Изотопные исследования можно разделить на две группы:
Геохронологические работы. Использование определений абсолютного возраста для оценки возрастных соотношений на региональной основе, например определение возраста складчатых поясов; построение шкалы абсолютного возраста, связанной обычно с тектоническими явлениями; изучение эволюции континентов и океанов во времени и решение связанных с этой проблемой вопросов роста континентов, их перемещения и закономерностей распределения тектонических особенностей по земному шару.
Собственно изотопные исследования. Использование распространенности дочерних продуктов регионального распада (стронций и свинец) в качестве своеобразных «отпечатков пальцев», позволяющих проследить становление и дифференциацию изверженных горных пород, а также наметить эволюцию мантии и земной коры в течение геологического времени.
Применяемые аналитические методы основаны на существовании нескольких рядов радиоактивного распада (табл. 1). Измерения проводятся как на самих горных породах, так и на отдельных минералах. Краткий обзор применимости измерений как к породе в целом, так и к различным минералам, а также возникающих при этом затруднений был сделан Хартом [9]. Более детально эти вопросы рассмотрены в работе Уэтерилла и Тилтона [19].
Геохронологические исследования
Разработка и совершенствование геохронологических методов непрерывно продолжаются, но и сейчас можно с удовлетворительной точностью определить возраст большинства горных пород. Как правило, применяемые методы очень трудоемки. В качестве примера можно указать на выделение и анализ цирконов из основных пород. В дальнейшем совершенствование методов исследования необходимо направить не на повышение точности, а на увеличение эффективности работы. Исключением является проблема датировки глубоководных океанических базальтов. Площадное распределение океанических пород по возрасту имеет решающее значение при рассмотрении гипотезы раздвигания океанического дна. Молодой возраст пород океанического дна препятствует использованию Bb-Sr- и U-Pb-методов. Трудность выделения минералов глубоководных базальтов, а также низкое содержание в них калия не позволяют использовать для их изучения K-Ar-метод. При измерении на породе в целом возникает ряд затруднении, связанных с вторичными изменениями мелкозернистого материала породы, а также с возможной контаминацией щелочами морской воды. В свежих породах, например в неизмененных вулканических стеклах, содержание аргона часто завышено за счет его захвата, в связи с чем завышается и возраст. Глубоководное бурение в океанах, по-видимому, позволит получить образцы океанической коры раньше, чем будет разработана надежная методика определения их абсолютного возраста.
В настоящее время весьма успешно идет определение возраста на континентах, причем для некоторых из них получены достаточно полные и надежные данные, что может иметь большое значение при решении вопроса о росте материков. Возрастные данные для Северной Америки позволили выделить пояса, возраст которых (в общем) прогрессивно уменьшается в направлении к окраине материка, что убедительно подтверждает концепцию разрастания континентов. Однако многочисленные данные о подвижности материков необходимо сопоставлять с возрастными схемами различных континентов. В прекрасной работе Харли и др. [11] показано, что при совмещении Южной Америки и Африки тектонические пояса двух возрастов продолжаются с одного континента на другой. Получение полных геохронологических данных для всех материков позволит осуществить их простую и однозначную реконструкцию. При этом мы должны учитывать возможность существования древних периодов дрейфа материков, например в докембрии, что должно значительно осложнить реконструкцию роста или регенерации материковых масс.
Данные о возрасте материков являются первым шагом на пути к познанию эволюции континентов (а также эволюции мантии, поскольку мантия не может служить источником, способным без конца поставлять в больших количествах химические элементы земной коры). Харли и др. [12] показали, что в Северной Америке общая площадь поверхностных пород определенного возраста оставалась более или менее постоянной в течение всей геологической истории. По мнению авторов работы, это проще всего объяснить непрерывно продолжающимся ростом континентов. Однако, поскольку большая часть «радиоактивных часов» начинает действовать с момента плавления — кристаллизации, не исключено, что древняя кора была просто регенерирована в результате повторного плавления и приобрела вид только что образованной новой коры. Сами по себе определения абсолютного возраста не позволяют различать эти две возможности. В таких случаях очень важное значение приобретает содержание дочерних продуктов радиоактивного распада, являющихся естественными «уликами».
Изотопный метод
В сиалических породах кристаллических щитов отношение Rb/Sr составляет около 0,25. За 2,7 млрд. лет в результате радиогенного распада из этого рубидия образуется такое количество Sr87, что общее отношение Sr87 к обычному нерадиогенному изотопу (например, к Sr86) составит около 0,725. Эта величина остается постоянной при любом процессе, в результате которого происходит регенерация древней земной коры с образованием «новой» коры. Даже при вовлечении в этот процесс нижних горизонтов земной коры, которые могут обладать более низкими отношениями Rh/Sr и Sr87/Sr86, вся масса коры будет характеризоваться отношением Sr87/Sr86 > 0,71. Поскольку в магматических породах молодых складчатых поясов отношение Sr87/Sr80 обычно меньше 0,71, они не могли образоваться в результате простой регенерации древней коры, если последняя представляла собой закрытую систему. Эти доводы, впервые высказанные Харли с соавторами [12], представляются для закрытой системы неопровержимым доказательством продолжающегося роста материков.
При изучении изотопов свинца Паттерсон [14], а также Паттерсов и Тацумото [15] получили данные, противоречащие гипотезе роста материков. Они пришли к выводу, что формирование континентов приурочено к интервалу от 2,5 до 3,5 млрд. лет назад и что наличие более молодой коры можно объяснить периодически повторяющейся регенерацией первичной коры. Радиогенный стронций, содержащийся в этой регенерированной коре, находится в равновесных соотношениях с исходным (нерадиогенным) стронцием, связанным с каким-то крупным, глубоко захороненным источником в мантии; поэтому такая система, во всяком случае в отношении стронция, представляет собой открытую систему.
Схема Паттерсона — Тацумото основана на сопоставлении данных по возрасту полевых шпатов, полученных свинцовым и Rb-Sr-методами для различных прибрежных и речных осадков. Определения возраста полевых шпатов этими двумя методами хорошо согласуются для полевых шпатов, возраст которых достигает 2,5 млрд. лет. Однако по мере уменьшения возраста полевых шпатов различия между значениями, полученными этими двумя методами, возрастают. При этом определения по изотопам свинца всегда дают меньший возраст. Такое отклонение при определении возраста калиевых полевых шпатов по изотопам свинца объяснялось несостоятельностью модели обычной гомогенной закрытой системы для изотопов свинца. Однако в дальнейшем было показано, что все эти несоответствия отпадают, если принять модель многократной эволюции свинца, при которой коровая система с высоким отношением U/Pb отделилась от материала мантии на ранних этапах (2,5—3,5 млрд. лет).
Следует отметить, что концепция раннего формирования континентальной коры опровергается результатами недавно проведенных работ по изучению изотопов свинца океанических и континентальных изверженных пород.
Во-первых, было показано, что в процессе метаморфизма полевые шпаты захватывают радиогенный свинец из своего окружения, поскольку Rb-Si'-воз-расты изменяются в меньшей степени [6]. Это должно привести к отклонениям в возрасте калиевых полевых шпатов по свинцовому методу. Во-вторых, при исследовании полевых шпатов, возраст которых достигает 2,7 млрд. лет, наблюдается обратное отклонение свинцовых возрастов. В этом случае возраст по свинцовому методу оказывается значительно больше Rb-Sr-возраста [17]. Этот факт нельзя объяснить схемой раннего формирования коры. Наконец, мы располагаем данными о том, что отношения как изотопов свинца, так и U/Pb в океанической коре и мантии не обнаруживают значительных различий. Как показало изучение изотопов свинца из пелагических осадков 12], отношения изотопов свинца современной выветрелой коры полностью совпадают с величинами, характерными для свинцов из вулканических пород океанов [8, 16]. Другими словами, вновь образованную земную кору, сформировавшуюся за счет океанической мантии, нельзя было бы отличить от коры, возникшей в результате регенерации приповерхностной сиалической коры. (Следует отметить, что существуют такие области, например район кристаллического щита близ озера Верхнего, где в среднем содержание радиогенного свинца выше, чем в любом океаническом свинце.) По-видимому, океанические вулканические свинцы указывают на многостадийность процесса в самом мантийном очаге, причем последнее разделение изотопов должно было произойти 1—2 млрд. лет назад [16, 7]; это является дополнительным подтверждением сходства океанических и континентальных свинцов.
Недавно Армстронг [1] предложил модель эволюции, в которой попытался увязать имеющиеся данные по изотопным составам стронция и свинца. Та часть этой схемы, где рассматривается эволюция континентов, очень близка к модели Паттерсона — Тацумото: земная кора и мантия почти полностью разделились более 2,5 млрд. лет назад; материал мантии и коры периодически перемешивался, что приводило к уравновешиванию радиогенного корового стронция с нерадиогенным стронцием из крупного мантийного очага. Однако до сих пор не предложено реального механизма, который мог бы вызвать такое огромное по масштабам уравновешивание изотопов стронция.
Возможно, что решение некоторых из вышерассмотренных спорных вопросов зависит от накопления более полной информации о том, каким образом в течение геологического времени меняются соотношения изотопов свинца и стронция. Мы располагаем огромным количеством данных по содержанию изотопов свинца в рудных месторождениях различного возраста. Однако почти все сведения по основным типам горных пород (например, вулканическим и интрузивным) получены на относительно молодых объектах. Полезное начало было положено работой Хэджа и Уолтхолла [10], в которой авторы попытались наметить основные направления эволюции изотопов стронция. К сожалению, данных для решения этого вопроса пока недостаточно. На фиг. 1 схематически показаны возможные пути этой эволюции для верхней мантии. Обычная исходная точка (принимаемая в качестве «первичного», или «начального», стронция метеоритов) соответствует для Sr87/Sr86 примерно 0,699. Конечная точка, отвечающая примерно 0,704, берется как среднее для океанических базальтов.
Модель I. Развитие мантии начинается при отношении Rb/Sr, равном соответствующему отношению в хондритах; вначале наблюдается резкое увеличение величины отношения Sr87/Sr86 (точка b) за короткий промежуток времени дифференциации, равный 1 млрд. лет. При этом рубидий уходит из мантии вверх. Возникающая величина отношения Rb/Sr обусловливает незначительное увеличение отношения Sr87/Sr86 в течение всей последующей истории Земли. В сущности, это модель раннего отделения коры.
Модель II. Очень ранняя, основная стадия дифференциации Земли (точка а). В верхней мантии устанавливается отношение Rb/Sr, близкое к 0,04. Эволюция континентов с постоянной скоростью началась около 3,5 млрд. лет назад (точка с). При этом верхняя мантия постепенно теряла рубидий.
Модель III. Очень ранняя главная стадия дифференциации Земли (точка а); в верхней мантии устанавливается отношение Rb/Sr, равное примерно 1/10 этого отношения для хондритов. Верхняя мантия больше не дифференцируется. Эта схема предполагает наличие какого-то неограниченного источника в мантии, поскольку потеря мантией материала, идущего на формирование земной коры, не вызывает изменения величины отношения Rb/Sr. Судя по характеру поступающего в кору материала, для каждого нарастания коры используется новая, еще нетронутая порция вещества мантии.
Модель IV. Начальная стадия развития Земли характеризуется низкой величиной отношения Rb/Sr, очень близкой к ахондритовой. В верхней мантии величина эта увеличивается по мере поступления рубидия снизу при дифференциации. Одновременно происходит эволюция континентальной земной коры.
Совершенно очевидно, что рассмотренные модели неравноценны, особенно в связи с ограничениями, связанными с термической историей Земли и химией главных элементов. Можно легко построить и другие более сложные схемы. Рассмотренные здесь четыре основные модели могут служить наглядной иллюстрацией того, как используется отношение изотопов стронция при изучении коро-мантийной эволюции. Несмотря на то что суммарные колебания в изотопных отношениях стронция составляют немногим более 0,5%, современная техника анализа позволяет проводить такие определения. Главное затруднение при этих исследованиях состоит в необходимости анализировать большое количество образцов, чтобы усреднить результаты и избавиться от влияния ошибок, связанных с географическим положением и геологическими особенностями. Так, отношение Sr87/Sr86 в молодых океанических базальтах колеблется от 0,702 до 0,705. Это свидетельствует о том, что стронций этих вулканических пород поступает из источников, положение которых меняется по горизонтали или по глубине. Среди более древних пород коры необходимо выделить те, которые могли возникнуть в сходных областях, поставляющих стронций, но в разное время. Можно полагать, что крупные расслоенные основные интрузии представляют собой одну из таких групп пород. К другой группе, по-видимому, относятся вулканические породы складчатых поясов, близкие к вулканическим сериям современных островных дуг и окраин материков.
Две крайние модели — I и IV,— очевидно, не соответствуют немногочисленным данным, которые имеются в настоящее время. Выбор между двумя другими моделями представляется намного более трудным. С такой же целью могут быть использованы отношения изотопов свинца и U/Pb для всей породы, хотя в этом случае мы не располагаем даже 10-летним опытом, который накоплен при изучении изотопов стронция.