Геологические часы - Александр Олейников

Достаточно нагреть полевой шпат до нескольких сотен градусов Цельсия, чтобы в его внутреннем строении произошли заметные перемены и аргон начал покидать кристаллическую решетку минерала. Но при той же температуре слюды стремятся сохранить свое прежнее строение и преобразуются значительно медленнее. До 1300° С необходимо нагреть светлую слюду мусковит, чтобы она утратила весь радиогенный аргон.

Казалось бесспорным, что аргон лучше всего сохраняется в слюдах. И вдруг - обратная закономерность: в некоторых образцах полевой шпат удерживает атомы радиогенного аргона лучше, чем находящаяся рядом слюда. Оказалось, снова виновата температура. На каждом тепловом рубеже любой минерал может выделить лишь некоторое количество содержащегося в нем аргона. Потом утечка газа прекращается и может возобновиться лишь при очередном нагревании. А вот скорости, с которыми аргон покидает кристаллическую решетку слюд и шпатов, не совпадают. Поэтому и получается иногда такое несоответствие.

Опасность ошибки в результате появления в породе избыточного аргона, захваченного кристаллами минералов во время их роста, значительно меньше. Это явление наблюдается нечасто и к тому же присуще лишь немногим минералам, которые редко используются для определения абсолютного возраста. Иногда ничтожные количества такого аргона обнаруживаются в эффузивных породах и туфах, но и здесь они крайне редки.

Зато в слюдах, взятых из метаморфических пород, радиолога могут ожидать подвохи. В кристаллах слюды сплошь и рядом можно обнаружить некоторое количество избыточного аргона. Его называют реликтовым или унаследованным. Присутствие такого аргона ощутимо удревняет абсолютный возраст. И что самое неприятное - полученный результат не дает возможности даже судить о том времени, когда порода подверглась изменениям.

Глубинные растворы приносят калий, высокая температура нарушает устоявшийся режим горной породы, и, повинуясь их требованиям, «бредут» атомы по своим кристаллическим «кочевьям». Проникает подобный раствор в докембрийские интрузивные образования, и в них начинают расти новые молодые минералы. Минералы такого происхождения не могут указать на истинный возраст горной породы.

Тем не менее такие новообразования представляют для радиолога определенный интерес. Хотя они и не позволяют решить основную задачу, но зато с их помощью можно достаточно точно установить время, когда горная порода подверглась преобразованию. А это очень важно для изучения геологического развития той или иной территории и воссоздания истории активности земных глубин.

А на поверхности породы, открытой действию дождя, ветра и солнца, протекают противоположные процессы - идет разрушение. Здесь кристаллическая структура минералов утрачивает калий. Даже невооруженным глазом можно заметить это необратимое изменение. Теряя калий, выветрелые полевые шпаты покрываются тонкой пленкой глинистых образований. Эта пленка постепенно утолщается, захватывает внутренние области кристаллов и в конце концов вместо прочного полевого шпата в породе остается лишь совершенно лишенная калия белая глина - каолин.

На первых порах соотношение калия и аргона в некоторых минералах сохраняется. Слюды, например, разрушаются последовательно, слой за слоем, и оба элемента покидают их кристаллическую решетку в количестве почти пропорциональном. И хотя аргон утрачивается слюдой все-таки немного быстрее, это не влияет существенно на результаты определения возраста. Но так обстоит дело только в начальной стадии выветривания. Пройдет время, и эти минералы тоже потеряют свою геохронологическую ценность.

Подземные грунтовые воды, насыщенные кальцием, высасывают калий из слюд и полевых шпатов. А еще глубже уже другие воды - выделяющиеся из магмы - вызывают замещение калия натрием.

В слюдах и полевых шпатах в резулы-ате геохимических процессов может изменяться также количество рубидия и стронция. Если рубидий займет в кристаллах слюды место калия (а это нередко происходит при стечении определенных условий), возраст породы неизбежно окажется заниженным. Стронций же при метаморфических преобразованиях, наоборот, переходит из слюды в окружающие ее минералы, в частности в полевые шпаты. Поэтому определение возраста метаморфических образований, сделанное по слюдам, «омолодит» исследуемую породу, а радиологические данные, полученные для полевых шпатов той же породы, напротив, «состарят» ее.

Правда, перемещения рубидия и стронция сравнительно невелики. Теоретически можно утверждать, что даже в небольшом куске породы, несмотря на все изменения, сохраняется первоначальное соотношение стронция-87 и рубидия-87. Казалось бы, следует анализировать не отдельные минералы, а их совокупность - валовую пробу породы.

Но выяснилось, что в валовых пробах обычно присутствует огромное количество обыкновенного - нерадиогенного - стронция, в десятки раз превышающее содержание радиогенного изотопа этого элемента. Дело сразу осложнилось. Если знать изотопный состав обычного стронция, можно было бы внести соответствующие поправки и все-таки выяснить истинный возраст породы. Но, к сожалению, радиологам изотопный состав стронция, как правило, не известен.

Свинцово-изотопный метод, по-видимому, имеет существенные преимущества перед аргоновым и стронциевым. Так, с его помощью возраст минералов может быть исчислен по четырем парам отношений:

Но тому моменту, когда образец попадает в геохронологическую лабораторию, предшествует длившаяся миллионы лет жизнь горной породы. За это время в ней происходит ряд радиоактивных превращений, что может сопровождаться миграцией как материнских и дочерних изотопов, так и любого из промежуточных радиоэлементов. Привнес или вынос хотя бы одного из них может существенно повлиять на результаты определения возраста.

Поэтому, для того чтобы быть уверенным в своих заключениях, геохронолог должен проверить совпадение результатов по всем четырем парам изотопов. Правда, такое совпадение бывает на практике нечасто. Но если одинаковые или близкие данные о возрасте получены по всем четырем изотопным отношениям, радиологическому заключению, по-видимому, можно верить.

Изотопные отношения имеют различную чувствительность к геохимическим процессам. Наиболее чутко отзывается на уменьшение количества свинца отношение его изотопов, обладающих атомной массой 206 и 207.

Свинец-206 мигрирует одновременно и в строгой пропорции со своим собратом, имеющим атомную массу 207. Поэтому для минералов, происходящих из докембрийских пород, для которых отношение этих изотопов определяется с наиболее высокой точностью, цифра, вычисленная по свинцу, является наиболее достоверным показателем возраста. Даже если минерал испытал утрату урана или тория, отношение сви-нец-207/свинец-206 сохраняет свою надежность.

Но при анализе образцов, возраст которых моложе 600 млн. лет, свинцовое отношение измеряется очень неточно, и поэтому приходится отдавать предпочтение другим изотопам. На первое место выступают пары

свинец-206/уран-238, свинец-207/уран-235, свинец-208/тории-232

Объяснить расхождение возрастной датировки бывает иногда трудно еще и потому, что изотопный состав свинца, привнесенного в породу, может оказаться различным. Что же касается потери свинца минералами, то здесь недостаточно ясны не только причины, но и сам ход химических процессов, которые могут протекать совершенно по-разному в зависимости от геологических условий и от того, насколько давно затронули породу геохимические изменения.

Пожалуй, наиболее просто установить возраст интрузив-ных пород. Они образовались в результате кристаллизации магматического расплава, и все их минералы родились, грубо говоря, одновременно. Если эти породы не претерпели за время своего существования каких-либо серьезных изменений (а выявить это, в общем, возможно), возраст их, определенный различными методами, будет приблизительно одинаков.

Но достаточно даже незначительных тепловых воздействий, проникновения магматических растворов или химического замещения в составе породы, как положение резко ухудшается. Аргон покидает кристаллическую решетку слюд и других содержащих калий минералов, меняется соотношение радиоактивных изотопов в акцессорных минералах. В результате породы целых районов оказываются значительно омоложенными по сравнению с их истинным возрастом.

Еще сложнее обстоит дело с породами, измененными нагревом и проникающими растворами. Здесь могут иметь место и привнес новых элементов, и уменьшение количества старых, и миграция составных частей породы. В подобных случаях радиологи пытаются определять возраст разных компонентов породы разными методами: акцессорных минералов - свинцово-изотопным, первичных амфиболов - аргоновым, реликтовых слюд - стронциевым. И хотя иногда результаты этих анализов расходятся, нередко все-таки удается прийти к более или менее определенному заключению.