Абсолютная геохронология

Абсолютные датировки были «подвешены» к геохронологической шкале много позже, когда появились радиометрические, а затем и другие методы определения абсолютного возраста. Эти методы относятся как бы к другой епархии — соответствующие анализы проделывают химики и физики, а вовсе не геологи с палеонтологами. Анализы эти дороги и сложны, и делают их достаточно редко. Да и не нужно делать их часто. Достаточно один раз точно датировать каждую стратиграфическую границу, чтобы затем легко переводить «нормальный», то есть относительный, определенный по флоре-фауне возраст в столь любимые читателями научно-популярных изданий миллионы лет.

Проблема в том, что все эти физико-химические методы пока еще не очень точны. Вот что написал в 1986 году в журнале «Знание-Сила» один из крупнейших российских стратиграфов Сергей Викторович Мейен:

«Еще в начале тридцатых годов в одном из авторитетных стратиграфических руководств было сказано, что по разным методам подсчета возраст земной коры получается от 40 миллионов до 7 миллиардов лет. Такой разброс цифр, конечно, обесценивает их».

Но еще более показательна другая цитата:

«Теперь мы знаем, что весь фанерозой продолжался примерно 570 миллионов лет... ошибка измерений для начала палеозоя составляет десять—пятнадцать миллионов лет».

Действительно, по шкалам образца 80-х годов XX века абсолютный возраст границы протерозоя и палеозоя оценивался как 570 млн лет с ожидаемой ошибкой не более 15 млн лет, то есть 555–585 млн лет.

Однако шкала образца 2004 года (см. в предыдущем разделе Глобальную геохронологическую шкалу палеозойской эры) дает датировку 542 плюс-минус 1 млн лет! Таким образом, если считать нынешнюю шкалу правильной, приходится признать, что в 1986 году ошибка составляла не 10-15, а целых 28 миллионов лет! За два десятилетия интенсивного развития абсолютной геохронологии нижняя граница раннего кембрия сместилась на величину, равную (по современным представлениям) продолжительности всей раннекембрийской эпохи!

При этом, заметьте, изучение палеонтологии раннего кембрия шло своим чередом, кембрий оставался кембрием, археоциаты — археоциатами, и, если честно, специалистам по кембрию от всех этих пертурбаций ни жарко, ни холодно. Но теперь, я думаю, читателю легче понять, почему палеонтологи больше доверяют своим периодам, эпохам, векам, горизонтам и свитам, чем пресловутым «миллионам лет».

И все-таки — откуда они берутся, эти миллионы? ^*

Из методов определения абсолютного возраста наиболее широко применяются так называемые радиометрические методы, основанные на постоянстве скорости распада радиоактивных изотопов (см. таблицу).

Пока вещество находится в жидком состоянии (жидкая магма, например) его химический состав переменчив: происходит перемешивание, диффузия, многие компоненты могут улетучиваться и т. д. Но когда минерал затвердевает, он начинает вести себя как относительно замкнутая система. Это значит, что присутствующие в нем радиоактивные изотопы не вымываются и не улетучиваются из него, и уменьшение их количества происходит только за счет распада, который идет с известной постоянной скоростью. Все продукты распада в идеале тоже остаются внутри минерала. К сожалению, такой «идеал» встречается в природе не намного чаще, чем идеальный газ или абсолютно черные тела.

Если в новообразовавшейся горной породе изначально не было атомов — продуктов распада данного изотопа (или если нам известно, сколько их там было); если атомы изотопа и образующиеся продукты его распада действительно не вымывались, не улетучивались и не внедрялись извне, то мы и впрямь можем очень точно определить возраст породы, измерив соотношение масс изотопа и его продуктов. Знать изначальное содержание изотопа в породе для этого не нужно. Например, если в породе обнаружено соотношение изотопа и продуктов его распада 1:1, а период полураспада изотопа равен 1 млн лет, и если мы имеем основания полагать, что изначально продуктов распада в породе не было, значит, эта порода образовалась 1 млн лет назад.

Чем больше период полураспада, тем более давние геологические события датируются при помощи соответствующего радиометрического метода. Если изотоп распадается быстро (как 14C), с течением времени в образце остается слишком мало исходного изотопа для точного анализа. Наоборот, если изотоп распадается очень медленно, его нельзя использовать для датировки молодых отложений, поскольку в них накопилось еще слишком мало продуктов распада (из: Н. В. Короновский, А. Ф. Якушова. Абсолютная геохронология)

В реальности всё гораздо сложнее. Обычно бывает очень трудно оценить изначальное содержание в породе продуктов распада данного изотопа. Например, калий-аргоновый метод (который, кстати, использовался для датировки большинства важнейших стратиграфических границ) основывается на том чрезвычайно удобном обстоятельстве, что из расплавленных пород аргон обычно улетучивается. Однако во время кристаллизации минерала может происходить захват аргона извне. Как отличить этот аргон от того, что образовался позднее в ходе распада изотопа ⁴⁰K? Можно исходить из предположения, что захваченный аргон имел такое же соотношение изотопов ⁴⁰Аr/³⁶Аr, как в современной атмосфере. Измерив количество ³⁶Аr, можно затем вычислить количество «чистого» радиогенного аргона ⁴⁰Аr. Однако вышеупомянутое допущение далеко не всегда оправдано...

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 из уже затвердевшего минерала.

В итоге каждый отдельно взятый радиометрический метод часто дает ошибочные датировки. Поэтому ученые стараются проводить датирование одного и того же слоя при помощи нескольких независимых методов. Если результаты более или менее совпадают, все вздыхают с облегчением. Если нет, приступают к скрупулезному поиску возможных источников ошибок и разработке разнообразных замысловатых поправок. К сожалению, встречается и иная тактика: из нескольких полученных дат выбирается та, которая лучше всего соответствует взглядам исследователей, а для остальных датировок начинают целенаправленно искать «компромат».

Для определения абсолютного возраста самых молодых отложений (не старше 100 тысяч лет), особенно для сохранившихся в них органических материалов, широко используется радиоуглеродный метод. Радиоактивный изотоп углерода ¹⁴C образуется в верхних слоях атмосферы в результате бомбардировки ядер азота нейтронами космических лучей: ¹⁴N + n —> ¹⁴С + p. 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.

Применение радиоуглеродного метода, однако, 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.

Люминесцентные методы абсолютной датировки основаны на способности некоторых широко распространенных минералов (например, кварца и полевого шпата) накапливать в себе энергию ионизирующего излучения, а затем, при определенных условиях, быстро отдавать ее в виде света. Ионизирующее излучение не только прилетает к нам из космоса, но и генерируется горными породами в ходе распада радиоактивных элементов. Под воздействием радиации некоторые электроны кристалла переходят в особое возбужденное состояние. Чем больше в кристалле трещин и других дефектов, тем большее число электронов способно к такой трансформации. Пока кристалл (например, песчинка) спокойно лежит в темном, прохладном месте (например, под слоем других песчинок), число «перевозбужденных» электронов в нем постепенно растет, энергия копится.

Если такой кристалл подвергнуть определенной стимуляции (нагреть до 500 градусов или даже просто осветить), он стремительно отдает накопленную энергию в виде света. Возбужденные электроны при этом успокаиваются и возвращаются на положенные орбиты, и «люминесцентный хронометр» обнуляется. Измерив количество излученного света, можно определить, как долго кристаллу дали спокойно пролежать в вышеупомянутом темном, прохладном месте после того, как он в последний раз подвергался аналогичной стимуляции (попадал на свет или нагревался). На этом и основаны методы люминесцентной датировки: соответственно, термолюминесцентный и оптико-люминесцентный (метод оптически стимулированной люминесценции). Впервые термолюминесцентный метод начали применять в середине XX века археологи для определения возраста обожженной керамики (это очень удобно, поскольку во время обжига люминесцентный хронометр гарантированно обнуляется).

По сути дела, кристалл работает не как хронометр, а как дозиметр. Количество «накопленного» кристаллом света показывает не время как таковое, а суммарную дозу полученного кристаллом облучения. Кстати, существуют и широко используются термолюминесцентные дозиметры. Использование данного свойства кристаллов для получения абсолютных датировок базируется на предположении о постоянстве радиационного фона в том месте, где находился кристалл. Например, в окрестностях Чернобыля проводить люминесцентное датирование археологических находок — занятие довольно бессмысленное.

Люминесцентные методы позволяют датировать образцы возрастом примерно от 100 до 200 000 лет и в идеале дают ошибку не более 10%. Но это, как всегда, лишь «в идеале». На количество накопленного кристаллом света влияет множество факторов, в первую очередь — структура кристалла, количество дефектов кристаллической решетки и, конечно, уровень радиации в том месте (или местах), где кристалл находился. Этот уровень мог меняться не только из-за деятельности человека, но и по другим причинам — например, из-за периодических контактов кристалла с грунтовыми водами. Трудности при определении возраста пещерных отложений могут быть связаны еще и с тем, что не всегда можно точно установить, какие песчинки в этих отложениях принесены «с улицы» первобытными обитателями пещеры, а какие насыпались с потолка.

Метод электронно-парамагнитного или электронно-спинового резонанса тоже основан на изменениях, постепенно накапливающихся в кристалле под воздействием радиации. Только в данном случае речь идет не о количестве «возбужденных» электронов, способных «успокаиваться» с излучением света, а о количестве электронов с изменившимся спином. Чтобы определить число таких электронов, физики используют резонансные методы, то есть подвергают колебательную систему (в данном случае кристалл) периодическому внешнему воздействию (например, помещают в переменное магнитное поле) и наблюдают отклик, который дает система при сближении частоты внешнего воздействия с одной из частот собственных колебаний системы. Для простого палеонтолога или археолога такие премудрости абсолютно непостижимы. Все вопросы — к физикам, пожалуйста. Они, кстати, утверждают, что метод позволяет датировать образцы возрастом до двух млн лет, лучше всего работает на карбонатных породах, и очень хорош для определения возраста зубной эмали.

Существует еще целый ряд физико-химических методов абсолютной датировки, имеющих ограниченную область применения. В качестве примера можно привести аминокислотный метод, основанный на том, что «левые» аминокислоты, из которых построены белки всех живых организмов, после смерти постепенно рацемизируются, то есть превращаются в смесь «правых» и «левых» форм. Метод применим только к образцам очень хорошей сохранности, в которых сохранилось достаточное количество первичного органического вещества. Другая сложность заключается в том, что скорость рацемизации напрямую зависит от температуры. Поэтому, например, для образцов из умеренных широт метод имеет разрешающую способность порядка 20-30 тыс. лет, но применим лишь для молодых отложений (не старше 2 млн лет); в полярных районах метод позволяет датировать более старые образцы (до 5-6 млн лет), но с меньшей точностью (ошибка порядка 100 тыс. лет).

Одно из самых старых деревьев на земле – сосна, растущая в Калифорнии (США). Ей более 4000 лет (фото с сайта home.austarnet.com.au)

Дендрохронологический метод, или датирование по древесным кольцам, в большой чести у археологов. Этот метод позволяет датировать только самые молодые отложения (возрастом до 5-8 тысяч лет), зато с очень высокой точностью, вплоть до одного года! Нужно лишь, чтобы в раскопе обнаружилось достаточное количество древесины. В стволах большинства деревьев образуются годовые кольца, ширина которых колеблется в зависимости от погодных условий соответствующего года. Характерные «спектры» широких и узких колец примерно одинаковы у всех деревьев данной местности, растущих одновременно. Специалисты по дендрохронологии составляют сводные дендрохронологические шкалы, протягивающиеся от сегодняшнего дня в прошлое. Очень помогают в этом деревья-долгожители. Самому старому из доживших до наших дней деревьев было 4844 года, когда его срубили в 1965 году (это считается одним из самых печальных событий в истории дендрохронологии). Старейшему из живых деревьев на планете 4789 лет. Это сосна (Pinus longaeva), растущая в Калифорнии.

К сожалению, погода в разных районах Земли сильно различается, и если в Канаде выдалось теплое лето (и деревья образовали толстые годовые кольца), то в Сибири то же самое лето вполне может оказаться холодным, и годовые кольца будут тонкими. Поэтому для каждого региона приходится составлять отдельные дендрохронологические шкалы.

Дендрохронологический метод применим только для районов с сильными сезонными колебаниями климата (температуры или количества осадков) — в противном случае четких годовых колец не образуется. Кроме того, состав почвы должен способствовать хорошей сохранности древесины, а изучаемые археологические культуры — широко использовать дерево в хозяйстве.

Возраст живого дерева можно определить, не спиливая его, путем высверливания тонких столбиков древесины (фото с сайтов www.geo.arizona.edu и medias.obs-mip.fr)

Хорошие результаты может давать совместное использование дендрохронологического и радиоуглеродного методов. Годовые кольца не только сохраняют память о погодных условиях конкретного года — по небольшим изменениям уровня ¹⁴С от кольца к кольцу можно судить о флуктуациях содержания этого изотопа в атмосфере. Это позволяет существенно повысить точность радиоуглеродного датирования, а также дает дополнительный источник данных для дендрохронологической корреляции (позволяет коррелировать годовые кольца не только по их ширине, но и по содержанию ¹⁴С). В ряде регионов надежные дендрохронологические шкалы удалось протянуть на 8-9 тыс. лет в прошлое, а при помощи радиоуглеродной калибровки — до 13 тыс. лет и более.

На этом рисунке показано, как осуществляется дендрохронологическая корреляция (изображение с сайта uts.cc.utexas.edu)

Метод молекулярных часов. Для палеонтологии, как мы говорили, характерно преобладание относительных датировок в научных статьях, тогда как абсолютные датировки встречаются в основном в популярных пересказах, в которых журналисты в угоду читателям переводят эпохи, ярусы и подъярусы в миллионы лет, сверяясь с геохронологической шкалой. Иное дело — научные статьи по генетике и молекулярной биологии. Там сплошь и рядом встречаются абсолютные даты: «человек и шимпанзе разошлись 5-8 миллионов лет назад», «рис и просо происходят от общего предка, жившего 30-60 млн лет назад».

Большинство абсолютных датировок, встречающихся в современных статьях по генетике, молекулярной биологии и другим «непалеонтологическим» отраслям биологии, частично или полностью основываются на принципе «молекулярных часов».

Современная биология опирается на эволюционные представления, которые в самом общем виде отображаются дарвиновской схемой дивергенции (см. рисунок).

Классическая схема дивергенции по Дарвину имеет вид древа, ветви которого, раз разделившись, уже никогда более не сольются (рис. с сайта macroevolution.narod.ru)

Жизнь на Земле имеет единое происхождение, о чем свидетельствует единство генетического кода и других базовых систем живой клетки. Считается, что живая клетка возникла единожды, и от этой первоклетки произошло всё живое. Историю развития жизни можно представить в виде древа с расходящимися ветвями. Из этого следует, что, какие бы два вида живых организмов мы ни взяли, у них когда-то в прошлом непременно существовал общий предок (предковый вид), от которого они в свое время «разошлись». В подавляющем большинстве случаев рассчитывать на обнаружение в палеонтологической летописи ископаемых остатков этого предка не приходится (а если его и найдут, надо еще доказать, что он именно предок, а не братишка троюродный).

Как же тогда определить время жизни общего предка и (что примерно то же самое) время появления происходящих от него групп организмов-потомков?

Согласно «правилу молекулярных часов», нейтральные (не полезные и не вредные) мутации накапливаются в геноме с примерно постоянной скоростью, если нет каких-то особых причин, заставляющих этот процесс ускоряться или замедляться. Скорость накопления мутаций, конечно, варьирует у разных групп организмов (например, бактерии мутируют гораздо быстрее, чем многоклеточные), но все эти различия в принципе можно учесть. На нескольких конкретных примерах, когда это было возможно, «молекулярные часы» были откалиброваны. Например, сравнивались молекулы ДНК исландцев — народа, где каждый человек знает свою родословную на 1000 лет назад, начиная от первых колонистов. Таким образом удалось установить, сколько мутаций в среднем фиксируется в ДНК в единицу времени (или за определенное число поколений) у человека. Во многих случаях «молекулярные часы» корректируются и по данным палеонтологической летописи

Метод молекулярных часов крайне неточен, потому что скорость накопления мутаций может варьировать не только в зависимости от группы организмов, но и от многих других факторов (например, от активности транспозонов и вирусов, от их обилия в геноме). Поэтому на основе данного метода можно давать лишь весьма приблизительные оценки времени расхождения эволюционных линий. Верхняя и нижняя граница доверительного интервала могут различаться вдвое и даже больше. Генетики активно работают над усовершенствованием метода.

Неточность большинства методов абсолютной геохронологии вовсе не дает оснований напрочь отрицать достоверность абсолютных датировок в палеонтологии, эволюционной биологии и археологии (как делают, например, креационисты и последователи Фоменко). Главная сила этих методов в том, что их много. И в подавляющем большинстве случаев они все-таки дают сходные результаты, которые к тому же хорошо согласуются с данными относительной геохронологии (нижние слои оказываются древнее верхних и т. д.). Если бы это было не так, так и говорить было бы не о чем! Это как с корабельными хронометрами: если он один, никак нельзя определить, когда он врет; если два — уже можно понять, что один из них врет, неясно лишь, какой из двух; ну а если их три или больше — точное время можно узнать практически всегда.

Именно поэтому в хороших научных исследованиях возраст объектов сейчас стараются определять при помощи нескольких независимых методов. Если это правило нарушено, результат выглядит спорным в глазах большинства специалистов.

См. также:
1) Н. В. Короновский, А. Ф. Якушова. Относительная геохронология.
2) Е. Н. Черных. Биокосмические «часы» археологии.
3) В. А. Дергачев. Радиоуглеродный хронометр.
4) С. С. Лазарев. Понятие «время» и геологическая летопись земной коры.
5) Dating Methods in Science.

^* Автор данной статьи не является специалистом по методам абсолютной геохронологии. Совсем даже наоборот — он палеонтолог. Нижеследующий текст поэтому следует рассматривать не как авторитетный справочник по радиометрическим, люминесцентным и др. методам, а скорее как отчаянную попытку простого палеонтолога разобраться во всей той физико-химической зауми, при помощи которой к нашим любимым кембриям и ордовикам «привешивают» абсолютные датировки в миллионах лет. Автор будет весьма признателен специалистам за поправки и замечания.