Войти
Синий мрамор, Земля as замечено в 1972 году с Аполлона 17 . Возраст Земли оценивается в 4,54 ± 0,05 миллиарда лет (4,54 × 10 лет ± 1%). Этот возраст может представлять возраст аккреции Земли или образования ядра, или материала, из которого сформировалась Земля. Это датирование основано на данных радиометрического датирования материала метеорита и согласуется с радиометрическим возрастом самых старых из известных земных и лунных образцы.
Вслед за развитием метода радиометрического определения возраста в начале 20 века, измерения свинца в богатых ураном минералах показали, что возраст некоторых из них превышает миллиард лет. Возраст самых древних из таких минералов, проанализированных на сегодняшний день, - небольших кристаллов циркона из Джек-Хиллз в Западной Австралии - не менее 4,404 миллиарда лет. Кальций - включения с высоким содержанием алюминия - самые старые из известных твердых компонентов в метеоритах, которые образовались в пределах Солнечной системы - имеют возраст 4,567 миллиарда лет, что дает нижний предел возраста Солнечной системы.
Предполагается, что аккреция Земли началась вскоре после образования включений, богатых кальцием и алюминием, и метеоритов. Поскольку время, которое длился этот процесс аккреции, еще не известно, а прогнозы различных моделей аккреции варьируются от нескольких миллионов до примерно 100 миллионов лет, разницу между возрастом Земли и самых старых горных пород определить сложно. Также трудно определить точный возраст самых старых горных пород на Земле, обнаженных на поверхности, поскольку они являются агрегатами минералов, возможно, разного возраста.
Исследования слоев - наслоения скал и земли - дали натуралистам представление о том, что Земля могла быть через множество изменений за время своего существования. Эти слои часто содержали окаменелые останки неизвестных существ, что заставляло некоторых интерпретировать эволюцию организмов от слоя к слою.
Николас Стено в 17 веке был одним из первых натуралистов, оценившим связь между ископаемыми останками и пластами. Его наблюдения привели его к формулировке важных стратиграфических концепций (т.е. «закон суперпозиции » и «принцип исходной горизонтальности »). В 1790-х годах Уильям Смит выдвинул гипотезу о том, что если два слоя породы в совершенно разных местах содержат похожие окаменелости, то очень вероятно, что эти слои были одного возраста. Племянник и ученик Смита, Джон Филлипс, позже подсчитал таким образом, что Земле было около 96 миллионов лет.
В середине 18 века натуралист Михаил Ломоносов предположил, что Земля была создана отдельно от остальной Вселенной за несколько сотен тысяч лет до этого. Идеи Ломоносова были в основном умозрительными. В 1779 году граф дю Бюффон попытался получить значение возраста Земли с помощью эксперимента: он создал небольшой шар, который по составу напоминал Землю, а затем измерил скорость его охлаждения. Это привело его к оценке, что Земле около 75000 лет.
Другие естествоиспытатели использовали эти гипотезы для построения истории Земли, хотя их временные рамки были неточными, так как они не знали, сколько времени потребовалось для создания стратиграфических слоев. В 1830 году геолог Чарльз Лайелл, развивая идеи, содержащиеся в работах Джеймса Хаттона, популяризировал идею о том, что особенности Земли постоянно меняются, постоянно разрушаются и реформируются, а скорость это изменение было примерно постоянным. Это был вызов традиционной точке зрения, согласно которой в истории Земли преобладали периодические катастрофы. Многие натуралисты под влиянием Лайеля стали «униформистами », которые считали, что изменения постоянны и единообразны.
В 1862 году физик Уильям Томсон 1-й барон Кельвин опубликовал расчеты, согласно которым возраст Земли составляет от 20 до 400 миллионов лет. Он предположил, что Земля сформировалась как полностью расплавленный объект, и определил количество времени, которое потребуется для того, чтобы приповерхностный градиент температуры уменьшился до своего текущего значения. В его расчетах не учитывались тепло, выделяемое в результате радиоактивного распада (тогда еще неизвестный процесс) или, что более важно, конвекция внутри Земли, что позволяет верхняя мантия должна оставаться на высоте намного дольше, сохраняя высокий температурный градиент в коре намного дольше. Еще более ограничивающими были оценки Кельвина возраста Солнца, которые были основаны на оценках его теплового излучения и теории о том, что Солнце получает свою энергию от гравитационного коллапса; Кельвин подсчитал, что Солнцу около 20 миллионов лет.
Уильям Томсон (лорд Кельвин) Такие геологи, как Чарльз Лайель, не могли принять такой короткий возраст Земли. Для биологов даже 100 миллионов лет казались слишком короткими, чтобы быть правдоподобными. В теории эволюции Чарльза Дарвина, процесс случайной наследственной изменчивости с кумулятивным отбором требует больших продолжительности времени, и сам Дарвин заявил, что оценки лорда Кельвина похоже, не дает достаточно. Согласно современной биологии, полная эволюционная история от начала жизни до сегодняшнего дня имела место с 3,5 до 3,8 миллиарда лет назад, количество времени, прошедшее с последнего универсального предка всех живых организмов, как показывает геологическое датирование.
В лекции 1869 года великий защитник Дарвина Томас Х. Хаксли выступил с критикой расчетов Томсона, предположив, что они кажутся точными сами по себе, но основаны на на ошибочных предположениях. Физик Герман фон Гельмгольц (в 1856 г.) и астроном Саймон Ньюком (в 1892 г.) внесли свои собственные вычисления 22 и 18 миллионов лет соответственно в дискуссию: они независимо вычислили количество времени, которое потребуется Солнцу, чтобы конденсироваться до текущего диаметра и яркости из газовой и пылевой туманности, из которой оно родилось. Их значения соответствовали расчетам Томсона. Однако они предположили, что Солнце светится только от тепла своего гравитационного сжатия. Процесс солнечного ядерного синтеза еще не был известен науке.
В 1895 году Джон Перри оспорил фигуру Кельвина на основании своих предположений о проводимости, и Оливер Хевисайд вступил в диалог, считая его «средством демонстрации способности его операторного метода для решения задач удивительной сложности ».
Другие ученые подтвердили данные Томсона. Сын Чарльза Дарвина, астроном Джордж Х. Дарвин, предположил, что Земля и Луна распались в первые дни, когда они оба были расплавленными. Он подсчитал, сколько времени потребовалось бы приливному трению, чтобы дать Земле ее текущие 24-часовые сутки. Его значение в 56 миллионов лет добавило дополнительных доказательств того, что Томсон был на правильном пути.
Последняя оценка, которую Томсон дал в 1897 году, заключалась в следующем: «ему было больше 20, но меньше 40 миллионов лет, и вероятно, гораздо ближе 20, чем 40 ". В 1899 и 1900 годах Джон Джоли рассчитал скорость, с которой океаны должны были накапливать соль в результате процессов эрозии, и определил, что океаны были примерно от 80 до 100. миллионов лет.
По своей химической природе горные породы минералы содержат определенные элементы, а не другие; но в породах, содержащих радиоактивные изотопы, в процессе радиоактивного распада со временем образуются экзотические элементы. Путем измерения концентрации стабильного конечного продукта распада в сочетании с информацией о периоде полураспада и начальной концентрации разлагающегося элемента можно рассчитать возраст породы. Типичными конечными радиоактивными продуктами являются аргон от распада калия -40 и свинец от распада урана и тория <2.>. Если порода расплавляется, как это происходит в мантии Земли, такие нерадиоактивные конечные продукты обычно ускользают или перераспределяются. Таким образом, возраст самой старой земной породы дает минимум возраста Земли, если предположить, что никакая порода не была неповрежденной дольше, чем сама Земля.
В 1892 году Томсон стал лордом Кельвином в знак признательности за его многочисленные научные достижения. Кельвин рассчитал возраст Земли, используя температурные градиенты, и он пришел к оценке примерно в 100 миллионов лет. Он не осознавал, что мантия Земли конвекционная, и это опровергало его оценку. В 1895 году Джон Перри произвел оценку возраста Земли от 2 до 3 миллиардов лет, используя модель конвективной мантии и тонкой коры, однако его работа в значительной степени игнорировалась. Кельвин придерживался своей оценки 100 миллионов лет, а позже сократил ее до примерно 20 миллионов лет.
Обнаружение радиоактивности внесло еще один фактор в расчет. После первого открытия Анри Беккереля в 1896 году Мари и Пьер Кюри открыли радиоактивные элементы полоний и радий <2.>в 1898 г.; а в 1903 году Пьер Кюри объявил, что радий производит достаточно тепла, чтобы растопить лед своим собственным весом менее чем за час. Геологи быстро поняли, что это опровергает предположения, лежащие в основе большинства расчетов возраста Земли. Они предполагали, что исходное тепло Земли и Солнца постоянно рассеивалось в космос, но радиоактивный распад означал, что это тепло постоянно пополнялось. Джордж Дарвин и Джон Джоли были первыми, кто указал на это в 1903 году.
Радиоактивность, опровергнувшая старые расчеты, дала бонус, предоставив основу для новых расчеты в форме радиометрического датирования.
Эрнеста Резерфорда в 1908 году Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди совместно продолжили свою работу с радиоактивными материалами и пришли к выводу, что радиоактивность произошло из-за спонтанной трансмутации атомных элементов. При радиоактивном распаде элемент распадается на другой, более легкий элемент, выделяя при этом альфа, бета или гамма излучение. Они также определили, что определенный изотоп радиоактивного элемента распадается на другой элемент с особой скоростью. Эта скорость дается в терминах «периода полураспада » или количества времени, которое требуется половине массы этого радиоактивного материала, чтобы разложиться до «продукта распада».
Некоторые радиоактивные материалы имеют короткий период полураспада; некоторые имеют длительный период полураспада. Уран и торий имеют длительный период полураспада и поэтому сохраняются в земной коре, но радиоактивные элементы с коротким периодом полураспада, как правило, исчезли. Это наводило на мысль, что можно было бы измерить возраст Земли, определив относительные пропорции радиоактивных материалов в геологических образцах. На самом деле, радиоактивные элементы не всегда распадаются на нерадиоактивные («стабильные») элементы напрямую, вместо этого, распадаясь на другие радиоактивные элементы, которые имеют свой период полураспада и так далее, пока они не достигнут стабильного элемента. Эти «цепочки распада », такие как уран-радиевый и ториевый ряды, были известны в течение нескольких лет после открытия радиоактивности и послужили основой для построения методов радиометрического датирования.
Пионерами радиоактивности были химик Бертрам Б. Болтвуд и энергичный Резерфорд. Болтвуд проводил исследования радиоактивных материалов в качестве консультанта, и когда Резерфорд читал лекцию в Йельском университете в 1904 году, Болтвуд был вдохновлен описанием взаимосвязей между элементами в различных сериях распада. В конце 1904 года Резерфорд сделал первый шаг к радиометрическому датированию, предположив, что альфа-частицы, высвобождаемые в результате радиоактивного распада, могут быть захвачены в скалистом материале в виде атомов гелия. В то время Резерфорд только догадывался о связи между альфа-частицами и атомами гелия, но он доказал эту связь четыре года спустя.
Содди и сэр Уильям Рамзи только что определили скорость, с которой радий производит альфа-частицы, и Резерфорд предположил, что он может определить возраст образца породы, измерив его концентрацию гелия. С помощью этой техники он датировал камень, находящийся в его владении, возрастом 40 миллионов лет. Резерфорд писал:
Я вошел в комнату, которая была полутемной, и вскоре заметил лорда Кельвина в аудитории и понял, что у меня были проблемы в последней части моей речи, посвященной возрасту Земли, где мои взгляды противоречил его. К моему облегчению, Кельвин крепко заснул, но когда я подошел к важному пункту, я увидел, как старая птица села, открыла глаз и бросила на меня злобный взгляд! Затем внезапно пришло вдохновение, и я сказал: «Лорд Кельвин ограничил возраст Земли, при условии, что не будет обнаружен новый источник. Это пророческое высказывание относится к тому, что мы сейчас рассматриваем сегодня вечером, - радию!» Вот! старый мальчик сиял на меня.
Резерфорд предположил, что скорость распада радия, определенная Рамзи и Содди, была точной, и что гелий не ускользнул из образца с течением времени. Схема Резерфорда была неточной, но это был полезный первый шаг.
Болтвуд сосредоточился на конечных продуктах серии распада. В 1905 году он предположил, что свинец является последним стабильным продуктом распада радия. Уже было известно, что радий является промежуточным продуктом распада урана. Резерфорд присоединился к нему, описав процесс распада, в котором радий испустил пять альфа-частиц через различные промежуточные продукты, чтобы в конечном итоге получить свинец, и предположил, что цепочка распада радий-свинец может быть использована для датирования образцов горных пород. Болтвуд проделал большую работу и к концу 1905 года предоставил даты для 26 отдельных образцов горных пород в возрасте от 92 до 570 миллионов лет. Он не опубликовал эти результаты, что было удачно, потому что они были испорчены ошибками измерения и плохими оценками периода полураспада радия. Болтвуд усовершенствовал свою работу и, наконец, опубликовал результаты в 1907 году.
В статье Болтвуда указывалось, что образцы, взятые из сопоставимых слоев пластов, имели схожее соотношение свинца к урану, а образцы из более старых слоев имели более высокую долю свинца, за исключением случаев, когда имелось свидетельство выщелачивания свинца из пробы. Его исследования были несовершенны из-за того, что последовательность распада тория не была понятна, что привело к неверным результатам для образцов, содержащих как уран, так и торий. Однако его расчеты были намного точнее любых, которые производились к тому времени. Усовершенствованная техника позже дала возраст для 26 образцов Болтвуда от 410 миллионов до 2,2 миллиарда лет.
Хотя Болтвуд опубликовал свою статью в известном геологическом журнале, геологический журнал сообщество мало интересовалось радиоактивностью. Болтвуд оставил работу по радиометрическому датированию и продолжил исследование других серий распада. Резерфорд по-прежнему интересовался вопросом возраста Земли, но мало работал над этим.
Роберт Стратт возился с гелиевым методом Резерфорда до 1910 года, а затем прекратил. Однако ученик Стратта Артур Холмс заинтересовался радиометрическим датированием и продолжал работать над ним после того, как все остальные отказались. Холмс сосредоточился на свинцовом датировании, поскольку считал гелиевый метод бесперспективным. Он провел измерения на образцах горных пород и в 1911 году пришел к выводу, что самому старому (образец с Цейлона) было около 1,6 миллиарда лет. Эти расчеты не вызывали особого доверия. Например, он предположил, что образцы содержали только уран и не содержали свинца, когда были сформированы.
Более важное исследование было опубликовано в 1913 году. Оно показало, что элементы обычно существуют во множестве вариантов с разными массами, или «изотопами ». В 1930-х годах было показано, что изотопы имеют ядра с различным числом нейтральных частиц, известных как «нейтроны ». В том же году было опубликовано другое исследование, устанавливающее правила радиоактивного распада, позволяющее более точно идентифицировать ряды распада.
Многие геологи считали, что эти новые открытия сделали радиометрическое датирование настолько сложным, что оно бесполезно. Холмс чувствовал, что они дали ему инструменты для улучшения его техники, и он продвигался вперед в своих исследованиях, публиковавшихся до и после Первой мировой войны. Его работы обычно игнорировались до 1920-х годов, хотя в 1917 году Джозеф Баррелл, профессор геологии в Йельском университете, пересмотрел геологическую историю, как это понималось в то время, чтобы соответствовать открытиям Холмса в радиометрическом датировании. Исследования Баррелла определили, что не все слои пластов закладывались с одинаковой скоростью, и поэтому текущие темпы геологических изменений не могут быть использованы для определения точных временных рамок истории Земли.
Настойчивость Холмса, наконец, начал окупаться в 1921 году, когда докладчики на ежегодном собрании Британской ассоциации содействия развитию науки пришли к общему мнению, что Земле несколько миллиардов лет, и что радиометрическое датирование заслуживает доверия. Холмс опубликовал «Возраст Земли, введение в геологические идеи» в 1927 году, в котором он представил диапазон от 1,6 до 3,0 миллиардов лет. Нет большой толчок, чтобы охватить радиометрического датирования не последовало, однако, и твердолобые в геологическом сообществе упорно сопротивлялся. Их никогда не заботили попытки физиков вторгнуться в их сферу, и до сих пор они успешно игнорировали их. Растущее количество доказательств, наконец, склонило чашу весов в 1931 году, когда Национальный исследовательский совет США Национальная академия наук решил решить вопрос о возрасте Земли, назначив комитет исследовать. Холмс, будучи одним из немногих людей на Земле, обученных методам радиометрического датирования, был членом комитета и фактически написал большую часть окончательного отчета.
Таким образом, в отчете Артура Холмса делается вывод о том, что радиоактивное датирование было единственный надежный способ определения геологических масштабов времени. Вопросы предвзятости были отклонены большой и точной детализацией отчета. В нем описаны использованные методы, осторожность, с которой проводились измерения, а также их планки погрешностей и ограничения.
Радиометрическое датирование продолжает оставаться преобладающим способом датировки геологических временных шкал. Методы радиоактивного датирования постоянно проверяются и оттачиваются с 1960-х годов. На сегодняшний день было использовано около 40 различных техник датирования, работающих с самыми разными материалами. Даты для одного и того же образца с использованием этих различных методов очень хорошо согласуются с возрастом материала.
Возможные загрязнения проблемы действительно существуют, но они были изучены и решены путем тщательного исследования, что приводит к минимизации процедур подготовки проб, чтобы ограничить вероятность загрязнения.
Возраст 4,55 ± 0,07 миллиарда лет, что очень близко к принятому сегодня возрасту, был определен Клер Кэмерон Паттерсон с использованием изотопного датирования урана и свинца (в частности, датирования свинца ) на нескольких метеоритах, включая метеорит Canyon Diablo и опубликованный в 1956 году.
Изохронная диаграмма изотопа свинца, показывающая данные, использованные Паттерсоном для определения возраста Земли в 1956 году. Указанный возраст Земли частично взят из метеорита Каньон Диабло по нескольким важным причинам и основан на современном понимании космохимия была создана десятилетиями исследований.
Большинство геологических образцов с Земли не могут дать точную дату образования Земли из солнечной туманности, потому что Земля подверглась дифференциации на ядро, мантию и кору, и это затем претерпело долгую историю смешивание и расслоение этих образцов резервуаров в результате тектоники плит, выветривания и гидротермальной циркуляции.
Все эти процессы могут отрицательно повлиять на механизмы изотопного датирования, поскольку образец не всегда может быть принят остаться в виде замкнутой системы, что означает, что либо родительский, либо дочерний нуклид (разновидность атома, характеризующаяся количеством нейтронов и протонов, содержащихся в атоме) или промежуточный дочерний нуклид может иметь был частично удален из образца, что исказит итоговую изотопную дату. Чтобы смягчить этот эффект, обычно датируют несколько минералов в одном образце, чтобы получить изохрону . В качестве альтернативы для проверки даты в выборке можно использовать более одной системы датирования.
Некоторые метеориты также считаются примитивным материалом, из которого образовался аккрецирующий солнечный диск. Некоторые из них вели себя как закрытые системы (для некоторых изотопных систем) вскоре после образования солнечного диска и планет. На сегодняшний день эти предположения подтверждаются многочисленными научными наблюдениями и повторяющимися изотопными датами, и это, безусловно, более надежная гипотеза, чем та, которая предполагает, что земная порода сохранила свой первоначальный состав.
Тем не менее, древние архейские свинцовые руды галенита использовались для определения даты образования Земли, поскольку они представляют собой самые ранние образовавшиеся только свинцовые полезных ископаемых на планете и регистрируют самые ранние гомогенные системы изотопов свинца на планете. Они вернули возрастные даты в 4,54 миллиарда лет с точностью до 1%.
Статистика для нескольких метеоритов, прошедших изохронную датировку, следующая:
| 1. Санкт-Северин (обыкновенный хондрит) | |||
|---|---|---|---|
| 1. | Pb-Pb изохрон | 4,543 ± 0,019 миллиарда лет | |
| 2. | Sm-Nd изохрона | 4,55 ± 0,33 миллиарда лет | |
| 3. | Rb-Sr изохрон | 4,51 ± 0,15 миллиарда лет | |
| 4. | изохрона Re-Os | 4,68 ± 0,15 миллиарда лет | |
| 2. Ювинас (базальтовый ахондрит) | |||
| 1. | Pb-Pb изохрон | 4,556 ± 0,012 миллиарда лет | |
| 2. | Pb-Pb изохрон | 4,540 ± 0,001 миллиарда лет | |
| 3. | Sm-Nd изохрона | 4,56 ± 0,08 миллиарда лет | |
| 4. | изохрона Rb-Sr | 4,50 ± 0,07 миллиарда лет | |
| 3. Альенде (углистый хондрит) | |||
| 1. | Pb-Pb изохрон | 4,553 ± 0,004 миллиарда лет | |
| 2. | возрастной спектр Ar-Ar | 4,52 ± 0,02 миллиарда лет | |
| 3. | возрастной спектр Ar-Ar | 4,55 ± 0,03 миллиарда лет | |
| 4. | возрастной спектр Ar-Ar | 4,56 ± 0,05 миллиарда лет | |
Кратер Барринджер, Аризона, где находится Каньон Диабло был найден метеорит. Метеорит Canyon Diablo был использован, потому что он является большим и представителем особенно редкого типа метеорита, который содержит сульфидные минералы (особенно троилит, FeS), сплавы металлического никеля - железа, а также силикатные минералы. Это важно, потому что присутствие трех минеральных фаз позволяет исследовать изотопные даты с использованием образцов, которые обеспечивают большое разделение концентраций между родительскими и дочерними нуклидами. Особенно это касается урана и свинца. Свинец сильно халькофилен и содержится в сульфиде в гораздо большей концентрации, чем в силикате, по сравнению с ураном. Из-за этой сегрегации в родительских и дочерних нуклидах во время образования метеорита это позволило установить гораздо более точную дату образования солнечного диска и, следовательно, планет, чем когда-либо прежде.
Фрагмент железного метеорита Каньон Дьябло. Возраст, определенный по метеориту Каньон Дьябло, был подтвержден сотнями других определений возраста, как на земных образцах, так и на других метеоритах. Однако образцы метеоритов показывают разброс от 4,53 до 4,58 миллиарда лет назад. Это интерпретируется как продолжительность образования солнечной туманности и ее коллапса в солнечный диск с образованием Солнца и планет. Этот временной промежуток в 50 миллионов лет допускает аккрецию планет из исходной солнечной пыли и метеоритов.
Луна, как еще одно внеземное тело, не подвергшееся тектонике плит и не имеющее атмосферы, дает довольно точные даты возраста по образцам, полученным с миссий Аполлон. Возраст горных пород, возвращенных с Луны, составляет не более 4,51 миллиарда лет. Марсианские метеориты, которые упали на Землю, также были датированы свинцовым датированием возрастом примерно 4,5 миллиарда лет. Лунные образцы, поскольку они не были нарушены выветриванием, тектоникой плит или материалом, перемещаемым организмами, также могут обеспечить датировку с помощью прямого электронного микроскопа исследования треков космических лучей. Накопление дислокаций, вызванных ударами космических частиц высокой энергии, является еще одним подтверждением изотопных дат. Датирование с помощью космических лучей полезно только для материала, который не был расплавлен, поскольку плавление стирает кристаллическую структуру материала и стирает следы, оставленные частицами.
В целом совпадение дат возраста как самых ранних земных свинцовых резервуаров, так и всех других резервуаров в Солнечной системе, обнаруженных на сегодняшний день, используется для подтверждения того факта, что Земля и остальная часть Солнечной системы сформировались примерно в 4,53 года. до 4,58 миллиарда лет назад.
Астрономический портал 
Портал наук о Земле 