ГЕОЛОГИЯ лекции

41

го затвердевающего слоя (до глубины 5120 км) и твердого внутреннего ядра (субъядра).

Внешнее ядро Земли состоит в основном из жидкого железа с примесью никеля. Однако геофизические расчеты показали, что плотность ядра на 10% ниже, чем у железо-никелевого расплава при господствующих в ядре температурах и давлениях. Следовательно, ядро должно содержать 10-20% легких элементов, вероятнее всего – водорода (Н) и серы (S) . Предположения о повышенном содержании S в ядре вытекает из сравнения геохимических и космохимических данных. Так, в материале мантии и коры концентрация S оказывается на 2-3 порядка ниже, чем ее концентрация в Солнечной системе.

Природа внутреннего ядра Земли (с глубины более 5120 км) остается наиболее загадочной. Возможно, что оно состоит из одного никелистого железа и находится в твердом состоянии. Радиус внутреннего ядра почти в 3 раза меньше радиуса внешнего ядра (0,19 и 0,55 R всей Земли соответственно).

На протяжении всей геологической истории Земли идет постоянная кристаллизация внутреннего ядра за счет вещества внешнего ядра. Этот процесс достаточно медленный, т.к. мантия является прекрасным теплоизолятором. К настоящему времени закристаллизовалось не более 5% расплава. Со временем из расплава будет «вычерпан» весь Ni и он будет состоять из Fe , FeH, FeO, FeS. Это произойдет тогда, когда масса внутреннего ядра составит 30% от общей массы ядра. Все земное ядро будет твердым, но останется дифференцированным.

42

Тема 1.4. ВОЗРАСТ ЗЕМНОЙ КОРЫ

Одним из основных методологических принципов в геологических науках является принцип историзма. Любой геологический процесс рассматривается как разворачивающийся во времени, а совокупность этих процессов – на основе их смены друг другом, как в пространстве, так и во времени. При этом интервалы времени, в которых разворачиваются геологические процессы, очень значительны – до сотен миллионов и даже миллиардов лет.

Ктому же, из всей геологической истории Земли лишь ничтожная часть

–последние миллионы лет – разворачивалась при существовании человека как биологического вида, и ещё многократно более ничтожная (несколько тысяч лет) приходится на время существования человеческой цивилизации. Что же касается промежутка времени, в течение которого существует геологическая наука и ведутся систематические геологические наблюдения, то он в масштабах геологического времени вообще выглядит исчезающее малым.

Таким образом, промежутки времени, которыми оперируют в геологических науках, прямому наблюдению и измерению по большей части недоступны. Поэтому требуются какие-то особые способы определения геологического времени, не имея которых геология как наука существовать просто не может. Возможны два подхода к изучению геологического времени. В соответствии с этим геологическая хронология подразделяется на относительную и абсолютную. Суть относительной геологической хронологии заключается в определении последовательности геологических событий, а абсолютной – в определении длительности промежутков времени в количественном выражении.

Относительная геохронология.

Относительная геологическая хронология целиком базируется на данных стратиграфии – раздела геологии, изучающего пространственновременные соотношения геологических тел в земной коре. Стратиграфия опирается на два основных закона, раскрывающих последовательность образования тел, имеющих пластовую форму залегания. К таким горным породам принадлежат почти все породы осадочного происхождения и часть вулканических.

Первый закон стратиграфии называется законом Стенона (по имени сформулировавшего этот закон работавшего в Италии датского геолога XVII в. Н. Стенона). Он гласит, что в разрезе слоистой осадочной толщи при ненарушенном залегании вышележащий слой всегда моложе нижележащего. Поэтому данный закон называется также законом последовательности напластования. Он даёт возможность определить последовательность формирования различных по составу слоёв горных пород (и, соответственно, последовательность основных геологических событий) в отдельном районе. Но использования одного лишь закона Стенона для полноценных геохронологических построений недостаточно. Проблема, которая не решается – сопостав-

43

ление данных по разным районам между собой. Мы не можем судить, какие события происходили раньше, какие позже, а какие одновременно, если слои формировались на разных территориях и друг на друга не наслаиваются. Для этого нужно использовать ещё один закон.

Второй закон стратиграфии, он же закон Смита (по имени английского геолога У.Смита, работавшего на рубеже XVII-XIX вв.) гласит: слои, содержащие одинаковые или сходные комплексы органических остатков, являются одновозрастными. Первоначально этот факт был установлен У.Смитом чисто эмпирически, на основе тщательного прослеживания слоёв различного возраста и изучения содержащихся в них окаменелостей. В дальнейшем стало ясно, что в основе этого закона лежит фундаментальный факт эволюционного развития органического мира земли, в процессе которого одни формы животных и растений последовательно сменялись другими. Таким образом, основным методом, на котором базируется относительная геологическая хронология, оказывается метод палеонтологический: определение возраста слоёв по содержащимся в них ископаемым остаткам животных и растений. Применение этого метода позволило геологам сопоставлять историю геологического развития разных регионов мира между собой и уже к середине XIX века составить целостную картину истории развития Земли и её органического мира, которая с тех пор постоянно уточняется на основе новых открытий.

В применении палеонтологического метода для решения задач геологической хронологии существует ряд особенностей, ограничивающих применение закона Смита. Имеются случаи неодновременности появления того или иного вида в разных регионах. Вид может возникнуть и геологически длительное время существовать лишь в какой-то ограниченной местности, и лишь затем расселиться на более обширных территориях. Возможна и неодновременность вымирания, когда вид почти повсеместно исчезает, а в какомто районе ещё долгое время существует как реликтовый. Многие формы никогда не были распространены в планетарном масштабе, а приурочены к определённым климатическим поясам или зоогеографическим и фитогеографическим провинциям. Поэтому основой обычно является изучение возрастной последовательности видов в отдельных регионах, а далее необходимо искать отдельные общие формы, диагностика которых позволяет перекинуть «мостики» между разными территориями. Особый вопрос – сопоставление палеонтологическими методами отложений морского и континентального происхождения, которые заселены заведомо различными формами жизни. Перекинуть «мостики» между ними позволяет либо изучение таких участков, где морские и континентальные осадки многократно переслаиваются между собой, либо случаи заноса остатков наземных организмов в прилегающие водоёмы.

Встречаются особо сложные случаи, когда в целом районе практически весь комплекс органических остатков представлен исключительно местными (эндемичными) видами, не имеющими полных аналогов на сопредельных территориях. Наконец, совсем непригодны для геологической хронологии

44

такие виды, которые сохраняются в совершенно неизменном виде на протяжении больших промежутков геологического времени. А также те, которые приспособлены к очень узкому диапазону условий среды, и мигрируют с места на место при малейшем изменении этих условий. Поэтому в разных районах их остатки могут содержаться в слоях совершенно разного возраста. Но изучение таких видов имеет другую научную ценность, поскольку они являются надёжными индикаторами соответствующих природных обстановок.

Палеонтологические виды, которые могут быть наиболее эффективно использованы при решении задач геологической хронологии, получили название руководящих форм. Те или иные виды могут быть отнесены к числу руководящих форм при соответствии ряду условий:

-быстрая хронологическая смена форм в эволюционной последовательности – когда новые виды в одной эволюционной ветви появляются достаточно часто, и при этом новый вид геологически мгновенно вытесняет предшествующий;

-широкое географическое распространение;

-слабая зависимость от условий природной среды (фаций);

-многочисленность (иначе его остатки не могут встречаться достаточно часто);

-хорошая сохранность в ископаемом состоянии; при этом достаточно, чтобы успешно сохранялись какие-то отдельные части организма (например, зубы грызунов).

Также предпочтительно, чтобы остатки имели небольшие размеры. В этом случае даже в небольшом штуфе горной породы может быть обнаружено большое число различных форм, позволяющих судить о сообществе организмов в целом.

Относительный возраст может быть определён и для тех горных пород, которые не подчиняются закону последовательности напластования – например, для интрузивных образований. Но здесь имеется своя специфика и, как правило, более высока доля неопределённости. При формировании любой интрузии магма внедряется в уже существующие горные породы. Поэтому породы интрузивного тела всегда будут моложе вмещающих его образований. Но разрыв во времени между образованием вмещающих пород и актом внедрения может быть очень значительным, и не всегда мы имеем данные, позволяющие уточнить эту разницу. Отчасти помочь в этом могут случаи, когда мы видим, что кровля интрузивного тела размыта, и на неё сверху налегают более молодые отложения, возраст которых мы определили палеонтологически. В этом случае время формирования интрузии будет ограничено промежутком между возрастом прорываемых ею пород и возрастом перекрывающих отложений.

Стратиграфические шкалы.

На основе результатов стратиграфических исследований составляются стратиграфические шкалы, которые являются основой построений в об-

45

ласти относительной геологической хронологии. Эти шкалы представляют собой схемы, в которых отражаются основные события геологической истории и развития органического мира. Различаются шкалы трёх видов: местные, региональные и общая стратиграфическая шкала.

М е с т н ы е ш к а л ы составляются для отдельных небольших районов и в наибольшей мере отражают последовательность основных геологических событий в его истории. Основным подразделением местной шкалы является свита. Под свитой понимается ассоциация горных пород, образовавшихся в течение некоторого геологического времени при существенно не изменявшихся условиях и сохраняющая по всему объёму основные черты своего состава и строения. Каждая свита отличается какими-то особенностями от соседних, сменяющих её или по разрезу (в результате изменения хода геологических процессов) или в горизонтальном направлении (так как любые процессы и условия их проявления приурочены к пространственно ограниченным территориям). Каждой свите даётся собственное, обычно географическое (по местности, где она была выделена и описана) наименование. Свиты могут более дробно подразделяться на подсвиты, пачки и слои. Несколько сходных по составу свит могут объединяться в серию.

Р е г и о н а л ь н ы е ш к а л ы составляются на основе увязки (корреляции) всех местных шкал в пределах какого-либо крупного региона (например, Алтае-Саянской области). Основной единицей в региональной шкале является горизонт. Поскольку основным методом корреляции местных шкал является палеонтологический, то и горизонты выделяются по палеонтологическим данным. В составе горизонта объединяются различные свиты (или отдельные части свит), в которых содержатся ископаемые остатки одних и тех же руководящих форм. Если та или иная свита органических остатков не содержит, она включается в состав какого-либо горизонта на основании других данных. Горизонты могут в некоторых случаях разделяться на подгоризонты или объединяться в надгоризонты.

О б щ а я с т р а т и г р а ф и ч е с к а я ш к а л а составлена на основе синтеза данных о геологической истории и истории развития органического мира Земли в целом. В этой шкале используется двойная номенклатура: имеются термины, обозначающие промежутки геологического времени (геохронологические), и термины, которыми обозначаются комплексы горных пород, сформировавшихся за соответствующий промежуток времени (стратиграфические). Каждый хронологический термин имеет свой стратиграфический аналог, и наоборот. Далее перечисляются геохронологические единицы (от более крупных к более дробным) и соответствующие им стратиграфические:

Акрон - Эон Эра Период Эпоха - Век

скому периоду – юрская система. Названия подразделений Общей стратиграфической шкалы с точностью до эпохи и отдела приведены в таблице 7.

Абсолютная (радиоизотопная) геохронология.

Методы абсолютной геохронологии основаны на явлении радиоактивного распада – способности некоторых изотопов химических элементов самопроизвольно распадаться. А точнее – на законе постоянства скорости этого распада. Благодаря факту такого постоянства мы можем, измерив содержания в минерале или в горной породе радиоактивного изотопа и продукта его распада, рассчитать время, которое прошло с момента образования породы или минерала. Следует оговорить некоторую условность термина «абсолютная геохронология». Во-первых, все аналитические методы имеют ту или иную погрешность, и все вычисления в изотопной геохронологии не дают абсолютно точных результатов. Во-вторых, соотношение изотопов может нарушаться различными природными процессами, и мы не всегда можем быть полностью уверены, что в нашем конкретном случае такого воздействия не было. В-третьих, все цифры в годах (точнее, в миллионах лет) основаны на допущении, что константы скорости радиоактивного распада всегда оставались неизменными, в чём полной уверенности также быть не может. Не исключено, что с течением времени, в процессе эволюции Вселенной, эти константы постепенно изменялись в ту или иную сторону – и тогда реальная продолжительность промежутков времени будет несколько отличаться от получаемой нами в расчётах. Поэтому специалисты предпочитают более корректно говорить не об «абсолютной» а об изотопной геохронологии.

Скорость распада радиоактивного изотопа характеризуется периодом его полураспада. Это время, в течение которого распадается половина количества атомов данного изотопа в вещественном агрегате. За следующий равный промежуток распадается половина оставшегося количества, и так далее, пока распад не завершится полностью.

В настоящее время используются различные методы изотопной геохронологии, основанные на определениях содержаний следующих пар радиоактивных изотопов и продуктов распада.

Урано-свинцовый метод:

238U Þ 206Pb. Период полураспада T=4,53´109 лет

235U Þ 207Pb. T=0,713´109 лет.

Ториево-свинцовый метод:

232Th Þ 208Pb. T=13,89´109 лет.

47

Рубидий-стронциевый метод.

87Rb Þ 87Sr. T=4,99´1010 лет.

Калий-аргоновый метод:

40K Þ 40Ar.

Радиоуглеродный метод:

14C Þ 14N. T=5750 лет.

В последнее время, по мере увеличения чувствительности аналитического оборудования, всё шире начинают применяться методы, основанные на изучении соотношений изотопов, имеющих весьма низкие кларки: самарийнеодимовый, рений-осмиевый и другие.

Каждый метод имеет свои достоинства и недостатки и применим для различных задач и в различных условиях. Во-первых, разные горные породы характеризуются различными исходными содержаниями тех или иных радиоактивных изотопов. Во-вторых, каждый изотоп имеет свою скорость радиоактивного распада, и потому каждая пара пригодна для определения промежутков времени разной продолжительности. Особняком здесь стоит радиоуглеродный метод, основанный на применении радиоактивного изотопа углерода 14С, имеющего период полураспада менее 6000 лет. Даже при самых высоких концентрациях этого изотопа весь его объём в конкретном объекте датирования распадётся менее чем за 100 тысяч лет. Этого изотопа в природе вообще бы давно не существовало, если бы он постоянно не формировался бы в верхних слоях атмосферы под действием космической радиации. Свою специфику применения имеет и калий-аргоновый метод. Заключается она в том, что аргон – газ, и легко теряется при различных воздействиях на горную породу. Поэтому его применение требует особо тщательной проверки факта отсутствия таких воздействий с момента образования породы и до наших дней.

Возможности применения изотопно-геохронологических методов, как и палеонтологических ограничены рядом условий. Эти условия таковы:

-сингенетичность минерала и горной породы (горная порода и слагающие её минералы должны сформироваться в едином процессе, иначе время формирования породы останется неопределимым);

-достаточное содержание анализируемых изотопов;

-ненарушенность изотопной системы последующими процессами;

-возможность контроля достоверности результатов.

Из первого условия следует, что применение изотопногеохронологических методов наиболее эффективно для магматических пород, так как и вся порода, и слагающие её минералы формируются одновременно при кристаллизации расплава. При этом можно применять различные варианты метода: определять соотношение изотопов в горной породе в целом или в отдельных минералах. Последний вариант более трудоёмок, но он надёжнее: из объёма анализируемого материала можно сразу исключить ксено-

48

генные (захваченные) и вторичные минералы, возраст которых может оказаться в первом случае – значительно более древним, а во втором – значительно более молодым. Варианты - определения по отдельным минералам и по породе в целом. Наименее пригодны изотопные методы для определения возраста пород осадочного происхождения, особенно терригенных. В них слишком мало минералов, образовавшихся в процессе накопления осадка, и притом они далеко не всегда содержат радиоактивные изотопы. Что касается метаморфических пород, то изотопное датирование помогает установить время появления метаморфического процесса, который нередко оказывается многостадийным, растянутым во времени.

Возможности контроля (проверки достоверности определений возраста) при использовании изотопных методов разнообразны. Может применяться анализ соотношений по разным минералам, анализ одних и тех же образцов различными методами. Наиболее эффективным считается применение изохронного метода, при котором отбираются и анализируются несколько проб из разных частей одного породного тела, в которых исходное содержание радиоактивного изотопа может быть различным. Результаты исследований наносятся на диаграмму, и, если соотношение изотопов осталось не нарушенным, все точки, характеризующие содержание продуктов распада должны лечь на одну линию (изохрону).

Геохронологические шкалы.

На основе данных изотопной геохронологии могут быть количественно определены возраста границ подразделений общей стратиграфической шкалы и иных шкал, рассчитана продолжительность хронологических подразделений (акронов, эонов, эр, периодов и так далее). Такая стратиграфическая шкала, дополненная изотопно-геохронологическими данными, называется геохронологической шкалой. Датировки основных рубежей Общей геохронологической шкалы приведены в таблице.

Палеомагнитный метод.

Применение палеомагнитных методов определения возраста основано на явлении остаточной намагниченности горных пород. Все частицы магнитных минералов, содержащиеся в горной породе, приобретают в ходе её формирования закономерную ориентировку. Она соответствует ориентировке силовых линий магнитного поля Земли в данной точке. В дальнейшем эта ориентировка сохраняется, и, измерив её с помощью чувствительных приборов, можно установить положение данной точки местности относительно геомагнитного полюса в момент образования породы. Это положение характеризуется двумя величинами. Магнитное склонение указывает направление на прежнее положение магнитного полюса, а магнитное наклонение (определяется углом наклона силовых линий к горизонту) – расстояние до него.

Установлено, что в геологическом прошлом, в результате движений литосферных плит, положение каждого блока земной коры относительно магнитных полюсов непрерывно изменялось. Зная координаты полюсов относительно каждого крупного блока земной коры на конкретные моменты геоло-

49

гического времени, можно использовать измерения остаточной намагниченности для определения возраста горных пород.

Дополнительно помогают при определении возраста палеомагнитным методом инверсии геомагнитного поля. Установлено, что в истории Земли северный и южный магнитные полюса периодически менялись местами. Соответственно, в истории нашей планеты выделены эпохи прямой (соответствующей современной ориентировке магнитного поля) и обратной (противоположной) полярности. Разработаны палеомагнитные шкалы, на которых показано чередование эпох прямой и обратной полярности и продолжительность каждой эпохи. Наиболее пригодны такие шкалы для изучения возраста отложений, формировавшихся в условиях непрерывного осадконакопления (в основном морских).

50

Тема 1.5. ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРИЧИНАХ И ЗАКОНОМЕРНОСТЯХ РАЗВИТИЯ ЗЕМНОЙ КОРЫ

Общие сведения о тектоническом строении и развитии материков.

Исторически сложилось так, что геологическое строение континентов стало изучаться значительно раньше, чем геология дна океанов (просто потому, что последнее долго оставалось мало доступным для геологов). В результате первые тектонические закономерности были выявлены и наиболее детально разработаны на основе изучения геологии континентов. На этих же материалах базировались и первые тектонические теории. Поэтому и мы, следуя за ходом исторического развития научной мысли, первоначально рассмотрим закономерности строения и развития земной коры континентального типа.

Геологическое строение континентов резко неоднородно в различных их частях. В одних областях породы самого верхнего (осадочного) слоя земной коры залегают горизонтально или почти горизонтально, а в других они смяты

вразнообразные, в том числе очень сложные складки, разбиты многочисленными разломами. К первым обычно приурочены равнины и плоскогорья, для вторых характерен горный рельеф. Первые были названы платформами,

вторые – складчатыми областями.

Было установлено, что складчатые области сложены главным образом мощными толщами осадочных и вулканогенных образований морского происхождения. На этом основании американский геолог второй половины XIX в. Дж. Дэна высказал предположение, что накопление их должно было происходить в пределах узких и протяжённых участков земной коры, имевших на протяжении десятков миллионов лет тенденцию к устойчивому опусканию. Такие гипотетические прогибы он назвал геосинклиналями.

Учение о геосинклиналях сыграло очень важную роль в развитии представлений о формировании земной коры. Изучая складчатые области в разных районах земли, геологи установили, что в них всегда закономерно повторяются одни и те же особенности возрастных и структурных взаимоотношений горных пород различного состава и происхождения. В результате было сформировано представление, что, любая геосинклиналь проходит в своем развитии определенные стадии, каждая из которых характеризуется свойственными только для нее особенностями процессов осадконакопления, магматизма, метаморфизма, а также формирования складчатых и разрывных структур.

Начальная стадия характеризуется накоплением большого объема вулканогенных пород базальтоидного состава, большей частью зеленокаменно измененных, а также кремнистых пород, глинистых сланцев и реже – известняков (в основном слагающих рифовые постройки). С нею же связано формирование крупных тел плутонических пород ультраосновного и основного состава, которые слагают в структуре складчатых областей протяженные пояса, названные офиолитовыми.