Научные методы датировки для доисторических времен

Радиометрические часы измеряют время по миллионам лет. Но насколько верны их показания?

«Синкхоул — богатая археологическая находка. По мнению ученых, остатки 10 000-летней давности показывают, что в ледниковой эпохе во Флориде жили люди».

«Древнейшую в Японии хитину каменного века выкопали вблизи г. Осака. Археологи считают, что хижина была приблизительно 22 000-летней давности».

«Приблизительно один миллион лет тому назад через восточную Корону (Калифорния) протекала река, и среди доисторических животных, водившихся у ее берегов, находились мастодонты, верблюды, лошади и кролики».

ТАКИЕ утверждения типичны для образа, каким археологи и палеонтологи объявляют свои открытия. Первое, что люди хотят узнать о новой находке, — это возраст. В разговоре с репортерами ученые всегда готовы дать ответ, все равно, основан ли он на фактах или на одних предположениях.

Читая подобные сообщения, не спрашиваешь ли ты иногда, откуда они это знают? Насколько достоверно определено, что во Флориде люди жили 10 000 лет назад, а в Японии — 22 000 лет назад, и что мастодонты и верблюды бродили по Калифорнии миллион лет тому назад?

Для датировки древних остатков используются разные научные методы. Некоторые из них достовернее других, но ни один не достигает точности датировки, основанной на исторических записях. Однако исторические записи человека существуют самое большее 6 000 лет. Когда заходишь в более глубокую древность, датировка удается лишь при помощи научных измерений.

Радиометрическая датировка

Из различных методов датировки самыми надежными являются радиометрические часы. В их основе лежит скорость процессов радиоактивного распада. Тогда как другие процессы старения, применимые для датировки, ускоряются или замедляются в зависимости от условий окружающей среды, например, температуры, скорость радиоактивного распада не меняется даже при крайних внешних условиях.

Уран-свинцовые часы

Этот способ можно пояснить на примере первых радиометрических часов, базирующихся на распаде урана в свинец. Радиоактивный распад происходит точно по определенной статистической закономерности. Количество урана, распавшегося за единицу времени, всегда пропорционально оставшемуся количеству. Из этого можно вывести кривую (смотри страница 15), которая показывает, сколько урана осталось в определенное время. Промежуток времени, в который уран распадается на половину, называется периодом полураспада. В течение следующего периода полураспада распадается половина оставшейся половины, так что остается четверть начального количества. После трех периодов полураспада остается восьмая часть, и так далее. Период полураспада урана — 4,5 миллиардов лет.

Поскольку уран превращается в свинец, количество свинца постоянно увеличивается. Количество, образовавшееся к определенному времени, показано штрихованной кривой. Кривая свинца является дополнением кривой урана, то есть сумма атомов свинца и атомов урана всегда остается неизменной и равняется исходному числу атомов.

Теперь предположим, что у нас есть кусок горной породы, который содержит уран, но никакого свинца. Мы закрываем его герметически, чтобы ничто не могло проникать в этот кусок или улетучиваться из него. Некоторое время спустя мы вскрываем его и измеряем количество обоих элементов. Таким путем мы можем определить, сколько времени была заключена горная порода. Если мы, например, найдем одинаковое количество свинца и урана, то мы знаем, что прошел один период полураспада, т. е. 4,5 миллиардов лет. Если мы найдем, что лишь 1 процент урана распался в свинец, то при помощи математического уравнения кривой мы можем вычислить, что протекло 65 миллионов лет.

Следует заметить, что не обязательно знать, сколько урана находилось в породе с самого начала, так как достаточно измерить соотношение свинца и урана под конец данного срока — это вполне кстати, потому что никто из нас не присутствовал, чтобы измерить что-нибудь в начале эксперимента.

Ты, может быть, думаешь, что речь идет здесь об огромных промежутках времени, о миллионах и миллиардах лет. К чему пригодны часы, которые идут так медленно? Ну, по ним мы узнаем, что сама земля существует несколько миллиардов лет, и в некоторых местах имеются породы, которые, как видно, залегают там на протяжении значительной части этого времени. Поэтому геологи находят, что такие часы вполне годятся для изучения истории земли.

Насколько они точны?

Надо признаться, что датирование дается не так уж просто, как было описано выше. Мы упомянули, что порода сначала не должна содержать никакого свинца. Обычно дело обстоит иначе; горные породы содержат изначальный свинец. Это придает им так называемый свойственный возраст, который несколько выше нуля лет. Кроме того, мы предпослали, что уран был плотно заключен в породе, благодаря чему ничто не могло проникнуть внутрь или улетучиться. Иногда это бывает так, но не всегда. За долгие промежутки времени некоторое количество свинца или урана может просочиться в грунтовую воду. Бывает также, что уран или свинец прибавляется, особенно в осадочных породах. Поэтому урансвинцовые часы лучше всего пригодны для магматических горных пород.

Дальнейшие осложнения возникают из-за того, что порода иногда содержит другой радиоактивный элемент, который равным образом медленно распадается в свинец торий. Помимо этого, существует второй изотоп урана, химически одинаковый, но отличающийся атомной массой. И он превращается в свинец, однако с другой скоростью. Правда, продуктом распада являются разные изотопы свинца, так что помимо химического анализа требуется физическое исследование особым прибором, чтобы разделить различные изотопы по их атомной массе.

Не вдаваясь в подробности, мы видим, что геологи, пользующиеся уран-свинцовыми часами, должны учитывать ряд источников ошибок, чтобы получить надежные результаты. Они рады, что для проверки их измерений возраста доступны дальнейшие радиометрические методы. Ту же самую горную породу часто можно исследовать двумя другими способами.

Калий-аргоновые часы

Чаще всего употребляются калий-аргоновые часы. Элемент калий более распространен, чем уран — хлорид калия продается как заменитель поваренной соли. Встречаются главным образом два изотопа с атомными массами 39 и 41. Однако третий изотоп с атомной массой 40 слабо радиоактивен. К продуктам его распада относится инертный газ аргон, составляющий около 1 процента атмосферы. Калий с атомной массой 40 имеет период полураспада в 1,4 миллиарда лет, благодаря чему он пригоден для измерения возраста в пределах от десяти миллионов до нескольких миллиардов лет.

В противоположность урану, калий широко распространен в земной коре. Он является составной частью множества минералов в самых обыкновенных породах, как в магматических, так и в осадочных. Для пригодности калий-аргоновых часов необходимы те же упомянутые выше условия: вначале распада, т. е. при образовании минерала, в калии не должно быть аргона. В продолжении распада система должна оставаться закрытой, чтобы ни калий, ни аргон не мог улетучиться или проникнуть внутрь.

Насколько хорошо эти часы действуют на практике? Иногда очень хорошо, а иногда плохо. Порой указанный ими возраст значительно отличается от возраста, установленного уран-свинцовыми часами. Обычно установленный возраст бывает ниже, что объясняется утечкой аргона. Но в других породах обе датировки совпадают довольно точно.

Наиболее интересным применением калий-аргоновых часов являлась датировка породы, привезенной с Луны астронавтами Аполлона-15. Измерив содержание калия и аргона в небольшом кусочке этой породы, ученые установили возраст породы в 3,3 миллиарда лет.

Рубидий-строициевые часы

Не так давно был разработан дальнейший радиометрический метод для датировки минералов. Он основан на распаде рубидия в стронций. Рубидий распадается чрезвычайно медленно. Его период полураспада равняется 50 миллиардам лет! Даже в самых старых породах распалось так мало рубидия, что необходимы тщательные измерения, чтобы отличить прибавившийся стронций 87 от первоначального. Может быть, что в минерале содержится в сто раз больше стронция, чем рубидия. За целый миллиард лет распадается лишь немного больше 1 процента рубидия. Несмотря на эти трудности, в кое-каких случаях удалось измерить крошечное количество стронция, образовавшегося в результате распада. Этот метод находит применение в проверке возраста, определенного другими способами.

Волнующим примером использования этого метода являлось исследование одного метеорита, так сказать, остатка исходного материала Солнечной системы. По мнению астрономов, метеорит был сходен с породами, которые, согласно определенной теории, обрушились вместе и образовали планеты. Установленный возраст — 4,6 миллиардов лет — соответствовал этому представлению.

Выдающимся успехом рубидий-стронциевых часов оказалась датировка упомянутой выше лунной породы. Исследовали пять разных минералов, и во всех случаях возраст был установлен в 3,3 миллиарда лет тот же возраст, который определили калийаргоновыми часами.a

В некоторых случаях параллельные измерения возраста при помощи этих трех геологических часов показали хорошо совпадающие результаты и таким образом укрепили доверие к правильности датировки. Надо, однако, подчеркнуть, что такие случаи показывают, какое совпадение бывает возможным при идеальных условиях. Обычно условия не идеальные. Перечень несовпадающих результатов был бы гораздо длиннее.

Палеонтологи стараются определить возраст ископаемых остатков

Палеонтологи пытаются повторить успех геологов, оценивая возраст горных пород не старше нескольких миллионов лет. По их убеждению, возраст некоторых ископаемых остатков мог бы колебаться в подобных пределах. Но, увы, калий-аргоновые часы не очень годятся для их целей, потому что ископаемые остатки находятся не в магматических породах, а только в осадочных породах. Радиометрическая датировка осадочных пород обычно не является достоверной.

В качестве примера можно привести ископаемые остатки, засыпанные вулканическим пеплом, который в последствии затвердел и образовал туф. Хотя мы имеем дело с осадочной формацией, но она все же состоит из магматического вещества, затвердевшего на воздухе. Если удастся датировка такой формации, то она даст возраст заключенного в ней ископаемого остатка.

Именно так сложились обстоятельства в Олдовайском ущелье в Танзании, где ископаемые остатки обезьяноподобных животных привлекли особое внимание, потому что лица, сделавшие находку, утверждали, что эти животные родственны с людьми. Первые измерения концентрации аргона в вулканическом туфе, где находились ископаемые остатки, показали возраст в 1,75 миллионов лет. Но последующие измерения в другой компетентной лаборатории выявили, что ископаемые остатки были на полмиллиона лет младше. Эволюционистов больше всего разочаровал факт, что возраст других слоев туфа, расположенных выше и ниже, обнаружил несоответствие. Иногда верхний слой содержал больше аргона, чем нижний. С геологической точки зрения это в корне неверно — верхний слой должен был отложиться после нижнего и, следовательно, иметь меньше аргона.

Пришли к заключению, что измерения были искажены «унаследованным аргоном». Аргон, образовавшийся уже раньше, не успел полностью улетучиться из расплавленной породы. Часы не были поставлены на нуль. Если во время плавления внутри вулкана в породе осталась лишь 1 тысячная часть того аргона, который образовался уже до этого из калия, то часы в исходном своем положении уже показывали бы возраст почти в миллион лет. Один эксперт высказался так: «Некоторые датировки должны быть неверными; если же некоторые неверны, то, возможно, все неверны».

Несмотря на мнение экспертов, что эти датировки, может быть, ничтожны, популярные журналы, выступающие за эволюцию, продолжают приписывать олдовайским ископаемым остаткам первоначально установленный возраст в 1,75 миллионов лет. Они не предупреждают профанов среди читателей, что такие датировки, на самом деле, являются лишь предположениями.

[Сноска]

[Вставка, страница 13]

Эта и следующие две статьи описывают и оценивают разные способы радиометрической датировки, которые геологи используют для измерения возраста горных пород и остатков живших когда-то организмов. Материал приготовил специалист по ядерной физике, владеющий многолетним опытом в области исследования и промышленности.

[Вставка, страница 14]

Геологи, пользующиеся уран-свинцовым методом, должны учитывать ряд источников ошибок.

[Вставка, страница 16]

Они не предупреждают о том, что такие датировки являются лишь предположениями.

[Диаграмма, страница 15]

(Полное оформление текста смотрите в публикации)

Уменьшение урана прямо пропорционально увеличению свинца.

100 %

50 %

25 %

12,5 %

Периоды полураспада 1 2 3

Свинец (аргон)

Уран (калий)

[Схема, страница 14]

(Полное оформление текста смотрите в публикации)

Уран

Свинец

Сколько урана (или свинца) находилось в этой горной породе с самого начала?

Сколько урана (или свинца) позже проникло в породу?

Сколько свинца произошло от распада тория?