Сокровищница XXI века: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Свинцовый способ, после его дополнения изотопным анализом, стал надежным средством определения времени возникновения горных пород. Если возраст породы не очень велик, то точность метода становится недостаточной — за это время лишь незначительная доля урана переходит в свинец. Ничтожная примесь радиогенного свинца не позволяет определить возраст такой породы.

Но вот минерал, в котором никогда не было урана. Как отмерить прожитые им годы?

Во многих важных для геологов случаях выручают калиевые соединения. Их содержат такие распространенные минералы, как полевые шпаты и слюды.

Изучение изотопов калия привело к неожиданному открытию. Калий с атомным весом сорок оказался радиоактивным, с периодом полураспада, подходящим для датировки геологических эр. Изотоп калий-40 испытывает бета-распад и превращается в распространенный изотоп кальция. Кальций радиогенного происхождения отделить в минералах от кальция первозданного, образовавшегося во время синтеза элементов Солнечной системы, невозможно: элемент слишком распространен в природе и небольшую добавку радиогенного кальция учесть нельзя. Но в распаде калия-40 есть одна замечательная особенность. Его ядро может не только испускать ядерный электрон и при этом переходить в устойчивый кальций, но и захватывать с орбиты своей оболочки электрон и превращаться в аргон — элемент с низшим атомным номером. Аргон в минералах только радиогенного происхождения. Первичный аргон «выкипел» еще из расплавленного вещества Земли и, будучи инертным газом, при образовании земной коры остался в атмосфере. Ведь создать твердое вещество, в которое входит аргон, химики сумели совсем недавно. Синтетические соединения аргона крайне неустойчивы и в природных условиях распадаются. Поэтому, если удалось определить количество аргона в породе, то нетрудно рассчитать и ее возраст.

Калиево-аргонные ядерные часы намного точнее гелиевых. Потери аргона за геологические времена не очень велики — аргон менее подвижен, чем гелий. И все же утечкой аргона пренебрегать нельзя. Возьмем обычный гранит. Он сложен из калиевого полевого шпата и слюды. Отделив слюду от шпата, выделим из них аргон, измерим количество калия-40 в том и другом минерале и вычислим возраст. И здесь нас встречает неожиданность. Шпат оказывается моложе слюды. Но ведь образовались они одновременно. В чем тут дело?

Слюда прочнее удерживает аргон, и кажущаяся молодость шпата — результат утечки. Напрашивается вывод— шпаты не годятся для измерения возраста.

Советские ученые выяснили, что в некоторых видах полевого шпата аргон сохраняется почти без потерь, когда в других утечка слишком велика. Поэтому, если отделить хорошо удерживающие аргон шпаты и пользоваться только ими при оценке прожитых породой лет, то ошибка будет устранена. Калиево-аргонным способом датируют породы, начиная с возраста 100 тысяч лет и выше. Свинцово-урановому методу доступны только времена, исчисляемые, как минимум, миллионами лет.

За последние годы разработан еще один метод определения геологического возраста. После радиоактивного распада изотопа рубидий-87 образуется стронций. Возраст геологических эр определяют по отношению стронция к рубидию в минералах, в которых первозданный стронций не содержался. Это прежде всего слюды — мусковит, биотит, лепидолит. Стронциевым методом определяют возраст древнейших гранитов и слюд. Рубидий медленно распадается в стронций, — должно пройти 50 миллиардов лет, чтобы половина рубидия перешла в стронций. Возраст пород, которые моложе 5 миллионов лет, стронциевыми часами уже не измерить, — они слишком грубы для такого промежутка времени.

Когда земной шар остывал, атомы вещества стали формироваться в твердые тела. Возникали кристаллы, в которых атомы застывали в строгом порядке. Только в плотных твердых телах продукты радиоактивного распада оставались рядом с материнскими ядрами. В жидком расплаве атомы свободно перемешивались, и, так как у продуктов распада химическая природа совсем иная, чем у материнских ядер, дочерние ядра концентрировались в других местах. Все методы, о которых мы рассказывали, отсчитывают возраст вещества, начиная с момента его кристаллизации.

В последние годы стали применяться ядерные часы, основанные на самопроизвольном или, как чаще говорят, спонтанном делении урана. По сравнению с другими видами распада деление — редкий процесс.

Среди миллиона малых ядерных катастроф, когда из тяжелого урана вылетают легкие альфа-частицы, происходит «большой взрыв» — уран сам по себе разваливается на два ядра-осколка. Заряженные положительно, осколки отталкиваются друг от друга, разлетаются с громадной скоростью, внедряются в структуру твердого тела и оставляют за собой след — смещенные со своих мест атомы.

Осколочные следы практически не затушевываются другими повреждениями.

Новый метод позволил изучить возраст древних природных стеклоподобных образований, некоторых метеоритов. По следам деления определены концентрации урана и возраст очень мелких зерен различных материалов.

Метод датировки по следам осколков деления применим в очень широком интервале времени: можно с высокой точностью определить и дату образования слюды, возраст которой несколько сот миллионов лет, и время изготовления вазы из уранового стекла, отлитой в прошлом веке. Дело в том, что регистрируются отдельные акты распада. Достигается громадная чувствительность. Один микрограмм радиогенного свинца — количество, с трудом обнаруживаемое химическими способами, — накапливается, когда 2,5×10¹⁵ ядер урана — число астрономическое — проходят по долгой цепи превращений.

Зато зарегистрировать следы урана в веществе удается по нескольким десяткам самопроизвольно разделившихся ядер.

Загадка возраста Земли волновала человечество с незапамятных времен. По библейским текстам, наша планета сотворена 6 тысяч лет назад. Древние халдеи, жившие в Месопотамии, считали, что Земле два миллиона лет.

Когда ученые стали оценивать возраст земного шара, то они сразу поняли, что речь должна идти о многих десятках или даже миллиардах лет. Известный английский физик Вильям Томсон, позднее лорд Кельвин, подсчитал, что если в момент образования Земля была нагрета так же, как Солнце, то до теперешней температуры она должна была остывать 24 миллиона лет. Лорд Кельвин в своих расчетах не учитывал дополнительного тепла, выделившегося в Земле благодаря распаду радиоактивного вещества. А учесть следовало. Громадное количество тепла освободилось после распада радиоактивного калия-40 и других изотопов. Поэтому в дальнейшем оценка времени, которое пошло на образование на Земле твердой коры, непрестанно повышалась — сначала до 200 миллионов лет, а затем и до двух миллиардов.

Возраст самых древних горных пород и равен времени, прошедшему с момента образования устойчивой земной коры до наших дней. Теперь если к возрасту древнейших минералов прибавить время, необходимое для образования твердой коры на жидком земном сфероиде, вычисленное современной счетной машиной, то получится полный возраст Земли.

Древнейшие породы залегают под громадными толщами отложений. Только в некоторых местах они выходят на поверхность. Такие места геологи называют докембрийскими щитами. Есть они и на территории Советского Союза — в Карелии, на Украине. Возраст древнейшей гранитной плиты, исследованной на Кольском полуострове, насчитывает 3,4 миллиарда лет.

Получается, что полный возраст планеты, на которой мы обитаем, порядка пяти миллиардов лет.

Можно измерить и по-другому возраст Земли. Считается, что метеориты возникли одновременно с Землей. Будучи малыми по объему, они очень быстро остывали, и отсчитанное ядерными часами время жизни метеоритов практически совпадает с возрастом Земли. Ведь свинец затвердевшего метеорита, образовавшийся из урана, не мог переместиться куда-либо в другое место.

Когда измерили концентрацию урана и свинца в каменных метеоритах (только в них содержится уран), в их паспортах в графе «возраст» появились цифры, близкие к пяти миллиардам лет. Два разных способа дали одинаковые результаты. Ныне принято считать возраст Земли несколько большим пяти миллиардов лет, и вряд ли в будущем произойдут существенные уточнения.

Итак, распад атомного ядра помогает человечеству решить многие научные проблемы, связанные с историей Земли, строением земной коры, с изучением распределения полезных ископаемых.

«Мы перестали верить в неизменяемую вечность атомов, все течет, все изменяется, все разрушается и вновь создается, одно отмирает, другое рождается, — так течет история химических процессов мира во времени. Но даже и смерть атома человек сумел превратить в орудие познания мира и сделал из нее эталон времени», — писал академик Ферсман.

ЯДЕРНЫЕ ПРИБОРЫ

Для быстрого развития минерально-сырьевой базы Советского Союза, предусмотренного Директивами XXIV съезда КПСС, необходимо совершенствовать методы разведки полезных ископаемых, методы анализа минералов.

Приборы, основанные на ядерных излучениях, открыли новые пути к полезным ископаемым. Весьма эффективен для разведки так называемый нейтронный карротаж нефтяных пластов.

В нефтеносных районах пласты породы, пропитанные нефтью, могут залегать один над другим. Иногда ресурсы старых нефтяных скважин остаются неиспользованными до конца. Из глубокого пласта вся нефть откачана, а в верхних еще лежит нетронутая нефть, не замеченная когда-то геологами. Как обнаружить нефть в верхних пластах?

Стенки старой скважины защищены толстой стальной трубой. Нужно как-то ухитриться увидеть сквозь металлическую стенку нефть. Единственное средство, годное для зондирования, — нейтронные потоки. В скважину опускают специальный генератор быстрых нейтронов. Основа генератора — ускоренный высоким напряжением пучок ядер дейтерия, тяжелого водорода. Дейтерий падает на мишень, содержащую тритий, еще более тяжелый радиоактивный изотоп водорода. В столкновении ускоренных ядер дейтерия и трития возникают быстрые нейтроны. Генератор работает в импульсном режиме. Сгустки быстрых нейтронов легко проходят через стальную трубу и проникают в пласт породы, окружающей место заглубления генератора. Часть нейтронов отражается веществом пласта на нейтронный счетчик, который опускают вместе с генератором. Особенно много нейтронов попадает на счетчик, когда он достигает нефтяного пласта. И не только велико число отраженных нейтронов, но и поступают они на счетчик длительное время, в несколько раз больше длительности первичного импульса. По интенсивности и длительности геологи уверенно находят новый нефтяной пласт, изучают его структуру.