Становление изотопных исследований в геологии, как способа изучения возраста планеты. Стронциевая хемостратиграфия

Содержание Введение Гл. 1. Открытие радиоактивности и зарождение изотопной геологии
Открытие радиоактивности Применение радиоактивности Гл. 2. Становление стронциевой изотопной хемостратиграфии Стронций в океанах в фанерозойское время Стронций в океанах в докембрийское время Заключение Список литературы
Введение Возможно, несколько неделикатно спрашивать нашу матушку Землю, сколько ей лет, однако Наука не признает стыдливости и время от времени пытается дерзко вырвать у Земли секрет, так тщательно ею хранимый. Артур Холмс «Неделикатный» вопрос о возрасте планеты, на которой мы живем, вызвал научные дискуссии, длившиеся более 200 лет. Хотя философы и священнослужители древних цивилизаций и развили некоторые представления относительно истории Земли, изучение этой проблемы стало приобретать научный характер лишь после того, как геология выделилась в самостоятельную область знания. До середины XVIII столетия вопросы, связанные с происхождением Земли и ее последующей историей, были предметом богословия. Бишоп Ашшер в 1650 г. объявил, что сотворение Земли произошло в 4004 г. до н. э. Это утверждение появилось в большинстве английских библий в виде сноски на полях и серьезно помешало развитию научного мышления многих геологов того времени, ставших жертвами богословских предрассудков. Примерно до 1750 г. официальная точка зрения состояла в том, что все осадочные породы отложились во время Всемирного потопа (при котором уцелел лишь Ной и его род) и что все другие особенности поверхности Земли есть следствие воздействия периодически происходящих катастрофических событий. На границе XIX и XX веков естествоиспытателями была открыта радиоактивность. Тогда еще не подозревали о широких возможностях применения этого свойства веществ: о его пользе и вреде, об открытиях, которые будут сделаны, и смертельной опасности для человечества. Великие ученые, такие как супруги Кюри, Анри Беккерель, Эрнест Резерфорд и многие другие, положили свою жизнь на алтарь науки и показали всему миру, что в крохотном атоме скрывается огромная сила. Методики, построенные на основе их знаний, широко используются во всем мире. Взаимодействие физики, химии и геологии привело к рождению новых теорий и методов, позволяющих узнать прошлое истории Земли и, возможно, предсказать будущее. Ученые двигают континенты, дискутируют о конвекции в мантии и спорят о зарождении галактик, опираясь на изотопные данные, и не задумываются о той работе, что сделали их предшественники. Развитие науки и техники приоткрыло завесу тайны, но сколько непознанного остается еще впереди! Глава 1. Открытие радиоактивности и зарождение изотопной геологии Подъем геологии на научный уровень обычно связывают с работой шотландского ученого Джеймса Геттона. Он подчеркивал важность очень медленных, но постоянно действующих процессов, формирующих поверхность Земли. Эта идея противоречила идее катастрофизма и предшествовала концепции униформизма, развитой Геттоном в книге «Теория Земли», опубликованной в 1785 г. Главная идея Геттона состояла в том, что геологические процессы, происходящие сейчас, формировали Землю в прошлом и будут продолжать действовать таким же образом и в последующее время. Геттон утверждал, что не может найти « . ни следов начала, ни признаков конца» существования Земли. История Земли, очевидно, простирается на очень длительный, но не обязательно бесконечный отрезок времени. Постепенно все больше и больше геологов приходили к концепции униформизма, согласно которой отложение осадочных пород толщиной в несколько километров происходит в течение очень длительных периодов времени. Геология превратилась в научную дисциплину, основанную на изучении процессов, следы протекания которых сохраняют породы, и интерпретирующую эти процессы с точки зрения концепции униформизма. К середине XIX в. геологи сошлись во мнении, что Земля действительно очень древняя планета и что для отложения осадочных пород огромной толщины, по-видимому, требуется чрезвычайно длительный период времени.
Рис. 1. Уильям Томпсон
(лорд Кельвин)
(1824 –1907) Очевидные свидетельства древности Земли и концепция униформизма неожиданно подверглись критике Уильяма Томсона, более известного под именем лорда Кельвина [4]. Во второй половине XIX столетия Томсон считался самым выдающимся физиком Англии. Поэтому его вторжение в геологию в течение 50 лет оказывало значительное влияние на мнение геологов относительно возраста Земли. За период с 1862 по 1899 г. Томсон опубликовал несколько статей, в которых он привел ряд расчетов, по его мнению, налагавших ограничения на возможный возраст Земли. Расчеты Томсона основывались на рассмотрении светимости Солнца, процессов охлаждения Земли и влияния лунных приливов на скорость вращения Земли. Вначале Томсон сделал вывод, что возраст Земли не может быть более 100 млн. лет [20]. В последующих статьях приводятся еще меньшие значения возраста. В 1897 г. лорд Кельвин (в 1892 г. возведенный в звание пэра) прочитал свою знаменитую лекцию «Возраст Земли как колыбели жизни», в которой он уменьшил возможный возраст Земли до 20-40 млн. лет [21]. Эти, а также более ранние расчеты возраста Земли, приведенные лордом Кельвином и другими исследователями, создали геологам серьезные затруднения. Доводы лорда Кельвина казались тогда неопровержимыми и несовместимыми с интерпретациями, основанными на концепции униформизма. Это привело к тщетным попыткам некоторых геологов сжать историю Земли до нескольких десятков миллионов лет-предела, допускаемого лордом Кельвином. Попытки заключались в создании моделей, согласно которым в прошлом геологические процессы происходили с большей скоростью. Другие исследователи продолжали надеяться, что в конце концов в доводах лорда Кельвина обнаружится какая-либо ошибка и в конечном счете геологические данные не будут противоречить законам физики. В 1896 г. французский ученый Анри Беккерель объявил об открытии радиоактивности. Однако только через несколько лет удалось определить, что распад радиоактивных элементов - процесс экзотермический, т.е. естественная радиоактивность пород является источником тепла [22].
Открытие радиоактивности.
Рис. 2. Анри Беккерель
(1852 -1908)
В 1880 г. Анри Беккерель проводил опыты по изучению люминесценции кристаллов двойного сульфата уранила, возникающей при облучении их ультрафиолетовым светом. Люминесценция представляет собой свойство некоторых веществ излучать видимый свет под действием какого-либо внешнего источника энергии. Физики, работавшие с катодными трубками, в стеклянных стенках трубок наблюдали люминесценцию, возникающую при бомбардировке стекла электронами. Немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген, изучая это явление, обнаружил, что катодная трубка, обернутая черным картоном, вызывает люминесценцию в платиноцианиде бария, нанесенном на лист бумаги. При включенной катодной трубке лист с платиноцианидом продолжал люминесцировать и тогда, когда Рентген перенес его в соседнюю комнату! Очевидно, катодная трубка испускала та- таинственные лучи, которые могли проникать через черную бумагу. Сообщение об открытии Рентгена, появившееся в декабре 1895 г., вызвало большой интерес его коллег, и ученые стали искать связь между Х-лучами Рентгена и люминесценцией. Открытие Рентгена побудило А. Беккереля возобновить его работы с солями урана. Чтобы выяснить, не являются ли соединения урана
Рис. 3. Вильгельм Конрад Рентген
(1845 -1923) источником Х-лучей (рентгеновских лучей), Беккерель завернул фотопластинку в черную бумагу, поместил на нее несколько кристаллов уранилсульфата и подверг завернутую фотопластинку с кристаллами воздействию солнечного света. Действительно, кристаллы уранилсульфата испускали невидимые лучи, которые проникали сквозь черную бумагу и засвечивали фотопластинку. В конечном счете Беккерель определил, что соли урана, и даже урансодержащие минералы, испускают лучи постоянно, даже не будучи подвергнуты воздействию солнечного света. Это открытие, которое Беккерель представил Академии наук в Париже в 1896 г. [2], имело далеко идущие последствия и привело в течение последующих десятилетий к развитию атомной и ядерной физики и радиохимии.
Рис. 4. Пьер Кюри
(1859 -1906) После того как Беккерель сообщил о своих открытиях, связанных с исследованием солей урана, М. Кюри решила посвятить свою докторскую диссертацию систематическому исследованию, которое позволило бы определить, испускают ли другие элементы и их соединения подобные лучи. Ее труд был вознагражден: Мария Кюри обнаружила, что торий также испускает проникающие лучи [7]. Обратившись к изучению природных урановых и ториевых минералов, Мария Кюри определила, что они значительно более активны, чем чистые соли урана и тория. Это важное наблюдение подсказало ей, что природные урановые руды, например уранинит, должны содержать более сильный источник излучения, чем уран. В конце концов исследования привели к открытию двух новых активных элементов, которые были названы полонием и радием. На том основании, что радий имеет свойство испускать лучи, Мария Кюри предложила новый термин «радиоактивность». Ионизирующее излучение, испускаемое радием, который открыли супруги Кюри в 1898 г., заинтересовало Эрнеста Резерфорда. Э. Резерфорд работал тогда вместе с Дж. Дж. Томсоном в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета. Он изучал процесс ионизации газов рентгеновскими лучами, а затем занялся исследованием природы излучения радия. В конце 1898 г. Резерфорд переехал в Монреаль, в Университет Мак-Гилла, где он получил должность профессора физики. Год спустя Резерфорд опубликовал сообщение о том, что излучение, испускаемое радиоактивными веществами, состоит из трех компонентов, которые он назвал альфа, бета и гамма. Альфа-компонент, как было впоследствии показано, является ядрами гелия, а бета-компонент - электронами. Оказалось, что только гамма-компонент представляет собой электромагнитное излучение, подобное Х-лучам, открытым Рентгеном.
Рис. 5. Мария Склодовская-Кюри
(1867 -1934)
Рис. 6. Эрнест Резерфорд
(1871 -1937) В 1900 г. в Университет Мак-Гилла поступил на должность ассистента профессора химии Фредерик Содди. В течение двух лет, которые он провел в Монреале, Содди работал с Резерфордом, изучая радиоактивность соединений тория. Эти исследования позволили Содди и Резерфорду сформулировать теорию радиоактивного распада и накопления. Они установили, что атомы радиоактивных элементов самопроизвольно распадаются, образуя атомы других элементов, что распад сопровождается эмиссией а- и Р-частиц и что интенсивность излучения пропорциональна числу радиоактивных атомов. Следовательно, скорость распада выражается формулой: dN/dt = -λN где λ - постоянная распада, представляющая собой вероятность того, что атом распадется за единичный промежуток времени, N-число радиоактивных атомов. Были составлены цепочки радиоактивного распада урана и тория и перед исследователями встала запутанная проблема. Обнаружилось, например, что существует несколько типов тория, которые распадаются с различной скоростью. Более того, тщательные определения американского химика Т. В. Ричардза показали, что атомные массы элементов не целочисленны, как предположил в 1815 г. В. Праут. Еще большее недоумение вызвало сообщение Ричардза о том, что свинец, образующийся при распаде урана, имеет атомную массу, отличающуюся от атомной массы обычного свинца [17]. Эти проблемы были разрешены с помощью смелой гипотезы, предложенной Содди. Гипотеза заключалась в том, что место, занимаемое отдельным элементом в периодической таблице, может служить «пристанищем» более чем одному типу атомов. Содди назвал эти атомы изотопами, что по-гречески означает «то же место». Действительно, В. Крукс в 1886 г. попытался объяснить несостоятельность гипотезы Праута, предположив, что атомы одного элемента могут иметь различные целочисленные значения массы и что атомная масса элемента представляет собой среднюю массу смеси различных атомов. Эти идеи получили прямое экспериментальное подтверждение, когда в 1913 г. Дж.Дж. Томсон обнаружил, что неон состоит из двух типов атомов с атомными массами около 20 и 22. Эти наблюдения были сделаны «прибором с положительными лучами», описанном Томсоном [19].
В это время в Кавендишской лаборатории работал молодой химик Ф. В. Астон. Он вознамерился немедленно подтвердить или опровергнуть сообщение Дж.Дж. Томсона. После окончания первой мировой войны Астон усовершенствовал конструкцию томсоновского «прибора с положительными лучами» и назвал свой прибор масс-спектрографом. С помощью масс-спектрографа он не только подтвердил данные работы Томсона по неону, но и открыл третий изотоп с массой 21 [1]. Астон посвятил остаток своей жизни созданию все более точных масс-спектрографов, открыв с их помощью 212 из 287 существующих природных изотопов. Он также измерил массы этих изотопов и вычислил атомные массы элементов на основании относительного содержания их изотопов в природной смеси. За эти достижения Астон в 1922 г. был награжден Нобелевской премией по химии. В последующие годы конструкция масс-спектрографа была усовершенствована А.Дж. Демпстером, К. Т. Бейнбриджем, А. О. Ниром, М. Г. Инграмом, X. Е. Дакуэртом и многими другими. Масс-спектрограф превратился в высокочувствительный и точный инструмент для измерения изотопного состава элементов в геологических объектах.
Альфред О. Нир, работая после защиты диссертации в лаборатории К. Т. Бейнбриджа в Гарвардском университете в 1936-1938 гг., заинтересовался, в частности, проблемами геохронологии [15]. В сотрудничестве с Бакстером он начал проводить измерения изотопного состава свинца и разработал новые методы датирования, основанные на радиоактивном превращении урана и тория в свинец. После возвращения на кафедру в Университет штата Миннесота Нир опубликовал работу [14] о новой конструкции масс-спектрометров, в которой он предложил использовать 60-градусный секторный электромагнит вместо громоздких 180-градусных магнитов, применявшихся ранее. После второй мировой войны в нировском механическом цехе были созданы десятки масс-спектрометров его конструкции. Это позволило многим другим ученым участвовать в изотопных исследованиях и внести свой вклад в чрезвычайно быстро развивающееся научное направление - изотопную геологию [22]. Применение радиоактивности Радиоактивность вызывает генерацию тепла в породах, и предоставляет возможность точного измерения возраста пород и минералов. На эту возможность указывали примерно в 1905 г. и Резерфорд, и Болтвуд. В курсе лекций, прочитанных Резерфордом в Йельском университете в 1905 г., он показал, что возраст урановых минералов можно вычислять путем измерения количеств гелия, накапливаемого такими минералами. Резерфорд практически выполнил подобное определение возраста нескольких урановых минералов и получил значения около 500 млн. лет. Это, несомненно, доказывало, что расчеты возраста Земли, сделанные лордом Кельвином, неверны. И это произошло менее чем через 10 лет, после того как лорд Кельвин представил окончательное решение проблемы. В 1904 г. Резерфорд прочитал лекцию в Королевском институте об эффекте теплообразования, происходящего вследствие радиоактивного распада радия и об уменьшении скорости охлаждения Земли за счет этого эффекта. Когда Резерфорд вошел в лекционный зал, он ощутил чувство неловкости, поскольку увидел, что в аудитории находится лорд Кельвин. Резерфорд, однако, избежал возможных резких дискуссий со старым ученым, заявив, что лорд Кельвин вычислил возраст Земли, исходя из ее тепловой истории при условии, что новых источников тепла не будет обнаружено. Следовательно, лорд Кельвин, по сути дела, предвидел открытие радиоактивности и возможность теплообразования за счет распада радиоактивных элементов! Лорд Кельвин просиял от удовольствия и крепко проспал всю остальную часть лекции. В 1904 г. американский химик Бертран Болтвуд сообщил, что отношение U/Ra в большинстве древних минералов постоянно. После того как Болтвуд прослушал лекции Резерфорда в Йельском университете, он высказал предположение, что конечным стабильным продуктом распада урана является свинец. Это предположение было сделано на основании очень точного химического анализа уранита и других урановых минералов, который Болтвуд выполнил для производственных задач керамической промышленности, где эти вещества использовались в качестве пигментов. Впоследствии Болтвуд [3] опубликовал первые данные по определению возраста трех образцов уранинита на основе измерения отношения U/Pb. Полученные им значения возраста варьируют от 410 до 535 млн. лет и достаточно хорошо согласуются с современными датировками аналогичных минералов из соответствующих участков месторождений. Датировки Болтвуда были сделаны до открытия изотопии, до того, как стало известно, что свинец образуется также при распаде тория, и до того, как скорость распада урана была определена достаточно точно. Состояние проблемы было тщательно проанализировано Артуром Холмсом в книге «Возраст Земли», которая вышла в свет в 1913 г. [10], когда автору было 23 года. В этой книге Холмс убедительно показал важность использования радиоактивности в решении вопроса о возрасте Земли и составил первую геохронологическую шкалу. Шкала была основана на рассмотрении данных о мощности отложений осадочных пород и анализе данных об образовании гелия и свинца в урансодержащих минералах. С самого начала Холмс был убежденным сторонником использования явления радиоактивного распада для решения проблем геологии [9]. Геологи, однако, не всегда разделяли его энтузиазм, и Холмс в 1913 г. [10] с сожалением отметил, что «сюрпризы, которые приготовила нам радиоактивность, не всегда получали то признание, которое они заслуживали». Одним из сюрпризов, о которых говорил Холмс, были данные на первый взгляд о чрезмерной длительности геологической истории, полученные при исследовании радиоактивности минералов. Сложилась ситуация, к которой трудно было относиться без некоторой иронии: хотя только 15 лет прошло с тех пор, как лорд Кельвин сокрушил геологов своими «неопровержимыми» вычислениями, свидетельствующими, что возраст Земли не может быть более 40 млн. лет, некоторые геологи теперь уже оказались недовольны тем, что по данным о радиоактивном распаде возраст Земли получался слишком большим! Трудности возникли из-за того, что возраст по данным о радиоактивном распаде значительно превышал возраст, рассчитанный по скорости эрозии, содержанию солей в океанах и по скорости седиментации. Эти расхождения свидетельствовали о том, что либо процесс седиментации в прошлом происходил с меньшей, чем сейчас, скоростью, либо очень большое количество осадков было разрушено в процессе эрозии. Ни одна, ни другая альтернатива не привлекала тех геологов, которые поставили под сомнение достоверность полученных новыми методами значений возраста. В геохронологической шкале, опубликованной Холмсом в 1913 г. для архейских гнейсов, приводился возраст 1300 млн. лет, однако Холмс предполагал, что возраст самых древних архейских пород должен быть около 1600 млн. лет. Большую часть своей научной деятельности он посвятил вопросам применения явления радиоактивности для решения геологических проблем. Работа над геохронологической шкалой оставалась для него важнейшим делом в течение всей его жизни.
Изучение радиоактивности пород и измерение геологического времени получили формальное признание как отдельная область науки в 1923 г., когда Национальный исследовательский совет Академии наук США сформировал Комитет по измерению геологического возраста радиоактивными методами. Этот комитет организовывал научные конференции и публиковал периодические сообщения, которые сыграли важную роль в развитии изотопной геологии [12].
Глава 2. Становление Sr изотопной хемостратиграфии Хотя существование природной радиоактивности Rb было обнаружено в 1906 г. Кемпбеллом и Вудом, прошло более 30 лет, прежде чем удалось выяснить, что она связана с радиоактивным распадом изотопа 87Rb [19]. Возможность датирования рубидийсодержащих минералов с использованием превращения 87Rb в 87Sr обсуждалась Ханом и Валлингом, а первое определение возраста этим методом было выполнено несколькими годами позже. Однако Rb-Sr- метод датирования не получил широкого распространения до 50-х гг. прошлого столетия, когда для твердофазного изотопного анализа стали применяться масс-спектрометры конструкции Нира и появилась возможность определения концентраций Rb и Sr методом изотопного разбавления в сочетании с выделением этих элементов с помощью ионообменной хроматографии. Полную характеристику Rb-Sr-метода определения возраста, включающую его историю, теоретические основы и условия применимости, представили Фор и Пауэлл. Метод стронциевой изотопной (хемо)стратиграфии (СИС) для карбонатных пород опирается на изучение вековых вариаций изотопного состава Sr в воде палеоокеанов и весьма перспективен для корреляции и датирования древних морских осадков, определения степени замкнутости отдельных палеобассейнов и оценки глобальной геодинамической обстановки. Изотопный состав стронция при круговороте в гидросфере зависит от отношений 87Sr/86Sr в породах, которые взаимодействуют с водой на поверхности Земли или вблизи нее. Стронций, переходящий в раствор, в ходе транспортировки перемешивается и изотопно гомогенизируется до своего поступления в океан или в замкнутые бассейны на континентах. Отсюда Sr вновь вступает в цикл породообразования главным образом путем соосаждения с карбонатом кальция. Таким образом, осадочные карбонаты и эвапориты во всех регионах мира сохранили память об изменении изотопного состава Sr в океанах и на континентах в протерозое и фанерозое [22]. Sr в океанах в фанерозойское время Изотопный состав стронция в океанах, по-видимому, повсюду одинаков и характеризуется средним отношением 87Sr/86Sr 0,70906 + 0,00003, вычисленным по сотням анализов, выполненных разными исследователями и приведенных к значению 0,70800 для отношения 87Sr/86Sr в так называемом «изотопном стандарте SrCO3 Эймер и Аменд» [7]. Это значение позднее было подтверждено Берком и др. [5], которые в результате анализа 42 образцов современных морских карбонатов, взятых в различных районах земного шара, получили значение 0,70910 + 0,00004 (также относительно значения 0,70800 в стандарте Эймер и Аменд). Отношение 87Sr/86Sr в морской воде контролируется смешением из следующих источников: 1) молодые вулканические породы, 2) древние сиалические породы континентальной коры и 3) морские карбонатные породы фанерозойского возраста [8]. Таким образом, отношение 87Sr/86Sr в морской воде является косвенным индикатором типа пород, которые подвергались химическому выветриванию на поверхности континентов и в океанических бассейнах. Эти соображения позволяют предполагать, что отношение 87Sr/86Sr в океанах в ходе геологического времени варьировало в ответ на изменения характера пород, подвергавшихся химическому выветриванию. Питерман и др. [16] впервые описали такие систематические вариации отношений 87Sr/86Sr в незамещенном карбонате кальция розойских ископаемых раковин. Другие исследователи подтвердили этот вывод и значительно детализировали ход изменения отношения 87Sr/86Sr во времени с помощью анализа Sr, извлеченного из карбонатных минералов морских известняков и даже доломитов [18]. Предполагается, что отношения 87Sr/86Sr в морских карбонатах идентичны этим отношениям в морской воде во время отложения при условии, что они не были изменены в ходе диагенеза, доломитизации, регионального метаморфизма или в процессе селективного растворения карбонатных минералов в лаборатории при выделении стронция. Фор [7] использовал имеющиеся данные для вычисления средних значений отношения 87Sr/86Sr в фанерозойском океане через каждые 20 млн. лет. Полученная в результате кривая подтвердила вывод Питермана и др. [16] о том, что отношение 87Sr/86Sr в океанах в фанерозое систематически изменялось. Вариации отношений 87Sr/86Sr в океанах в фанерозойское время основаны на данных Берка и др. [14], проанализировавших 786 образцов морских карбонатов. Большинство результатов попадает в пределы полосы, представленной на рисунке 7 кривой. В некоторых морских карбонатах значения отношения 87Sr/86Sr лежат выше или ниже этой полосы по различным причинам: 1) изменение 87Sr/86Sr в ходе диагенеза или регионального метаморфизма низкой ступени. Это может приводить к увеличению отношения 87Sr/86Sr в карбонатных минералах, если источниками детритовых силикатных минералов в породе являются древние кратоны, либо к понижению этого отношения, если в породе присутствует молодой вулканический обломочный материал; 2) неточная оценка возраста, особенно в тех интервалах времени, где отношение изменилось быстро; 3) кратковременные вариации океанических отношений 87Sr/86Sr малой амплитуды, выявление которых возможно только при более детальном биостратиграфическом датировании и более плотном отборе образцов по непрерывным стратиграфическим разрезам; 4) реальные различия между отношениями 87Sr/86Sr в морских карбонатах, отложившихся близко от берега и в открытом океане, вызванные локальным привносом Sr с древних кратонов или молодых вулканических областей в результате дренажа поверхности континентов. Рис. 7. Изменение отношения 87Sr/86Sr в морских карбонатах в фанерозойское время Кратковременные флуктуации отношения 87Sr/86Sr и локальные эффекты были описаны Фором и др. [6] для мезозойских морских карбонатов из Ломбардских Альп в Италии. Кроме того, значительные вариации отношения 87Sr/86Sr были отмечены в известняках пенсильванского (позднекаменноугольного) возраста, вероятно, в связи с тем, что они отлагались в солоноватой воде мелких континентальных морей [2, 5]. Однако основная масса имеющихся данных подкрепляет вывод о том, что Sr в океанах на протяжении фанерозойского времени был изотопно гомогенным. Этот вывод основан на сравнении отношений 87Sr/86Sr в морских карбонатах одного и того же возраста, отобранных в различных районах мира, и на изучении современной морской воды. Причины изотопной гомогенности Sr в океанах таковы: 1) длительное время его пребывания (около 5 млн. лет) по сравнению со временем перемешивания океанов (около 1 тыс. лет); 2) высокая концентрация в океанах 7,7 мкг/г) по сравнению со средней речной водой 0,068 мкг/мл).
Изотопная гомогенность Sr в океанах может дать нам возможность использовать наблюдаемое зависящее от времени изменение отношения 87Sr/86Sr для датирования морских карбонатных пород. Фор [30] сделал критический обзор истории этой идеи, но пришел к выводу, что ее применимость для датирования фанерозойских пород ограничивается частыми флуктуациями отношения 87Sr/86Sr на протяжении этой эры. Однако этот метод может быть пригодным для датирования морских карбонатных пород в возрастном интервале от средней юры до плейстоцена вследствие почти монотонного возрастания отношения 87Sr/86Sr в течение этого интервала времени. Очень точно измеренные и стратиграфически хорошо контролируемые отношения 87Sr/86Sr в морских карбонатах третичного возраста были опубликованы Де-Паоло и Ииграмом [6].
Систематические вариации отношения 87Sr/86Sr в океанах, начиная с кембрия, показывают, что перечисленные выше три основных источника Sr в разное время вносили различный вклад в общее количество Sr, поступающее в океаны. В палеозое отношение 87Sr/86Sr в океанах неоднократно колебалось от высокого значения около 0,7091 в позднем кембрии до примерно 0,7068 в поздней перми. После начального возрастания примерно до 0,7077 в среднем триасе отношение вновь упало до 0,7068 в средней и поздней юре и затем увеличивалось в течение мелового и третичного периодов лишь с несколькими незначительными флуктуациями в среднемеловое и раннетретичное время. Хотя изотопная геохимия Sr в океанах в настоящее время изучена довольно хорошо, причины любых конкретных флуктуации отношения 87Sr/86Sr остаются в значительной степени необъясненными. Армстронг предположил, что отношение 87Sr/86Sr в морской воде могло увеличиваться во время периодов континентального оледенения, которое ускоряет эрозию гранитогнейсов, обнаженных на древних докембрийских щитах. Клауэр из Страсбургского университета, Франция, показал, что отношение 87Sr/86Sr в океанах увеличивалось после периодов горообразования на континентах, предположительно вследствие усиливавшейся эрозии, следовавшей за подъемом. Уменьшение отношения 87Sr/86Sr в течение мезозойской эры было приписано увеличению скорости расширения морского дна и вулканической активности, связанной с раскрытием Атлантического океана и рифтообразованием в Гондване и Пангее. Все эти механизмы, вероятно, вносят свой вклад в вариации отношения 87Sr/86Sr в океанах. Однако крупные и быстрые флуктуации могут происходить только в результате уменьшения вклада Sr из одного источника, совпадающего с увеличением вклада из другого. Другими словами, отношение 87Sr/86Sr в океанах могло уменьшаться только в периоды увеличения притока Sr из мантийных источников и уменьшения вклада коровых источников, и наоборот [22]. Sr в океанах в докембрийское время Изотопный состав Sr в карбонатных породах, отложившихся в докембрийское время, еще недостаточно изучен в связи с тем, что докембрийские карбонатные породы более редки, чем фанерозойские, а также потому, что химические, минеральные и изотопные составы многих докембрийских карбонатных пород были изменены. Кроме того, докембрийские карбонатные породы представляют значительно более продолжительный интервал времени по сравнению с фанерозойскими, однако их трудно датировать как палеонтологическими методами из-за недостатка руководящих ископаемых, так и изотопными, из-за того что последние обычно неприменимы к карбонатным породам или являются слишком неточными. Даже распознавание морских и неморских осадочных бассейнов в ранние периоды истории Земли затруднено, так как соленость океанов в то время могла быть меньшей, чем сегодня. Имеющиеся данные, что отношения 87Sr/86Sr в позднеархейских карбонатных породах были подобны этим отношениям в мантии. Из этого следует, что изотопная геохимия Sr на поверхности Земли в архейское время была совершенно отличной от той, которая характерна для протерозоя и фанерозоя. Вулканическая активность в архейское время была, вероятно, более интенсивной, и породы, обнажавшиеся на поверхности, обычно были молодыми и могли иметь более низкие отношения Rb/Sr, чем магматические породы, формировавшиеся позднее. Вследствие этого отношения 87Sr/86Sr в поверхностных водах были сходны с существовавшими в то время в мантии. Кроме того, карбонатные породы не встречались еще в изобилии на поверхности Земли и поэтому не могли оказывать такого сдерживающего влияния на флуктуации отношения 87Sr/86Sr в океанах, как в фанерозойское время. Глобальная стратиграфическая шкала неопротерозоя во все возрастающей степени начинает опираться на данные хемостратиграфии – прежде всего на вариации изотопного состава углерода и стронция в карбонатных осадках. Как правило, хемостратиграфия позволяет дать лишь весьма грубые оценки возраста (в лучшем случае 10-20 млн. лет), однако там, где биостратиграфия теряет свою эффективность и отсутствуют надежные радиологические датировки, она становится едва ли не единственным инструментом определения времени осадконакопления. В последние десять лет создана значительная база данных и опубликовано несколько вариантов изменения изотопного состава стронция и углерода в осадочных карбонатных породах позднего докембрия, предположительно характеризующих эволюцию этих параметров в Мировом океане. Первыми опубликовали свою кривую вариаций изотопного состава Sr в воде палеоокеана Вейзер и Компсон в 1976 году. Они продемонстрировали резкое увеличение отношения 87Sr/86Sr в морской воде между 2,5-2,0 млрд. лет. Позднее были получены данные, что в непротерозое (около 900 млн. лет назад) значение 87Sr/86Sr снизилось в ответ, в основном, на гидротермальное событие того времени. Значительное количество новых изотопных данных была получена благодаря Дерри (1989, 1992, 1994), Асмерому (1991), Кауфману [11] и их коллегам. Эта база данных недавно была проверена Якобсеном и Кауфманом на постседиментационные изменения и возрастные ограничения, что должно улучшить кривые для неопротерозой-раннекембрийского этапа геологического времени.
Рис. 8. Стандартная кривая вариаций отношения 87Sr/86Sr в докембрийском океане. Однако, этот этап разделили на два интервала. Поздний – демонстрирует заметный рост от 0,7066 590 млн. лет назад до 0,7085 на границе докембрия-кембрия. Другой же интервал с 850 до 590 млн. лет назад имеет ряд противоречивых значений изотопного состава Sr [13]. На данном этапе рекомендуется использовать изотопные кривые с минимальными значениями 87Sr/86Sr, потому что в процессе постседиментационной перекристаллизации Sr выносится из карбонатов и тем самым повышается отношение 87Sr/86Sr. В последние пять лет нашей группой исследовано большая группа объектов в южном обрамлении Сибирской платформы, что внесло неоценимый вклад в развитие отечественной изотопной хемостратиграфии.
Заключение
Человечество знает не мало историй победы науки над предрассудками. Вопросы о возрасте Земли возникали с древних времен и только в последнее столетие мы приблизились к ответам. Благодаря гению многих ученых было доказано существование радиоактивности и показана зависимость этого эффекта и возраста горных пород. На границе физики, химии и геологии родились теории и методы, благодаря которым можно заглянуть в прошлое нашей планеты. На основе изотопных данных ученые строят модели движения континентов как в прошлом, так и в будущем, спорят о конвекции в мантии и скоростях осадконакопления.
В нашем институте создана большая лаборатория, оборудованная всем необходимым для изотопных исследований. Ученые могут использовать наработки физиков и усовершенствовать методики, а так же притворять в жизнь свои собственные задумки. Мы - единственные в Сибири, кто занимается изотопным составом стронция в древних карбонатных породах и тем самым пополняем базу аналитических данных всего мира.
При этом, каждый раз отбирая в поле образцы для изотопных исследований, геологи не задумываются о людях, поставивших целью своей жизни изучение радиоактивности. Именно эти ученые работают над систематизацией полученных данных и внедрением раннее неиспользовавшихся изотопных систем, что приведет к рассмотрению вопроса эволюции Земли совсем с другой стороны. Переоценка прошлого и развитие настоящего дает крепкое основание для открытий будущего. Список литературы: Фор Г. Основы изотопной геологии. М: Недра, 1989 г.