Это краткое описание дает пример того, как можно использовать радиоактивные изотопы для определения возраста объектов или событий. Тем не менее период полураспада углерода 14 столь мал, что этот изотоп можно использовать для установления хронологии лишь очень недавнего прошлого. Для остальной же части геологической шкалы времени применяются гораздо более долгоживущие изотопы; способы их использования тоже различаются.
В главе 2 мы упоминали об изотопах свинца и об их полезности для измерения возраста Земли и датирования зерен устойчивого к выветриванию минерала циркона. Мы узнали, что различные изотопы свинца являются устойчивыми конечными продуктами распада радиоактивных урана и тория. Ураново-свинцовый метод был по существу первым из всех применяющихся сейчас способов определения возраста пород с помощью радиоактивного распада; он все еще является одним из самых полезных в геологии. Другие общеупотребительные пары изотопов используют распад изотопа калия до изотопа газа аргона или распад рубидия 87 до стронция 87. Исходный изотоп в каждом случае является широко распространенным компонентом пород земной коры; период его полураспада достаточно длинный, чтобы метод можно было применить для всей истории Земли.
В принципе методы, использующие долгоживущие радиоактивные изотопы, подобны методу, использующему углерод 14, но есть некоторые важные отличия. Одно из них заключается в том, что исходные («родительские») изотопы не возникают на Земле непрерывно и постоянно; количество их постепенно уменьшается в результате радиоактивного распада. Поэтому сейчас на Земле имеется значительно меньше урана, чем в период формирования — большая часть его распалась, превратившись в свинец.
Для обычно используемых методик датирования процедура состоит в измерении количества «дочернего» изотопа, который образовался за время жизни образца, а не «родительского», оставшегося в образце, как при использовании углерода 14. Тем самым мы избегаем необходимости знать количество родительского изотопа, присутствовавшего в образце в момент, когда были запущены радиоактивные часы. Поскольку каждый «родительский» атом распадается, производя «дочерний», то количество последних всегда равно количеству распавшихся «родительских» атомов.
Хорошим примером того, как работает эта методика, является калий-аргоновый метод. Калий 40 — единственный радиоактивный из трех встречающихся в природе изотопов калия. Хотя калий 40 не так уж распространен и составляет всего около 0,01 процента от общего количества атомов калия, сам калий является обычным компонентом минералов земной коры, что делает его весьма полезным для датирования горных пород — как имеющих возраст Земли, так и молодых, около 100 000 лет или даже меньше. Дочерним изотопом для этой реакции распада является аргон 40 — газ; хотя аргон не столь уж редкий элемент — в атмосфере он содержится в количестве около одного процента, — большинство изверженных пород, особенно вулканические породы, прорвавшиеся на поверхность земли, при своем образовании вовсе не содержат аргон 40. Любой аргон, который был растворен в расплавленной лаве, просто уходит в атмосферу во время извержения вулкана. Поэтому все количество аргона 40, определенное в древней вулканической породе, должно было образоваться в результате радиоактивного распада калия 40 за время жизни образца. Поскольку период полураспада калия 40 хорошо известен, не так уж сложно вычислить время, необходимое для накопления этого количества аргона. Некоторые самые обычные минералы, как, например, полевой шпат или слюда, богаты калием и поэтому представляют собой особенно чувствительные хронометры…