Результаты, схожие с приводившимися данными по стронцию на рис. 8, получаются при изучении изотопных отношений других элементов, подверженных радиоактивному распаду. Одним из таких элементов является неодим, принадлежащий к группе редкоземельных элементов. Он имеет семь изотопов, один из которых, неодим-143, частично образуется при распаде самария-147, также принадлежащего к группе редкоземельных элементов. Самарий-147 имеет период полураспада в 100 миллиардов лет, то есть еще более длительный, чем у рубидия-87. Поэтому самарий может играть роль рубидия при изучении изотопного отношения неодима. Правда, следует отметить, что данные изучения изотопного отношения неодима довольно ограничены.
Если изобразить известные до сих пор результаты измерения состава неодима в вулканических породах, отложив по вертикальной оси, подобно тому как это было сделано, изотопное отношение для изотопов неодима-143 и неодима-144, то в отличие от случая стронция полученная кривая будет обращена выпуклостью вниз, как кривая С. Как мы-знаем, кривая С соответствует случаю, когда стронций перемещается из мантии в земную кору с более высокой скоростью, чем рубидий. Следовательно, данные по изотопному отношению неодима указывают, что в данном случае неодим должен мигрировать из мантии к коре с более высокой скоростью, чем самарий.
Этот вывод полностью согласуется с результатами, полученными из геохимии. Как установлено экспериментально, неодим легче поглощается магмой, чем самарий.
Подобные результаты (недобавляющие, однако, ничего нового по сравнению с уже изложенными) получены при изучении изотопного отношения свинца. Таким образом, изотопные составы стронция, неодима и свинца свидетельствуют в пользу того, что земная кора формировалась за счет вещества, поступающего из мантии, на протяжении почти всего времени существования Земли.
Транспортировку вещества из мантии к поверхности Земли можно сравнить с движением пассажирского экспресса, в качестве которого служит магма. Количество мантийного вещества, перешедшего в магму, определяется количеством мест в этом экспрессе. Входящие в мантийное вещество рубидий и стронций — это пассажиры, стремящиеся попасть на поезд. Однако вероятность того, что рубидий или стронций получит билет, зависит от распределения вероятностей (так называемой функции распределения) пребывания этого элемента-«пассажира» в твердой фазе (в мантии, то есть вне экспресса) и жидкой фазе (в магме, то есть в экспрессе). Эта функция распределения более благоприятна для рубидия, который имеет большую вероятность приобрести билет и, естественно, с большей скоростью перемещается из мантии к земной коре.
Подобные функции распределения для различных химических элементов указывают, как они распределяются в случае одновременного своего существования в твердой и жидкой фазах при частичном плавлении вещества.
Экспериментальное получение таких распределений является одной из основных задач кристаллохимии.
Таким образом, можно заключить, что данные, показывают изменение изотопного отношения стронция со временем в самой мантии. Тогда, с очевидностью получаем, что фактические данные, относящиеся к миграции мантийного вещества, указывают на более быстрый вынос рубидия из мантии, чем. Этот вывод, полученный при изучении изотопного отношения стронция, очень хорошо согласуется с данными других наук о Земле.
Проще всего предположить, что образование земной коры происходит при застывании магмы, поднимающейся из мантии на поверхность Земли. Эта гипотеза, помимо прочего, тесно связана с утверждением о непрерывности образования коры. Как показывают расчеты, если образование магмы идет за счет частичного плавления мантийного вещества, то при возникновении базальтов расплавлению должно быть подвергнуто 5—10% вещества мантии.
При таком частичном плавлении происходит разделение элементов в зависимости от степени их ассимилирования (поглощения) магмой. На основании некоторых упрощенных предположений можно сделать вывод, что в первую очередь из кристаллической решетки мантийных минералов магма будет ассимилировать те элементы, которые имеют больший ионный радиус. Ионные радиусы рубидия и стронция равны соответственно 0,152 и 0,118 нанометра, то есть у рубидия гораздо больше. Следовательно, можно предположить, что во время частичного плавления вещества мантии и последующего образования магмы рубидий будет поглощаться ею с большим предпочтением, чем стронций.
Что же об этом говорят фактические данные?
По вертикальной оси дается изотопное отношение стронция, определенное в вулканических породах, собранных в различных уголках света, по горизонтальной оси — время извержения этих пород. Причем вычисление изотопного отношения проводилось после вычитания из количества строн-ция-87 той его доли, которая образовалась за счет распада рубидия (уже после кристаллизации пород). Таким образом, изотопные отношения стронция, соответствуют времени извержения этих пород.
Типичными представителями вулканических пород являются базальты. Они образуются при застывании излившейся на поверхность Земли магмы, получающейся при частичном плавлении мантийного вещества. В зависимости от того, какой степени достигало такое плавление, образуются базальты различных типов. Однако можно сказать, что в любом случае изотопный состав становится чрезвычайно однородным, поскольку в момент плавления магма хорошо перемешивается, а изотопы химически ведут себя абсолютно одинаково. Следовательно, допустимо предположить, что изотопное отношение стронция в обломках базальтов, собранных на поверхности Земли, довольно хорошо отражает соответствующее значение для самой мантии.
В общем случае, как показывают расчеты, у такой «открытой» системы изменение изотопного отношение стронция со временем станет графически описываться некоторой кривой. Рассматривая в предыдущей главе формирование коры, мы говорили о том, что она образовалась за счет вещества мантии. Вопрос, который нас тогда интересовал, был связан с тем, произошла бы такая дифференциация коры из мантии в форме кратковременного процесса в самом начале истории Земли или же она происходила непрерывно на протяжении всего времени существования нашей планеты.
Рассмотрим теперь этот вопрос, предполагая, что обмен мантии веществом с внешней средой происходит путем лишь перемещения (миграции) вещества из мантии в кору. В этом случае, если рубидий будет выноситься из мантии быстрее, чем стронций, то изменение изотопного отношения стронция со временем графически изобразится кривой, обращенной выпуклостью вверх. Если, наоборот, стронций из мантии выносится быстрее, кривая изотопного отношения должна быть обращенной выпуклостью вниз.
До образования Земли изотопный состав стронция практически не менялся по сравнению с образовавшимся в ходе реакций нуклеосинтеза. Этот состав можно определить из анализа минералов в метеоритах, почти не содержащих рубидия. Отношение содержания стронция-87 к содержанию стронция-86, определенное в обогащенных кальцием минералах метеорита Алленде, оказалось равным 0,69 877. Если принять это изотопное отношение в качестве начального в только что возникшей мантии, то отсюда можно сделать ряд выводов о дальнейшей ее эволюции.
В мантии, конечно, также содержится рубидий. Следовательно, с течением времени количество стронция-87 должно было увеличиваться в результате распада рубидия-87 и одновременно расти изотопное отношение стронция-87 и стронция-86. Поскольку же рубидий-87 имеет чрезвычайно длительный период полураспада, это увеличение практически пропорционально времени эволюции (прямая линия ).
Однако такое линейное увеличение изотопного отношения для стронция ожидается в . том случае, если рубидий и стронций не выходят из мантии и не поступают в нее, то есть, другими словами, когда мантия является «замкнутой» системой. А как должно было изменяться изотопное отношение стронция, если мантия «открытая» система и в ней происходит непрерывный обмен веществом с внешней средой, содержащей рубидий и стронций?
Что касается рубидия, то он, подобно калию и натрию, принадлежит к группе щелочных металлов. Природный рубидий состоит из двух изотопов с массовыми числами 87 и 86. Относительное содержание этих изотопов очень постоянно и равняется соответственно 27,83 и 72,17%. Разумеется, постоянство процентного состава относится только к измерениям, сделанным в одну эпоху. С течением времени, в результате того что количество рубидия-87 уменьшается из-за радиоактивного распада, это соотношение меняется.
Период полураспада рубидия-87 составляет 48,8 миллиарда лет. Содержание элементов, подверженных радиоактивному распаду, вообще говоря, изменяется по экспоненциальному закону. Однако в случае рубидия-87, поскольку его период полураспада очень велик по сравнению с возрастом Земли, уменьшение количества этого изотопа можно считать происходящим фактически по линейному закону.
Итак, наиболее древние породы земной коры имеют возраст по меньшей мере 3,7 миллиарда лет. Однако, основываясь лишь на изучении возраста пород, мы не можем ответить на вопрос, вся ли земная кора образовалась 3,7 миллиарда лет назад или только се незначительная часть. Для того чтобы исследовать эту задачу, необходимо применить методы изотопной геохронологии.
Рассмотрим изотопный состав стронция, который относится к группе так называемых щелочноземельных элементов. И по своим свойствам он очень похож на элементы этой же группы магний и кальций. Природный стронций состоит из четырех изотопов с массовыми числами 88, 87, 86 и 84. Относительное содержание в нем изотопов стронций-88, стронций-86 и стронций-84 всегда остается постоянным, а вот количество стронция-87 зависит от типа породы и геологических условий. Последнее связано с тем, что часть стронция-87 -образуется при распаде рубидия. В результате породы и минералы, содержащие большое количество рубидия, бывают обогащены изотопом стронций-87.
Допустим же, что формирование земной коры началось около 3,7 миллиарда лет назад. При этом возникает вопрос, не была ли земная кора некоторых молодых горных систем (например, Гималаев, формирование которых началось самое большее несколько десятков миллионов лет назад), на первый взгляд выглядящая как вновь образовавшаяся, на самом деле лишь переработанной древней корой? И наоборот, что если древняя кора, образовавшаяся 3,7 миллиарда лет назад, составляет только небольшую часть современной земной коры, формировавшейся непрерывно в течение всего времени существования нашей планеты?
Эти одни из наиболее фундаментальных вопросов в изучении истории Земли в течение долгого времени были предметом ожесточенной дискуссии среди ученых, специализирующихся в области наук о Земле.
С тех пор, хотя измерения абсолютного возраста пород во всем мире проводятся интенсивно, в настоящее время, спустя около 10 лет после открытия метаморфических пород Гренландии, их рекорд все еще остается непобитым. Но по одному тому, что метаморфические породы Гренландии, по-видимому, действительно являются самыми древними из существующих пород земной коры, было бы опрометчиво сделать вывод о начале образования земной коры именно в то время. С одной стороны, не исключено, что мы еще не умеем как следует искать древние породы, а с другой — быть может, рекорд «древности» пород 3,7 миллиарда лет имеет важный, скрытый пока от нас смысл.
Например, можно предположить, что породы, образовавшиеся раньше, чем 3,7 миллиарда лет назад, совершенно исчезли в результате многократно повторявшихся эпизодов горообразования и вулканической деятельности. Такой возможной причиной полного уничтожения древних пород могла быть встреча Земли с грандиозным метеоритным потоком.- Действительно, большая часть наблюдаемых на поверхности Луны кратеров является впадинами от падения метеоритов, образовавшимися, каИ считают некоторые ученые, при выпадении на Луну сильнейшего метеоритного потока 3,9—4,0 миллиарда лет назад. Если рассуждать так, то предположение, что земная кора существовала ранее, чем 3,7 миллиарда лет назад, вполне уместно.