Геахраналагічны метад вызначэння ўзросту Зямлі
Геахраналогія — гэта раздзел навукі аб Зямлі, які вывучае датаванне геалагічных матэрыялаў і паслядоўнасць падзей, якія сфармавалі Зямлю. Дзякуючы геахраналогіі навукоўцы могуць адказаць на фундаментальныя пытанні: колькі гадоў Зямлі, калі ўтварыліся пэўныя пароды і як развівалася гісторыя планеты з цягам часу. Вызначэнне ўзросту Зямлі адбываецца не простым «адлікам у зваротным кірунку» ад адной падзеі, а шляхам спалучэння многіх узаемна ўзмацняльных метадаў — у першую чаргу радыеметрычнага датавання, стратыграфіі і карэляцыі палеанталогіі. У цяперашні час шырока прынята лічыць, што ўзрост Зямлі складае прыблізна 4,54 мільярда гадоў, што з'яўляецца вынікам кансенсусу геахімічных і астранамічных дадзеных.
Асновы геахраналогіі
У цэлым, геахраналагічныя метады падзяляюцца на дзве асноўныя групы: адноснае датаванне і абсалютнае датаванне. Адноснае датаванне не дае ўзросту ў гадах, а хутчэй вызначае паслядоўнасць падзей — што старэйшае, а што маладзейшае. Прыкладамі могуць служыць прынцып суперпазіцыі (ніжэйшыя асадкавыя пласты звычайна старэйшыя), залежнасць усечэння (пранікненне магмы, якое праразае старэйшыя пласты, маладзейшае) і неадпаведнасці, якія паказваюць на «страчаны час» з-за эрозіі або адсутнасці адкладаў.
Наадварот, абсалютнае датаванне (дакладней, лікавае датаванне) дае ацэнку ўзросту ў лічбах, напрыклад, «гэтай пародзе 250 мільёнаў гадоў». Найбольш надзейным лікавым метадам для вельмі старажытнага ўзросту з'яўляецца радыеметрычнае датаванне, заснаванае на распадзе радыеактыўных элементаў на даччыныя элементы з прадказальнай хуткасцю.
Прынцыпы радыеметрычнага датавання
Радыеметрычнае датаванне працуе таму, што некаторыя атамы нестабільныя і натуральным чынам распадаюцца на іншыя атамы. Хуткасць гэтага распаду выражаецца перыядам паўраспаду, які з'яўляецца часам, неабходным для таго, каб палова бацькоўскіх атамаў стала даччынымі. Паколькі перыяд паўраспаду з'яўляецца пастаяннай фізічнай уласцівасцю ў натуральных умовах, суадносіны бацькоўскіх і даччыных элементаў у мінерале можна выкарыстоўваць для вылічэння яго ўзросту з моманту, калі мінерал «блакуе» сваю сістэму (замыкае), гэта значыць, калі мінерал астывае, і бацькоўскія і даччыныя элементы больш не могуць лёгка перамяшчацца ўнутр і вонкі.
Аднак важна разумець, што радыеметрычнае датаванне звычайна вызначае ўзрост утварэння мінерала або яго астывання, а не проста ўзрост «пароды» ў любым кантэксце. Напрыклад, метамарфічныя пароды могуць паказваць на ўзрост метамарфізму, у той час як асадкавыя пароды часта ўтрымліваюць мінеральныя зярняты старэйшыя за час іх адкладу.
Уран-свінцовы (U-Pb) метад: асновы вызначэння старажытнага ўзросту
Адным з найважнейшых метадаў для вывучэння старых парод з'яўляецца ўран-свінец (U-Pb), які звычайна ўжываецца да мінерала цыркону (ZrSiO₄). Цыркон вельмі карысны, таму што:
1. Здольны ўключаць уран у сваю крышталічную структуру пры ўтварэнні.
2. Падчас крышталізацыі вылучае свінец (Pb), таму вымеранае ўтрыманне Pb звычайна з'яўляецца вынікам распаду.
3. Устойлівы да атмасферных уздзеянняў і метамарфізму, таму можа захоўваць вельмі старыя «запісы часу».
У сістэме U-Pb існуюць два асноўныя ланцужкі распаду: U-238 да Pb-206 і U-235 да Pb-207. Гэты метад, які мае два «гадзіннікі» адначасова, дазваляе праводзіць унутраную перакрыжаваную праверку. Сучасныя аналізы выкарыстоўваюць такія метады, як LA-ICP-MS або SIMS, якія могуць вымяраць узрост у мікронным маштабе, што дазваляе выяўляць асобныя зоны росту цыркону і даваць інфармацыю аб паўтаральных геалагічных падзеях.
U–Pb мае вырашальнае значэнне для ацэнкі ўзросту Зямлі, паколькі ён можа датаваць найстарэйшыя пароды на Зямлі і, што больш важна, датаваць пазаземны матэрыял, такі як метэарыты, якія ўтварыліся ў ранняй Сонечнай сістэме.
Калій-аргонавыя (K–Ar) і аргон-аргонавыя (Ar–Ar) метады
Калій-аргонавы (K-Ar) метад выкарыстоўвае распад K-40 да Ar-40. Паколькі аргон — гэта газ, ён не так лёгка «захоўваецца» ў гарачых, новаўтвораных мінералах. Па меры астывання пароды аргон пачынае затрымлівацца ў мінеральнай рашотцы. Гэта робіць K-Ar карысным для датавання вулканічных і метамарфічных парод.
Больш складаны варыянт, аргон-аргон (Ar-Ar), вымярае суадносіны ізатопаў аргону з дапамогай нейтроннага апрамянення, што часта забяспечвае большую дакладнасць і дазваляе праводзіць аналіз паэтапнага награвання. Гэты метад асабліва карысны для разумення таго, ці падверглася парода паўторнаму награванню, якое «скінула» яе радыеметрычны гадзіннік.
Рубідый-стронцый (Rb-Sr) і самарый-неадым (Sm-Nd)
Метад Rb-Sr выкарыстоўвае распад Rb-87 да Sr-87. Гэты метад часта выкарыстоўваецца для магматычных і метамарфічных парод, асабліва з ізахронным падыходам, метадам, які памяншае неабходнасць у здагадках аб пачатковым складзе даччыных элементаў.
Тым часам Sm-Nd (Sm-147 распадаецца да Nd-143) вядомы сваёй большай устойлівасцю да метамарфічных змен, што робіць яго карысным для вывучэння эвалюцыі зямной кары і мантыі. Акрамя вызначэння ўзросту, сістэма Sm-Nd таксама дапамагае інтэрпрэтаваць крыніцы магмы і гісторыю дыферэнцыяцыі Зямлі, паколькі неадым можа быць маркерам утварэння кантынентальнай кары з мантыі.
Адноснае датаванне: стратыграфія і індэксныя выкапні
Хоць вызначэнне ўзросту Зямлі ў значнай ступені абапіраецца на радыеметрычныя метады, геахраналогія таксама патрабуе стратыграфічнай асновы. Пласты асадкавых парод па ўсім свеце можна суаднесці з дапамогай літалагічных характарыстык, заканамернасцей адкладаў і выкапняў.
Індэксныя выкапні — выкапні арганізмаў, якія жылі адносна кароткі час, але былі шырока распаўсюджаныя — дазваляюць карэляваць паміж рэгіёнамі. Такім чынам, геолагі могуць пабудаваць геалагічную шкалу часу (напрыклад, юра, крэйд, палеаген), а затым «зафіксаваць» гэтую адносную шкалу з абсалютнай колькасцю вулканічных слаёў, праслаёных паміж адкладамі (напрыклад, вулканічны попел, які можна датаваць з дапамогай U-Pb або Ar-Ar).
Як вызначаецца ўзрост Зямлі?
На пытанне пра ўзрост Зямлі нельга адказаць, выключна зыходзячы з самых старажытных парод на паверхні, бо зямная кара пастаянна перапрацоўваецца тэктонікай пліт: акіянічная кара субдукуецца, кантынентальная кара метамарфуецца, і ўтвараецца новая магма. Таму навукоўцы выкарыстоўваюць некалькі падыходаў:
1. Найстарэйшыя пароды на Зямлі: Вельмі старажытныя пароды сустракаюцца ў некалькіх кратонах (стабільных частках кантынентаў), такіх як Канада, Грэнландыя, Аўстралія і Паўднёвая Афрыка. Напрыклад, мінералы цыркону з Заходняй Аўстраліі маюць узрост больш за 4 мільярды гадоў, што сведчыць аб тым, што ранняя кара ўтварылася вельмі рана.
2. Метэарыты і матэрыял ранняй Сонечнай сістэмы: Паколькі метэарыты лічацца рэшткамі фарміравання Сонечнай сістэмы, іх узрост дае абмежаванне на ўзрост утварэння Зямлі. U-Pb-датаванне метэарытаў (асабліва хондрытаў) дае лічбу прыблізна 4,56 мільярда гадоў. Зямля сфармавалася вельмі рана, у той жа перыяд часу, таму гэтая лічба з'яўляецца асноўнай арыенцірам.
3. Узоры Месяца: Месяцовыя пароды, атрыманыя падчас місій «Апалон», таксама дапамагаюць усталяваць раннюю храналогію. Параўнанне ўзросту Месяца і Зямлі пацвярджае ідэю аб тым, што абодва ўтварыліся на ранніх стадыях Сонечнай сістэмы, у тым ліку падчас вялікага ўдару, які, як мяркуюць, сфармаваў Месяц.
Аб'яднаўшы гэтыя дадзеныя, навуковая супольнасць прыйшла да высновы, што ўзрост Зямлі складае каля 4,54 мільярда гадоў (з невялікімі хібнасцямі), грунтуючыся не на адным узоры, а хутчэй на паслядоўнасці многіх ізатопных сістэм і многіх тыпаў матэрыялаў.
Праблемы і праверка
На практыцы радыеметрычнае датаванне сутыкаецца з такімі праблемамі, як:
– Адкрытая сістэма: бацькоўскія або даччыныя элементы могуць уваходзіць і выходзіць з-за выветрывання, метамарфізму або гідратэрмальных вадкасцей.
– Скідванне: паўторнае разагрэванне можа «скінуць» ізатопны гадзіннік.
– Забруджванне: сумесь старых і маладых мінералаў у адным узоры можа скажаць вынікі.
Такім чынам, сучасная геахраналогія абапіраецца на перакрыжаваную праверку: выкарыстанне некалькіх мінералаў, некалькіх ізатопных метадаў і выразнага геалагічнага кантэксту. Мікрааналіз цырконаў, ізахронны метад і спалучэнне петралагічных і стратыграфічных дадзеных яшчэ больш умацоўваюць вынікі датавання.
Закрыццё
Геахраналагічныя метады з'яўляюцца ключом да разумення ўзросту і доўгай гісторыі Зямлі. Адноснае датаванне дае паслядоўнасць падзей, а радыеметрычнае датаванне — дакладны ўзрост. Сістэма U-Pb для цыркону, K-Ar/Ar-Ar для вулканічных мінералаў і Rb-Sr і Sm-Nd для магматычна-метамарфічных парод забяспечваюць аснову для вызначэння старажытнага ўзросту. Калі вынікі гэтых метадаў параўноўваць з метэарытамі і месяцовымі ўзорамі, атрымліваецца адназначная карціна, што Зямлі прыблізна 4,54 мільярда гадоў. Такім чынам, геахраналогія — гэта не проста інструмент для «вымярэння часу», а навуковы погляд на гісторыю неверагодна складанай эвалюцыі планеты, ад яе самага ранняга ўтварэння да ўмоў, якія дазволілі развіцца жыццю.
