Геологическая хронология.

Для богословов и апологетов, занимающихся соотнесением библейского повествования о сотворении мира и современных естественнонаучных концепций, особый интерес должно представлять знакомство с геологическими реконструкциями истории нашей планеты.

Геохронология – дисциплина, изучающая последовательность геологических событий во времени – образования горных пород, геосфер, планеты в целом, а также устанавливающая внутренние связи между геологическими явлениями и процессами в прошлом. Геохронология нуждается в сопутствующих дисциплинах, в частности, в стратиграфии (лат. stratum — «слой» и греч. γραφο — «пишу») — раздела геологии, занимающимся определением и описанием последовательности отложения горных пород.

Геохронология бывает двух видов – относительная и абсолютная.

Относительная геохронология устанавливает последовательность событий во времени или палеонтологическую летопись и строится на ряде принципов.

1. Принцип актуализма (униформизма) Ч. Лайеля (Sir Charles Lyell; 1797-1875) – одного из основоположников исторической геологии. Напомним, согласно данному принципу, «настоящее – это ключ к прошлому»: процессы, которые мы можем наблюдать в настоящее время, являются такими же, которые происходили и в отдаленные по времени геологические эпохи. Это означает, что выводы, которые делают ученые, исследуя современные геологические процессы, справедливы и для тех событий, что происходили на нашей планете сотни миллионов лет назад. Современный актуализм XXI в. методологически отличается от униформизма эпохи Ч. Лайеля разумным аналитическим сравнением древних процессов с современными, воздерживаясь от простого механического проецирования наблюдаемых процессов в прошлое.

2. В 1669 г. датский естествоиспытатель Н. Стено (Niels Steensen (Steno); 1638-1686) сформулировал принцип последовательности напластований: «если один пласт горных пород располагается над другим, то верхний слой всегда моложе нижнего».

3. В XVIII в. шотландский геолог Дж. Хаттон (James Hutton; 1726-1797), своими трудами оказавший влияние на самого Ч. Лайеля сформулировал закон пересечений: «секущая магматическая порода всегда моложе той породы, которую она рассекает» и закон включений: «включение всегда старше вмещающей породы».

4. В XIX в. английским ученым Т. Гексли (Thomas Huxley; 1825-(18250504)1895) был сформулирован принцип фаунистических и флористических ассоциаций, согласно которому слои, содержащие останки одних и тех же видов животных и растений, образовались в одно и то же время. Этот принцип позволяет синхронизировать во времени пласты, залегающие в разных местах.

Разумеется, все принципы работают с определенными оговорками и имеют некоторые исключения. Например, старшие пласты породы иногда могут оказаться выше молодых вследствие тектонических движений, эрозий, вторичных переотложений и проч.

Тем не менее, благодаря вышеприведенным и некоторым другим открытым закономерностям, к началу XX в. сведения о многочисленных региональных геологических последовательностях начали сводиться в единую стратиграфическую шкалу или геологическую колонку, имеющую практическую ценность не только для реконструкции прошлого планеты, но и для предсказаний, связанных с геолого-разведочными работами при поиске многих полезных ископаемых.

Геохронологическая шкала создавалась для определения относительного геологического возраста пород. Абсолютный возраст, измеряемый в годах, имеет для геологов второстепенное значение, т.к. цифры постоянно уточняются и пересматриваются, причем более-менее стабильные, заслуживающие доверия результаты были получены только в конце ХХ в[500].

Время существования Земли геологами разделено на два главных интервала или эона: фанерозой – эпоха «явной жизни» и криптозой (докембрий) – эпоха «скрытой жизни», - по возможности визуального наблюдения в осадочных породах ископаемых остатков. Дело в том, что во времена криптозоя существовали только мягкотелые организмы, не оставляющие явных следов в осадочных породах (однако современная техника и физико-химический анализ позволяют их, тем не менее, вполне четко фиксировать). Фанерозой начался с появлением на границе эдиакария (венда) и кембрия множества видов моллюсков и других организмов (т.н. «кембрийский взрыв жизни»).

Дальнейшее деление геохронологической шкалы имеет своим истоком самые первые попытки разделить историю земли на крупнейшие временные интервалы. Вся геологическая история еще в середине XIX в. была разделена на четыре периода: первичный, который эквивалентен докембрию, вторичный — палеозой («эру древней жизни»), мезозой («эру средней жизни»), третичный — весь кайнозой («эру новой жизни») и четвертичный (антропогеновый) период - самый короткий, в отложениях которого, среди прочего, зафиксирована история приматов и древнего человека.

Названия эрам и периодам давались в основном по локальным, местным признакам, причем чаще всего – европейским особенностям рельефа. Отсюда обилие английских географических топонимов. Например, название кембрийского периода происходит от латинского Cambria — наименования нынешнего Уэльса, когда он был еще в составе Римской империи, а девонского — от графства Девоншир в Англии. Наименование «пермский период» входит в научный обиход после исследований уральских отложений в 1841 г. шотландским геологом Р. Мурчисоном (Roderick Murchison; 1792-1871) в окрестностях города Перми, а «юрский период» — от гор Юра в Европе. В честь древних славянских и кельтских племен, живших в эпоху железного века, получили названия вендский,[501] ордовикский и силурийский периоды. Некоторые наименования отразили физико-химический состав осадочных пород: каменноугольный период или карбон назван так из-за большого количества угольных пластов, меловой - из-за широкого распространения меловых отложений, а триас – как результат объединения трех выделенных в разрезах Центральной Европы комплексов слоев: пестрого песчаника, раковинного известняка и пестрого мергеля.

Свести во едино геохронологические данные разных районов планеты помогает, в частности, тефрохронология (греч. τεφρα — «пепел»), детально изучающая историю отложения вулканических выбросов, устанавливающая идентичность слоев пепла и принадлежность его определенным вулканам. Дело в том, что крупные извержения в истории планеты покрывают огромные территории и оставляют осадки сразу на нескольких материках, что позволяет сопоставлять относительные датировки на разных континентах.

С 1960-х гг. в относительной геохронологии был сделан крупный прорыв: для синхронизации местных геологических колонок в единую хронологическую шкалу стал активно применяться геофизический палеомагнитный метод. Суть его в том, что при переходе железосодержащих веществ из жидкого состояния в твердое (например, при застывании излившейся магмы - лавы) в образующихся минералах сохраняется т.н. остаточная намагниченность, причем ее вектор совпадает с ориентацией магнитного поля Земли в момент образования минерала. Для наглядности можно представить водную взвесь множества крошечных магнитных стрелок: пока вода жидкая, свободно плавающие стрелки обращены своим «северным» концом к Северному магнитному полюсу, а «южным» - к Южному. Но как только вода замерзнет, стрелки потеряют подвижность, зафиксировав положение магнитного полюса в момент замерзания.

Выше, шла речь о том, как магнитное поле Земли периодически претерпевает инверсии (Северный магнитный полюс меняется местами с Южным). Таким образом, остаточная намагниченность горных пород позволяет определить, когда образовался данный слой: в эпоху «прямой» или «обратной» полярности.

Палеомагнитные данные сами по себе не дают абсолютных датировок, но момент каждой конкретной инверсии магнитного поля Земли можно «привязать» к геохронологической шкале на основе других данных (палеонтологических, радиометрических и др.). Когда это сделано, палеомагнетизм можно использовать для определения возраста магматических пород, в которых нет ископаемых остатков живых организмов или осадочных – по включениям застывшей магмы.

В настоящее время стратиграфы составили детальные палеомагнитные (или магнитостратиграфические) шкалы для кайнозойской и мезозойской эр. Итоговым результатом многолетних геофизических исследований усилий стало создание и постепенная детализация глобальной геохронологической шкалы. Наряду с глобальной шкалой по-прежнему активно используются местные или локальные шкалы, которые далеко не всегда удается строго «привязать» к глобальной. Локальные шкалы могут быть разработаны гораздо детальнее, поскольку провести корреляцию слоев в пределах одного района намного легче, чем в масштабе всей планеты[502].

В Приложении № 3 мы приводим в схематически упрощенном виде геохронологическую шкалу, предложеную к использованию международной комиссией по стратиграфии ICG и ратифицированнyю международным союзом геологических наук (IUGS) в 2004 г.[503]

Интерес к абсолютным датировкам, измеряемым в годах,возник уже в начале XVIII в. Ученые обратились к самым различным методам, связанным с геологическими, физическими, химическими и биологическими процессами. Одни пытались строить хронологию по скорости накопления солей в Мировом океане за счет привноса реками растворимых минералов до современного уровня их содержания. Другие оценивали время накопления осадков, исходя из современной скорости отложения. Третьи рассчитывали потери тепла Земли при ее остывании, принимая первоначальное состояние за расплавленное. Однако все полученные данные очень сильно расходились между собой, что ставило под сомнение саму идею абсолютного исчисления геологической истории планеты.

В 1896 г. французский физик А. Беккерель (Antoine Becquerel; 1852-1908) открыл явление радиоактивности - (лат. radio — «излучаю», radius — «луч» и activus — «действенный») — свойство атомных ядер некоторых элементов самопроизвольно изменять свой состав посредством испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов.

Процесс радиоактивного распада происходит с постоянной скоростью, независящей от каких либо физико-химических процессов (изменение давления, температуры и проч.), протекающих на земной поверхности или в недрах планеты. Постоянство скорости радиоактивного распада было обосновано теоретически и доказано опытным путем.

Скорость радиоактивного распада остается неизменной в пределах температур от –186º до 2000 ºC. Она остается постоянной в вакууме при давлении в тысячи атмосфер. Предположения о влиянии на скорость радиоактивного распада космических нейтронов и изменения в прошлом фундаментальных констант несостоятельны. Так, например, наблюдаемый уровень свободных нейтронов на шесть порядков меньше, чем требуется для их влияния на скорость радиоактивного распада, предположить же, что вместе со скоростью света со временем уменьшаются и другие фундаментальные константы такие, как постоянная Планка или скорость света и проч., - значит войти в грубое противоречие с космологическим антропным принципом - изменяя эти константы, придется изменить и многие другие, в том числе и те, которые обуславливают химические и физические свойства атомов и Вселенной в целом.

Радиоактивные изотопы химических элементов распадаются таким образом, что их количество убывает со временем по экспоненциальной закономерности. К примеру, было установлено, что в любой порции изотопа урана ²³⁸U половина составляющих ее атомов превратится в свинец ²⁰⁶Pb за 4,5 млрд. лет. Соответственно через 9 млрд. лет урана должно остаться 1/2 от 1/2, т.е. 1/4 и т.д. Время T_½, в течение которого квантово-механическая система распадается с вероятностью 1/2, называется периодом полураспада и является константой. В данном случае период полураспада ²³⁸U будет составлять 4,5 млрд. лет. Зная период полураспада того или иного изотопа, а также количества исходных и дочерних элементов, несложно вычислить абсолютный возраст горных пород. При этом нужно помнить, что употребление слова «абсолютный» не совсем корректно ввиду того, что любые полученные результаты не являются абсолютно точными, т.к. могут нести в себе весьма существенную ошибку. Кроме того, продолжительность астрономического года (как периода обращения Земли вокруг Солнца) современной эпохи не соответствует продолжительности года в палеозое и тем более в протерозое или архее. Поэтому возраст горных пород, установленный по данным распада естественно-радиоактивных химических элементов, более корректно называть радиогеохронологическим или просто радиометрическим [504].

Критики часто относятся к абсолютным датировкам с большим скептицизмом, указывая на общие слабые места ядерно-физических методов датирования:

1) допущение об известности начальных условий (например, предположения, что дочерний изотоп изначально не присутствовал в породе, или присутствовал в каком-то определенном количестве);

2) допущение, что исследуемые системы были абсолютно закрытыми, изолированными от миграционных процессов, количество материнских и дочерних изотопов в данной породе не увеличивалось и не уменьшалось путем оттока атомов или их притока извне;

3) частые случаи ошибочного установления возраста исследуемых объектов.

На самом деле каждый из радиометрических методов имеет свои достоинства и недостатки. Например, недостатком уран-свинцового метода является редкая встречаемость минералов с достаточно высоким содержанием урана; недостатком калий-аргонового — высокая вероятность утечки образующегося аргона в атмосферу из уже затвердевшего минерала. Таким образом, отдельно взятые радиометрические методы действительно не застрахованы от ошибочных датировок. Именно поэтому физики стараются проводить датирование одной и той же горной породы или пласта при помощи нескольких независимых методов. При совпадении результатов возраст приближенно принимается за истинный. При расхождении оценок устанавливается возможная причина ошибочной датировки. Как и любой аналитический метод, радиохронология может давать отдельные существенные ошибки, однако наличие таких просчетов не дискредитирует метод в целом. Авторы популярных брошюр, критикующие научные датировки, весьма тенденциозны, т.к. полностью игнорируют многочисленные данные, которые дают верные результаты[505].

В настоящее время широко применяют такие радиохронологические методы, как уран-ториево-свинцовый, свинцовый, рубидий-стронциевый, калий-аргоновый, самирий-неодимовый и др.

В качестве примера рассмотрим методику уран-ториево-свинцовых датировок. Метод базируется на использовании сразу трех процессов радиоактивного распада урана и тория ²³⁸U => ²⁰⁶Pb; ²³⁵U => ²⁰⁷Pb; ²³²Th =>²⁰⁸Th => ²⁰⁸Pb. Период полураспада ²³⁸U составляет 4 510 млн. лет, ²³⁶U – 713 млн. лет, ²³²Th – 15 170 млн. лет. Исходя из продолжительности распада, магматические минералы, содержащие данные элементы, используются для определения возраста интересующего нас пласта. Измерив в минерале содержание радиоактивных изотопов урана, тория и радиогенных частей трех изотопов свинца, а также содержание нерадиогенного изотопа свинца ²⁰⁴Pb, находят сразу шесть изотопных соотношений. Одно из них в настоящее время считается фиксированным (²³⁸U / ²³⁵U = 137,7), а остальные пять (²⁰⁶Pb/²³⁸U; ²⁰⁷Pb/²³⁵U; ²⁰⁸Pb/²³²Th; ²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb; ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb) дают возможность оценить возраст минерала. Близость всех пяти результатов свидетельствует о достоверности проведенного анализа. При этом возможно дальнейшее комплексное привлечение и других вышеприведенных методов[506].

Осадочные породы, не содержащие радиометрических маркеров, могут быть приблизительно датированы по магматическим включениям согласно приведенным выше закономерностям включений и пересечений Хаттона из области относительной геохронологии. То же относится и к органическим останкам – часто их возраст определяется по сопутствующим магматическим и метаморфическим породам.

Для определения «абсолютного» возраста самых молодых отложений (не старше 60 тысяч лет), особенно для сохранившихся в них органических материалов – угля, древесины, костных останков и т.п., широко используется радиоуглеродный метод. Радиоактивный изотоп углерода ¹⁴C образуется в верхних слоях атмосферы в результате бомбардировки ядер азота нейтронами космических лучей: ¹⁴N + n (нейтрон) => ¹⁴С + p (протон). Углерод ¹⁴С окисляется до ¹⁴СO₂ и распространяется в атмосфере. Растения используют ¹⁴СO₂ в ходе фотосинтеза для производства органики наравне с обычной углекислотой. В результате соотношение ¹⁴C/¹²C в живых организмах оказывается таким же, как в атмосфере (порядка 10^–12). После смерти организма приток углерода в него прекращается (система становится условно замкнутой, как и в случае с затвердевшим минералом), и начинается неуклонное экспоненциальное снижение соотношения ¹⁴C/¹²C за счет распада радиоактивного изотопа ¹⁴C.

Однако применение радиоуглеродного метода сталкивается с целым рядом трудностей. Захороненная органика может загрязняться посторонним углеродом, как «древним» (с низкой долей ¹⁴C), так и «молодым». В результате возникают, соответственно, «ошибки омоложения» и «ошибки удревнения». Кроме того, соотношение ¹⁴C/¹²C в атмосфере не постоянно. Например, хозяйственная деятельность человека и особенно испытания ядерного оружия очень сильно сказываются на этой величине. Темпы образования ¹⁴C в верхних слоях атмосферы зависят от интенсивности космического и солнечного излучения, а это величины переменные. Соотношение ¹⁴C/¹²C зависит и от общей концентрации СO₂ в атмосфере, которая тоже склонна меняться. Все эти естественные колебания, однако, не очень велики по амплитуде и с определенной степенью точности могут быть учтены. По-настоящему серьезную проблему представляет лишь возможность загрязнения образца посторонним углеродом[507], что возможно случилось, с Туринской плащаницей, заниженный возраст который был получен без учета того, что священная реликвия несколько раз за свою многовековую историю находилась в атмосфере пожаров[508], обогащаясь, таким образом, изотопом ¹⁴C.

Критика в современной христианско-апологетической литературе радиометрических данных середины ХХ часто не учитывает развитие технологии метода к началу ХХI в. Кроме того, в настоящее время радиоуглеродный анализ часто дополнительно верифицируется дендрохронологией — методикой датирования археологических находок и древних предметов, основанной на исследовании годичных колец древесины, а также дендроклиматологией, занимающейся изучением закономерностей сложения годичных слоев древесных пород с целью реконструкций климата в прошлые геологические эпохи.

В целом же данные радиометрических датировок в комплексе с другими методиками[509], эмпирическими наблюдениями[510] и теоретическими расчетами в настоящее время прочно вошли в современную научную картину мира, что само по себе не исключает необходимость в отдельных случаях осторожности в выводах и здравого критического осмысления.

Дата добавления: 2015-08-18