб, станции во многих странах Северного полушария фиксировали концентрации трития в осадках на уровне 5000 ТЕ[197]197
  International Atomic Energy Agency. Statistical treatment of environmental isotope data in precipitation (revised edition), Technical Reports Series No. 331. Vienna: IAEA, 1992. P. 34.


[Закрыть]. Количество трития в подземных водах служит индикатором давности его происхождения и того, происходило ли пополнение запасов подземных вод за счет воды с поверхности[198]198
  Kresic N. Hydrogeology and Groundwater Modeling (second edition). Boca Raton: CRC Press, 2006. P. 393.


[Закрыть]. Возраст подземных вод полезно знать для размещения водозаборных скважин и колодцев. Если возраст резервуара подземных вод составляет десятки тысяч лет, вода в нем древняя и не будет возобновляться из других источников. Такое хранилище нельзя рассматривать в качестве устойчивого источника питьевой воды, потому что резервуар будет быстро исчерпан и не сохранится.

Таблица 4.1. Радиоактивные элементы: материнские и дочерние изотопы, диапазон возраста и датируемые материалы

Со временем исчерпание и истощение антропогенного (связанного с деятельностью человека) трития в поверхностных и подземных водах приведет к тому, что он станет менее полезным индикатором возраста воды. Другими радиоактивными элементами, используемыми для датирования подземных вод, осадков, археологического материала и других материалов, содержащих углерод, являются углерод-14 и изотопы кислорода. Более 99 % всех атомов углерода на Земле стабильны, и их ядра содержат 6 нейтронов (углерод-12); они не подвергаются радиоактивному распаду. Другие изотопы углерода имеют разное число нейтронов. Один из наиболее хорошо известных изотопов – углерод-14, ядро которого состоит из такого же количества протонов, что и ядро углерода-6, но имеет 8 нейтронов, поэтому углерод-14 тяжелее и является слаборадиоактивным. Этот изотоп углерода нестабилен и подвергается радиоактивному распаду, период полураспада составляет 5730 лет. Данные о содержании углерода-14 позволяют геологам точно определять возраст многих горных пород и минералов.

Другие изотопы, например урана, действуют как еще одни «часы в камне». Процесс соответствует описанному выше – происходит распад материнских изотопов с образованием дочерних, – но периоды полураспада намного больше. Например, датирование кристаллов циркона с помощью количественных методов дало несколько оценок самого древнего возраста на планете.