Потребность в надежных способах определения времени стала ощущаться задолго до того, как были выделены основные подразделения геохронологической шкалы. Были сделаны попытки определить возраст наиболее древних осадочных пород. Пытались, например, разделить суммарную мощность морских осадочных пород на континентах на толщину слоя осадков, ежегодно выносимого с континентов реками. Считалось, что полученный результат представляет минимальное время, за которое могла накопиться толща осадочных пород. Но этот простой расчет включал некоторые неизвестные факторы, которые поэтому должны были оцениваться произвольно. Наиболее ошибочные выводы влекло за собой предположение о том, что скорость поступления осадков всегда была одинаковой; сейчас мы знаем, что это не так. Величины, полученные с помощью этого расчета - от 100 до 300 миллионов лет - не удовлетворяли большинство ученых, которые полагали, что наиболее древние осадочные пласты должны быть гораздо старше.

Определение возраста радиометрическим методом. Следующий этап в определении времени событий истории Земли начался в 1896 г. с открытием естественной радиоактивности. Исследования, последовавшие за этим открытием, положили конец приблизительности оценок, так как радиоактивность дает способ непосредственного измерения действительного возраста пород. В первой главе книги упоминалось, что внутреннее тепло Земли предположительно наполовину - результат естественной радиоактивности. Химические элементы, обладающие в той или иной степени естественной радиоактивностью, входят в состав большого количества минералов. К таким элементам относятся уран, торий, рубидий, стронций и углерод. Радиоактивные формы этих элементов обладают свойством самопроизвольного и постоянного распада атомов. При этом атомы испускают элементарные энергетические частицы и превращаются в "дочерние" атомы, которые по строению отличаются от исходных.

Для любого радиоактивного элемента скорость распада постоянна и может быть измерена с достаточной точностью. На этом основан способ определения возраста некоторых пород, сущность которого сводится к следующему. Породы состоят из минералов, а минералы содержат различные элементы, в том числе и радиоактивные. В любом минерале, входящем в состав магматических пород, радиоактивный распад начинается с того момента, как минерал выкристаллизовался из магмы. Для каждого радиоактивного элемента известны две величины: исходное количество этого элемента в минерале и скорость распада. Третья величина - количество элемента в минерале в данное время - может быть измерена. Если все эти три величины известны, можно рассчитать время, прошедшее с момента кристаллизации минерала из магмы и определить приблизительно - с точностью до 5% - возраст магматической породы, в состав которой входит этот минерал.

Подобным же образом для минерала, входящего в состав метаморфической породы, мы можем рассчитать время, прошедшее с момента кристаллизации новых минералов в породе из элементов, присутствовавших в ней до начала метаморфизма. Таким образом, измерения радиоактивности дают важную информацию о времени образования магматических и метаморфических пород. Иначе обстоит дело с осадочными породами.

В чем же их отличие? Хотя радиоактивный минерал может входить в состав осадочной породы, образовался он не в этой породе. Он был принесен откуда-то извне и представлял собой вещество иного происхождения и более древнее, чем порода, в образовании которой он участвовал. С тех пор, как минерал был отложен, он не подвергался перекристаллизации. Таким образом, естественный радиоактивный распад в некоторой, возможно в значительной, степени уже произошел в этом минерале до того, как он стал частью осадочной породы. Предположим, что мы измерили степень распада в этом минерале и таким образом получили его возраст. Все, что можно сказать на этом основании об осадочной породе как пласте, это то, что порода моложе, чем рассматриваемый нами минерал. Короче говоря, слой осадочной породы не может быть датирован непосредственно радиометрическим способом, то есть путем измерения радиоактивности. На первый взгляд это ставит нас в затруднительное положение, поскольку геохронологическая шкала основана на осадочных породах, и определение возраста требуется главным образом для подразделений этой шкалы.

Выход, однако, был найден. Геохронологическая шкала была датирована, по крайней мере частично, как можно видеть в таблице 1, и эти даты были получены для магматических пород. Каждая дата в таблице соответствует границе между двумя системами или двумя отделами. Большинство таких дат являются производными, не измеренными непосредственно, а полученными путем интерполяции данных, измеренных для образцов магматических пород. Тела магматических пород, выбиравшиеся для датирования, в большинстве случаев залегают на контакте с известными осадочными пластами. В таких случаях характер контакта ясно указывает, старше или моложе магматическое тело соседних осадочных пород. Зная это возрастное соотношение, возраст магматического тела можно принять за верхний или нижний предел возраста осадочного пласта.

Таблица 1. Геологическая шкала, основные планетарные подразделения, датировки и события в развитии жизни (датировки приведены по неопубликованным данным Р. Л. Армстронга, 1971)

Чтобы увидеть этот принцип в действии, рассмотрим рис. 9, на котором показана последовательность осадочных пластов. Принадлежность их к определенным системам устанавливается по содержащимся в них ископаемым, поэтому они поименованы в соответствии с геохронологической шкалой. Между верхними пластами залегают два древних лавовых потока; в нижних пластах имеются две дайки (рис. 5), представляющие результат интрузий магмы. Возраст этих даек по радиометрическим определениям составляет соответственно 250 и 210 миллионов лет. Во время затвердевания магмы, послужившей исходным материалом для образования этих даек, осадочные пласты в узкой зоне соприкосновения с магмой "спеклись" и подверглись химическим изменениям в результате воздействия горячей магмы. Однако измененная зона отсутствует на верхней поверхности даек. Это означает, что во время образования интрузии и затвердевания магмы слой, который сейчас перекрывает дайку, еще не образовался. В противном случае, он также подвергся бы изменениям под действием тепла и химических реакций. Поэтому поверхности раздела, к которым приурочены кровли обеих даек, должны быть результатами двух длительных периодов, в течение которых эрозия уничтожила слои, некогда залегавшие выше современных поверхностей раздела. Следовательно, эти поверхности, подобно поверхности (П) на рис. 8, являются поверхностями несогласия. Учитывая радиометрические датировки этих двух даек, можно видеть, что триасовый пласт, который моложе одной из даек, но старше другой, должен иметь возраст менее чем 250, но более чем 210 миллионов лет. Вычитая одну цифру из другой, получаем 40 миллионов лет - максимальную продолжительность триасового периода, определенную для этого частного случая.

Рис. 9. Определение возраста осадочных пластов на основе их соотношения с телами магматических пород, возраст которых известен

Обращаясь к двум древним лавовым потокам, мы применяем тот же принцип. Лава изменила нижележащие породы, но не воздействовала на вышележащие, так как последние отлагались лишь после затвердевания потока лавы. Радиометрический возраст слоев лавы свидетельствует о том, что в данном случае юрские слои не старше 200 миллионов лет и не моложе 140 миллионов лет и что продолжительность юрского времени (по этим данным) составляет 60 миллионов лет. Эти цифры постоянно уточняются с помощью новых радиометрических датировок магматических пород, находящихся в подобном соотношении с осадочными слоями в других частях света. Цифры, приведенные в таблице 1, представляют собой результат, полученный к настоящему времени, однако в будущем и данные цифры должны быть в свою очередь уточнены. Датировка подразделений геохронологической шкалы, как и строение самой шкалы, постоянно уточняется.

Как показывает таблица 1, систематические датировки слоев заканчиваются на уровне 580 миллионов лет, вблизи основания кембрийской системы. Нижележащие докембрийские породы включают лишь небольшое количество осадочных пластов и главным образом состоят из сложного комплекса магматических и метаморфических пород. Многие из этих пород, были датированы. Измеренный до настоящего времени возраст наиболее древних пород достигает 3,7 миллиарда лет, но, конечно, будут обнаружены и более древние. Что касается возраста самой Земли, то он не определен точно, но различные данные, в том числе астрономические, позволяют предположить, что Земля как планета насчитывает 4,5 миллиарда лет.

Радиоактивный углерод. Определение возраста радиоактивных атомов (изотопов) в минералах имеет в большинстве случаев один существенный недостаток. Скорости радиоактивного распада настолько малы, что многими существующими методами измерений нельзя установить различие между совсем молодыми породами, имеющими возраст в несколько сот тысяч лет. Поэтому, в общем, у нас мало надежных определений возраста в интервале, скажем, последних 500 000 лет; одним из исключений являются датировки, полученные измерениями содержания радиоактивного углерода (С¹⁴). Этот изотоп углерода распадается довольно быстро, что делает его пригодным для датировки объектов, возраст которых заключен в пределах около 50 000 лет. Радиоактивный углерод играет важную роль в биосфере, что дает возможность определять возраст не самих пород, а органического вешества, содержащегося в горных породах.

Радиоактивный углерод постоянно возникает в атмосфере под действием радиации, поступающей из космического пространства. Он смешивается с обычным, нерадиоактивным углеродом, образует углекислый газ (СО₂) и быстро распространяется по всей атмосфере, гидросфере и биосфере. Его количественное соотношение с обычным углеродом остается постоянным во всей системе, так как скорость радиоактивного распада находится в равновесии со скоростью образования радиоактивного углерода, пока последняя сохраняется постоянной. Поэтому концентрация радиоактивного углерода, его "устойчивое содержание", должна быть постоянной в пробах воздуха, пресной или соленой воды, древесине или листьях дерева, в тканях тела любого животного до тех пор, пока дерево или животное живы. Но со смертью организма содержание радиактивного углерода в его тканях убывает, поскольку его потери вследствие радиоактивного распада не восполняются. Путем измеоений и расчетов может быть определено содержание радиоактивного углерода (часто с погрешностью всего в несколько процентов), оставшееся в образце органического вещества, и, следовательно, время, прошедшее после смерти организма.

Радиоуглеродное датирование необычайно важно. Оно дает возможность проследить историю первобытного человека, а также животных и растений в течение последних 50 000 лет. С его помощью определяется также время многих событий последнего из великих оледенений, включая грандиозное вторжение льда в Северной Америке и Европе, достигшее максимума приблизительно 20 000 лет назад. В нашем рассказе мы используем многие радиоуглеродные датировки, а также другие определения возраста гораздо более древних объектов, обычно самих горных пород.