В 1903 г. Резерфорд доказал, что процесс радиоактивного распада следует экспоненциальному закону, и это сразу натолкнуло его на мысль, что данный процесс можно использовать как естественные часы для определения возраста урансодержащих пород. В 1908 г. (всего через год после смерти лорда Кельвина) одаренный 18-летний студент-физик лондонского Имперского колледжа Артур Холмс заинтересовался этой идеей и решил предпринять амбициозный проект по определению абсолютных геологических дат[11]. Холмс начал собирать образцы горных пород, содержащих определенные минералы, особенно циркон, которые, как было известно, при своей кристаллизации могли включать в кристаллическую решетку только атомы урана (U), но не свинца (Pb). Затем он измерял относительные концентрации урана и свинца в таком минерале и, используя закон радиоактивного распада Резерфорда, который количественно описывал зависимость радиоактивности от времени, рассчитывал время, прошедшее с момента кристаллизации минерала[12].
С математической точки зрения эти расчеты на удивление просты и требуют знания всего двух чисел: (1) соотношения дочернего и материнского элементов (Pb: U), которое растет вместе с увеличением возраста породы и не зависит от первоначального (неизвестного) количества исходного материала (табл. 2. 1) и (2) постоянной распада материнского элемента, которая, по существу, является вероятностью распада каждого отдельного атома за определенное время, что можно сравнить с шансами человека выиграть в лотерею в отдельно взятом году. Таким образом, постоянная распада измеряется в единицах времени t-1 (или 1/t). Резерфорд вычислил постоянную распада урана на основе измерения количества радиоактивного излучения, испускаемого определенной массой урана за данный интервал времени. Постоянная распада также обратно пропорциональна более знакомой величине — периоду полураспада, т. е. времени, за которое половина материнского вещества распадается, превращаясь в дочернее вещество. Другими словами, низкое значение постоянной распада (низкая вероятность выигрыша в лотерее) означает длительный период полураспада (очень нескорый выигрыш), и, наоборот, высокое значение этой константы означает короткий полураспад (быстрое обогащение).
К 1911 г., несмотря на все еще недостаточное понимание явления радиоактивности и примитивное лабораторное оборудование, Артур Холмс определил абсолютный возраст полудюжины магматических пород, чьи взаимоотношения с осадочными слоями позволяли определить диапазоны их относительного возраста на геохронологической шкале, основанной на ископаемых остатках. Три образца пород относились к хорошо охарактеризованному окаменелостями палеозою и еще три — к хронологически темному, недифференцированному докембрию. Хотя на тот момент не было известно, что свинец образуется в результате распада не только урана, но и еще одного радиоактивного элемента — тория, вычисленные Холмсом даты были на удивление близки к современным оценкам (в пределах десятков миллионов лет).
Самой первой породой, исследованной Холмсом, был гранит из Норвегии, который (как предполагалось на основе его секущих взаимоотношений с толщей осадочных слоев, богатых ископаемыми остатками) образовался в девонском периоде. Радиоактивный анализ показал, что возраст этого гранита составляет приблизительно 370 млн лет — в 18 раз больше, чем возраст Земли, согласно оценке лорда Кельвина. А возраст докембрийского метаморфического гнейса с Цейлона (ныне остров Шри-Ланка) оказался равным 1,64 млрд лет, т. е. на целых два порядке больше, чем упомянутая оценка. Интуитивная догадка Дарвина была полностью реабилитирована. Долго господствовавшие кельвиновские декларации мгновенно потеряли свое значение, поскольку радиоактивность не только дала возможность непосредственно измерить абсолютный возраст пород, но и оказалась важным источником внутреннего тепла, не учтенного Кельвином в его расчетах скорости охлаждения планеты. (Годы спустя Холмс оспорит еще одно фундаментальное предположение Кельвина, утверждая, что Земля остывает в результате действия не столько кондуктивного, сколько конвективного механизма теплообмена.) Со временем Холмс был признан одним из наиболее выдающихся геологов XX в. Самым важным было то, что созданная им абсолютная геохронологическая шкала, пусть и не совсем точная, теперь могла быть откалибрована. Даже самые отдаленные глубины геологического времени оказались доступны для измерения. С этого момента докембрий перестает быть белым пятном, недоступным для человеческого познания.
Обычные осадки
На самом деле становление новой науки геохронологии (буквально «учения о геологическом времени») заняло еще не один десяток лет. Использование радиоактивных изотопов как высокоточных геологических часов стало возможным лишь благодаря прогрессу в ядерной физике, космохимии (которая в том числе изучает звездное происхождение земных химических элементов), петрологии (изучающей магматические и метаморфические породы), минералогии, а также благодаря разработке новых аналитических приборов, в частности масс-спектрометров, способных различать разные изотопы одного элемента и измерять их концентрацию. Одна из нетривиальных проблем заключалась в том, что геохронологическая шкала, столь кропотливо составленная геологами Викторианской эпохи с использованием ископаемых органических остатков, была полностью основана на осадочных породах. Любые получаемые изотопные датировки отражали не возраст самих осадочных отложений, а время кристаллизации предшествовавших магматических или метаморфических пород, ставших впоследствии источником обломочного материала изучаемых осадков. Таким образом, установление абсолютных датировок для основанной на палеонтологических данных стратиграфической шкалы потребовало поиска «удачных» обнажений (выходов на поверхность коренных горных пород), в разрезах которых осадочные породы с четко определенным биостратиграфическим возрастом переслаивались бы с магматическими породами или прорывались последними, что позволило бы непосредственно связать изотопный возраст этих магматических пород со временем, отвечающим образованию ископаемых остатков (рис. 4). Для этой цели идеально подходят слои вулканического пепла, поскольку они сложены неизмененными кристаллами магматического происхождения, осаждение которых из атмосферы происходило в геологическом отношении практически мгновенно, и перемежаются с палеонтологически охарактеризованными осадочными породами.
Слои пепла в толще осадочных пород дают нам общее представление о том, как формировалась каменная летопись прошлого Земли. Глядя на слоистые породы, например на невероятные по красоте стены Большого каньона, можно подумать, что каждый слой образуется наподобие снежного покрова, который покрывает всю данную область за один четко определенный отрезок времени. Но так происходит далеко не всегда. Возьмем, например, красивый, белый, почти чисто кварцевый песчаник Сент-Питер ордовикского возраста, выходящий на поверхность вдоль речных долин в Миннесоте, Айове, Висконсине и на севере Иллинойса, а также образующий живописную чашу водопада Миннехаха близ Миннеаполиса. На протяжении десятилетий эти песчаники служили источником кремнезема для производства оконного стекла на заводе «Форд» в городе Сент-Пол. Во времена сухого закона естественные полости в песчаниках этой формации вдоль реки Миссисипи были превращены в систему пещер под агломерацией городов-близнецов (Миннеаполиса и Сент-Пола), где размещались тайные склады алкоголя и подпольные бары.
Песчаник Сент-Питер представляет собой хрупкую, мало похожую на «камень» породу, и, когда она распадается в ваших руках на однородные округлые зерна, легко увидеть, что это древний пляжный песок. Однако песчаники Сент-Питер выходят на поверхность на территории четырех штатов и, как показывают результаты бурения, продолжаются на глубине под Мичиганом, Индианой и Огайо. Ни один пляж не мог бы покрывать такую огромную территорию