Давайте сначала познакомимся с табл. 4, в которой дано количественное соотношение между тремя изотопами аргона в современной атмосфере Земли. Количество одного из них, аргона-40, непрерывно увеличивается из-за радиоактивного распада калия-40. В современной атмосфере изотопное отношение содержаний аргона-40 и аргона-36 равно 295,5. Рассмотрим, какое же значение это изотопное отношение имело 4,5 миллиарда лет назад, сразу же после возникновения Солнечной системы, то есть вскоре после завершения основного процесса нуклеосинтеза. Согласно существующим представлениям об устойчивости атомных ядер, можно ожидать, что для каждого химического элемента изотопы с меньшими массовыми числами должны были образовываться в больших количествах. Из теории первичного нуклеосинтеза вытекает, что в момент завершения его реакций отношение количества аргона-40 к количеству аргона-36 составляло 10-4. Таким образом, в момент возникновения Солнечной системы аргон должен был почти полностью состоять из изотопа аргон-36. То, что наблюдаемый в современной атмосфере аргон в подавляющем большинстве состоит из изотопа аргон-40, вызвано, как указал, Вейцзеккер, распадом калия-40 в недрах Земли.
Калий-40 входит в состав пород, содержащих обычный калий. В результате распада калия-40 постепенно начинает накапливаться в этих породах аргон-40. В период формирования Земли в состав ее внутренних слоев должно было войти некоторое количество инертных газов. За это время изотопный состав аргона, характерный отношением 10-4 для содержаний аргона-40 и аргона-36, вряд ли успел сколько-нибудь существенно измениться за счет аргона-40, образующегося при распаде калия-40. Однако впоследствии такое начальное отношение содержаний изотопов стало быстро увеличиваться.
Вейцзеккер, обратив внимание на необычно высокое содержание аргона в земной атмосфере, предположил, что, вероятно, это вызвано образованием аргона при радиоактивном распаде калия, имеющегося в недрах Земли. Калий действительно содержится в некотором количестве в земных недрах. Один из его изотопов — калий-40—при распаде превращается в аргон-40 (этот тип радиоактивного распада связан с еще не рассматривавшимся нами процессом электронного захвата), который затем, как рассуждал Вейцзеккер, должен выделяться из земных недр, образуя одну из составляющих атмосферы Земли.
Предположение Вейцзеккера о том, что необычно высокое содержание аргона-40 в земной атмосфере вызвано распадом калия-40, привело, как следствие, к идее о выделении газов из недр Земли. На основании этой идеи было указано только содержание аргоиа-36, так как аргон-40, составляющий большую часть атмосферного аргона, не может в отличие от других инертных газов рассматриваться как существующий с самого момента возникновения Земли, поскольку имеет компонент, образующийся при радиоактивном распаде в земных недрах.
Возникновение других составляющих современной атмосферы Земли можно также объяснить результатом выделения газов из земных недр. Таким образом, вопрос о происхождении атмосферы можно свести к вопросу о выделении газов из земных недр. В связи с этим интересно рассмотреть, когда (или, лучше сказать, после чего) началось глобальное выделение газов из недр Земли?
Поскольку калий широко распространен на Земле, калий-аргоновый метод может использоваться для изучения многих типов пород Земли. Это является немаловажным достоинством. Использование уран-свинцового метода, например, довольно существенно ограничено тем, что он может применяться только для гранитов и подобных им пород, содержащих значительное количество урана.
Кроме того, у калия-40 довольно короткий период полураспада — 1 миллиард лет, что значительно короче, чем, например, у рубидия-87 (48,8 миллиарда лет). Количество рубидия, подвергшегося распаду со столь длительным периодом полураспада, по прошествии 10 миллионов лет будет составлять 0,01%. Поскольку это количество очень мало, его весьма трудно обнаружить. По этой причине методы геохронологии, использующие распад ядер с большими периодами полураспада, не подходят для определения «малых» возрастов. Калий же, имеющий сравнительно короткий период полураспада, вполне подходит для этой цели.
В настоящее время применение рубидий-стронциевого метода (за исключением особых случаев, когда содержание рубидия чрезвычайно велико) ограничивается возрастом 10 миллионов лет. С другой стороны, калий-аргоновый метод позволяет получить довольно точные измерения возраста порядка нескольких сот тысяч лет. А если использовать минералы, очень обогащенные калием, такие, как санидин, становится возможным измерять возраст порядка нескольких десятков тысяч лет. Для более коротких промежутков времени калий-аргоновый метод все-таки становится слишком неточным. Но в этом случае используется углерод-14, имеющий еще более короткий период полураспада (5730 лет).
В качестве примера успехов, достигнутых с помощью калий-аргонового метода, рассмотрим проведенную датировку инверсий магнитного поля Земли.
Калий, так же как уран и торий, встречается в больших количествах в гранитах, а его ионы имеют большой ионный радиус. Из табл. 1 также видно, что содержание и урана и тория может меняться в зависимости от типа пород на три порядка, тогда как отношение этих содержаний остается неизменным. Этот феномен,, как мы знаем, является проявлением химического сходства урана и тория.
Отметим, что в. строении Земли вдоль ее радиуса — от поверхности к центру — выделяются три основных слоя. Ближе всех к поверхности Земли расположена земная кора, на долю которой приходится не более 0,4% всей массы планеты. Под ней находится мантия, составляющая около 2/з всей массы Земли. Под мантией, собственно в центре земного шара, размещается ядро.
Как полагают, средний химический состав коры близок к составу, характерному для смеси из гранитов и базальтов, взятых в отношении 1 : 3. Химический же состав мантии, по наиболее распространенным представлениям, близок к составу перидотитов. Если это действительно так, то из табл. 1 видно, что среднее содержание калия в земной коре должно составлять около 1%. а в мантии — 0,04%. А соответствующее содержание урана составляет 0,002% для коры и 0,000 000 1 % для мантии. Пользуясь этими значениями, легко подсчитать, насколько кора обогащена ураном, торием и калием по сравнению с мантией.