Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Однако за два года до того, как Уолтер Альварес открыл аномалию Иридия, несколько инженеров, работающих в мексиканской национальной нефтяной компании Pemex, сопоставили карту аномалий магнитного поля, составленную ими в ходе полетов над полуостровом Юкатан, с данными о гравитационных аномалиях6, собранными десятилетиями ранее, и обнаружили, что оба набора данных «очерчивают» идеальный круг – кольцевую структуру диаметром 180 км с центром недалеко от северного побережья Юкатана. Поскольку данные исследования были запатентованы, результат не был опубликован в научной литературе, и потребовалось еще десять лет, прежде чем свидетельства, собранные со всего Карибского бассейна, и керны, пробуренные в скалах Юкатана, позволили однозначно назвать кратер Чикшулуб7 местом рокового события.
Так мы определили, «где» все произошло, но «когда» и «что именно» случилось, еще только предстояло установить. Четыре десятилетия и сотни научных исследований, проведенных в разных точках мира, воссоздали тот судьбоносный день с поразительной точностью.
 Датирование события 
Дату удара устанавливали при помощи нескольких методов. Один из старейших методов геологического датирования предполагает сравнение пары соотношений изотопов Урана и Свинца. Другие требуют измерять Калий и Аргон, а также Рубидий и Стронций. В каждом случае долгоживущий радиоактивный изотоп распадается на материнское и стабильное дочернее ядро – так называемое радиогенное ядро – и относительное количество каждого из них в образце показывает возраст.
Цирконы – это минералы, содержащие 40-й элемент, Цирконий. Их структура выражается формулой ZrSiO4. Цирконы образуются при высоких температурах в процессе вулканической активности или ударных столкновений. Они необычайно стабильны, а их размеры варьируются от долей миллиметра до сантиметра и более. Важная особенность кристаллизации этих минералов состоит в том, что они легко встраивают в свою кристаллическую структуру атомы Урана, но категорически не приемлют Свинец. А два природных изотопа Урана, 238U и 235U, в ходе многоступенчатых процессов альфа- и бета-распада превращаются в 206Pb и 207Pb соответственно (в последнем случае оба изотопа стабильны).
Рис. 12.1. Конкордия Урана и Свинца. Кривая линия представляет возраст отношений Pb/U, рассчитанный на основе соответствующих периодов полураспада двух изотопов Урана. Прямая линия соответствует точкам измеренных данных для наблюдаемых соотношений, указывая на то, что различные количества радиогенного Свинца утекли из измеренных образцов. Пересечение двух линий отмечает точку отсутствия потери Свинца и, следовательно, реальный возраст
Измерив отношения 235U/207Pb и 238U/206Pb и отобразив их на горизонтальной и вертикальной осях графика, можно получить так называемую конкордию, или кривую времени. Поскольку нам известны периоды полураспада 238U (4,47 миллиарда лет) и 235U (710 миллионов лет), эти соотношения дают уникальный возраст. Например, если взять образец возрастом ровно 1 миллиард лет и начать с 1,0 грамма каждого изотопа Урана (в природе столько не найти, но в целях иллюстрации полезно), можно ожидать, что в образце все еще будет присутствовать (½)1/4,47 238U, или 0,857 г, а вместе с этим накопится 0,143 г 206Pb, поэтому соотношение 206Pb/238U составит 0,167. Если бы мы измеряли 235U с его более коротким периодом полураспада, то осталось бы (½)1/0,710, или всего 0,377 г, поэтому ожидаемое соотношение составит 1,65 (см. рис. 12.1).
 
Если часть Свинца со временем вытечет из образца, на конкордии, вопреки ожиданиям, это соотношение не отразится. Поскольку оба изотопа Свинца будут вытекать с одинаковой скоростью (здесь нет химической дискриминации), оба соотношения уменьшатся – количество Свинца будет ниже, чем ожидалось, но количество Урана останется неизменным. Поскольку 238U распадается медленнее, недостающий 206Pb даст более значительный дробный эффект, и измеренные значения окажутся еще ниже конкордии. Для различных образцов циркона, потерявших разное количество Свинца, на одной диаграмме можно построить линию «дискордии», или «несогласованности». Верхняя точка пересечения двух линий позволит оценить истинный возраст выборки.
Всего через несколько лет после открытия кратера Чикшулуб Т. Крог, С. Камо и Б. Бохор8 при помощи уран-свинцового метода измерили возраст кристаллов циркона, обнаруженных в пограничном слое K-Pg в Колорадо. У этих кристаллов просматривались серьезные деформации, вызванные ударными волнами. Их возраст был установлен на отметке 65,5 ± 3,0 млн лет, что соответствует более ранним оценкам, полученным при помощи калий-аргонового (см. ниже) и рубидий-стронциевого методов (см. гл. 14). Кроме того, исследователи выяснили, что первоначальное образование этих кристаллов циркона, возникших в результате столкновения на глубине около 30 км в земной коре, произошло 545 млн лет назад. Построив дискордию, ученые пришли к выводу, что во время выброса этих цирконов утекло некоторое количество Свинца, и предположили, что эта потеря была связана с нагревом кристаллов в облаке пламени, которое сопровождало удар, а потом подняло их на большую высоту, прежде чем в конечном итоге отбросить на тысячи километров.
Другой давний и в конечном счете более точный метод радиоактивного датирования основан на распаде Калия. Калий (символ элемента K) имеет два стабильных изотопа (39K и 41K) и один радиоактивный изотоп природного происхождения 40K с периодом полураспада 1,25 миллиарда лет. У него существует две формы распада: обратный бета-распад и распад с захватом электрона (см. гл. 6):
40K → 40Ca + e+ + ve (89 %),
а также:
40K + e– → 40Ar + ve (11 %).
Аргон – один из благородных газов. Он не вступает ни в какие химические реакции и при земных температурах всегда находится в газообразном состоянии. Когда горная порода либо пребывает в форме горячей лавы, извергаемой из вулкана, либо оказывается расплавленной от жара, рожденного столкновением, газ, прежде захваченный в породе, может свободно улетучиться. Но по мере того, как порода затвердевает и блокирует все свои атомы, каждый захват электронов, производимый изотопом 40K, приводит к тому, что одинокий атом газообразного Аргона попадает в клетку, выстроенную из окружающих молекул горной породы. В сущности, это позволяет нам применить простой метод «накопительных часов», описанный в главе 6. Простой подсчет количества атомов 40K и 40Ar и установление соотношения позволяет нам определить уникальную точку на кривой распада материнских ядер и накопления дочерних (см. рис. 6.6) и непосредственно установить возраст. Однако на практике это предполагает некоторые допущения и большую осторожность при проведении измерений.
Во-первых, как отмечалось в главе 11, Аргон – это третий по распространенности элемент в атмосфере Земли, и мы должны предположить, что в минерал, когда тот охлаждается из жидкого состояния в твердое, не проникает воздух; в противном случае начальное содержание 40Ar не было бы нулевым, как того требует метод «накопительных часов»9. Более того, нужно тщательно выбирать исследуемый кристалл, следя за тем, чтобы в нем не было никаких трещин, через которые может вытечь радиогенный Аргон. Здесь не обойтись без тщательной обработки, при которой породу измельчают, после чего вручную отбирают отдельные кристаллы и осторожно их нагревают, чтобы удалить из воздуха любой поверхностный Аргон, а затем их помещают в вакуумную печь, куда добавляют точно известное количество 38Ar – и расплавляют образец, чтобы высвободить все захваченные газы (H2O, CO2, Ar и др.). Посторонние газы вымораживают жидким Азотом, а оставшийся Аргон направляют в масс-спектрометр, разделяющий изотопы. Любой присутствующий 36Ar может поступать только из воздуха (где он составляет 0,334 % от общего количества Аргона), поэтому его содержание позволяет вычислить абсолютное значение для поправки на воздух и вычесть соответствующее количество каждого изотопа. Оставшееся количество 38Ar добавляется только для точности измерений, а отношение этого количества к 40Ar показывает, сколько радиогенных атомов присутствует в образце.