Методы наук о Земле

Эволюция Земли

Лекция 13

В науках о Земле применяют различные физические, химические методы исследования, некоторые из них яв­ляются весьма специфическими и практически не встре­чаются в других областях естествознания. Один из них — сейсмическое зондированиеземных недр— представляет собой мощный метод изучения глубоких областей земно­го шара, куда непосредственно человек вряд ли сможет когда-нибудь заглянуть. Ведь самые глубокие скважины, которые удалось пробурить в земной толще, не превыша­ют 10-12 км, а это составляет около одной трети средней толщины земной коры (около 30 км) и всего лишь 0,17% ра­диуса Земли (6300 км). В основе метода сейсмического зон­дирования лежит регистрация сейсмических (упругих) волн, возникающих в Земле при землетрясениях (в том числе вызванных ядерными взрывами, падением крупных метеоритов и т. п.). Простейший сейсмограф представля­ет собой обычный маятник с массивным грузом на конце.

Если сейсмические колебания достаточно быстрые (вы­сокочастотные), то груз не успевает раскачаться и остает­ся практически неподвижным. А вот точка подвеса маят­ника, жестко связанная с земной поверхностью, колеблет­ся, и эти колебания относительно груза записываются на ленту самописца. Если имеется достаточно много сейсмо­графов, расположенных в разных точках земной поверх­ности, то, собирая и обрабатывая информацию, получен­ную с их помощью, можно достаточно точно определить направление сейсмической волны, ее скорость, амплиту­ду и другие параметры. А они, в свою очередь, тесно свя­заны с тем, через какие породы проходила волна, как она преломлялась, отражалась, поглощалась. Именно таким образом была, например, обнаружена граница между зем­ной корой и верхней литосферой (граница Мохоровичича), доказано, что внешнее ядро является жидким, а так­же получено огромное количество достоверных данных о внутренней структуре Земли.

Второй специфический метод исследования, на кото­ром мы здесь остановимся, связан с определением возрас­та различных геологических образований, а следователь­но, и с реконструкцией событий геологической эволюции. Геологическое времясейчас определяют преимуществен­но по содержанию радиоактивных изотопов и продуктов их распада в минералах земной коры. Известны несколь­ко типов ядерных превращений, которые используются в качестве геологических часов. Примерами таких превра­щений могут служить следующие ядерные реакции:

²³⁸U -> ²⁰⁶Рb + 8 ⁴Не;

²³⁵U -> ²⁰⁷Рb + 7 ⁴Не;

²³²Th -> ²⁰⁸Pb + 6 ⁴Не;

Точность этих методов связана с тем, что скорость ра­диоактивного распада практически не зависит от внеш­них условий и определяется только типом реакции. Если когда-то в прошлом концентрация радиоактивного изо­топа в минерале была n₀то, спустя время t, концентра­ция, экспоненциально уменьшаясь, составит

n(t) = n₀ e^-αt,(1.1)

где α — постоянная радиоактивного распада (эксперимен­тально определяемая величина). Концентрацию n(t)в ми­нерале можно измерить, однако найти время t,а следова­тельно, возраст минерала, из уравнения (1.1) нельзя, так как неизвестна начальная концентрация n_0.Эту трудность легко обойти, предположив, что в каждый момент време­ни сумма концентраций распадающегося изотопа n(t)(на­пример, ²³⁸U в первой реакции (1.1)) и радиогенного про­дукта распада r(t)(в той же реакции это ²⁰⁶РЬ) остается постоянной величиной, равной начальной концентрации n₀ : n(t) + r(t)= n₀.

Тогда, очевидно, e^-αt= n(t)/ (n(t) + r(t)). Потенцируя, получаем

t = ln(1 + r(t)/n(t))/ α, (1.2)

Таким образом, зная концентрации n(t) и r(t)(они оп­ределяются с помощью масс-спектрометров), по известно­му значению α легко определяется возраст исследуемого материала. Именно с помощью радиоактивных часовус­тановлен возраст Земли и проведена детальная геохроно­логическая периодизация.