Глава 3 история развития земли
3.1. Геохронология
В геологии приходится иметь дело с толщами горных пород, накопившимися за длительную геологическую историю. Каждая горная порода несёт в себе двойную смысловую нагрузку. С одной стороны, это результат геологических процессов, с другой – вещественное выражение времени. Учение о последовательности формирования и возрасте горных пород называется геохронологией.
Определение момента (когда?), продолжительности (как долго?) и последовательности (в каком порядке?) событий прошлого возможно лишь путем установления порядка напластования и взаимоотношений геологических тел, слагающих литосферу. Возникает необходимость сопоставления координат разных геосистем с помощью одной привилегированной системы отсчета –системы отсчета геологического времени.
В геологии существуют две системы летоисчисления – в стандартных единицах времени (устаревший термин – абсолютный возраст пород) иотносительная. В первом случае устанавливается количество лет, прошедшее с момента образования горной породы или геологического события по отношению к настоящему времени, во втором – отношение возраста одних пород или событий к другим.
Методы определения возраста пород в абсолютных единицах времени
Общепризнанным инструментом получения данных в условных абсолютных единицахвремени являются методы радиологической датировки (геохронометрические методы. Без них невозможно было бы составить представление о длительности используемых геохронологических подразделений.
Геохронометрические методыобъединяют приемы, определяющие в стандартных единицах физического времени (в годах) удаленность образования геологических объектов от современности или продолжительность их существования. Для определения так называемого абсолютного возраста (устаревший термин) применяютсяизотопные, илирадиометрические, илиизотопно-геохронометрическиеметоды. Они основаны на особенности радиоактивных химических элементов, входящих в состав многих минералов, преобразовываться в их стабильные изотопы с постоянной скоростью, свойственной каждому элементу. Устанавливая соотношение мобильные и стабильных изотопов в анализируемой пробе, можно определить в единицах астрономического времени удаленность образования радиоактивного элемента и, соответственно, возраст породы, в строении которой принимает участие исследуемый минерал.
Определение возраста горных пород явилось первым практическим применением процесса радиоактивного распада, открытого А. Беккерелем. Уже в 1902 г. П. Кюри показал, что это явление дает человеку меру времени, а в 1904 г. Э. Резерфорд и Б. Болтвуд доказали постоянство отношений U/Ra и U/Th в земных телах. Исследования А. Холмса заложили основу методики определения геологического возраста пород по изотопам и привели к созданию первой геохронологической шкалы.
В настоящее время изотопные методы основаны на распаде тех радиоактивных элементов, которые преобладают в земной коре. Из приблизительно 1600 природных и искусственных изотопов только 272 стабильны. Для определения возраста используются долгоживущие радиоактивные изотопы.
Сущность метода заключена в следующем. В состав некоторых минералов входят радиоактивные изотопы. С момента образования такого минерала в нём протекает процесс радиоактивного распада изотопов, сопровождающийся накоплением продуктов распада. Распад радиоактивных изотопов протекает самопроизвольно, с постоянной скоростью, не зависящей от внешних факторов; количество радиоактивных изотопов убывает в соответствии с экспоненциальным законом. Принимая во внимания постоянство скорости распада, для определения возраста достаточно установить количество оставшегося в минерале радиоактивного изотопа и количество образовавшегося при его распаде стабильного изотопа. Эта зависимость описывается главным уравнением геохронологии:
t = 1 / λ ln (Nk / Nt + 1) ,
где Nk – число изотопов конечного продукта распада;
Nt– число радиоактивных изотопов, не распавшихся по прошествии времениt,
λ – постоянная распада – доля распавшихся ядер данного изотопа за единицу времени, является величиной известной для каждого изотопа.
При определении возраста горных пород изотопными методами руководствуются следующими периодами полураспада:
При использовании единиц времени в геологии рекомендуется международная система сокращенных обозначений с буквой «а» (от лат. annum – год): Ка (Kilo-annum) – 103лет, т.е. тысяч лет, Ма (Mega-annum) – 106 лет, т.е. миллионов лет, Ga (Giga-annum) – 109, т.е. миллиардов лет.
Учитывая периоды полураспада, различные изотопы используются для определения возраста в разных временных диапазонах. Так, радиоактивный углерод 14С, образующийся в верхних слоях атмосферы в результате действия космических лучей на атом азота14 N, используется для определения возраста древесины, торфа и т.д. в пределах 50 000 лет, что позволяет успешно применять его в четвертичной геологии и археологии. Изотопы с большим периодом полураспада применяются для определения возраста докембрийских пород, диапазон формирования которых превышает 3,5 млрд. лет.
Для определения возраста используются многие радиоактивные изотопы: 238U,235U,40K,87Rb,147Sm и др. Названия изотопно-геохронологических методов обычно образуются из названий радиоактивных изотопов и конечных продуктов их распада: уран-свинцовый, калий-аргоновый и т.д.
Наиболее применимые в геологической практике методы изотопного определения возраста следующие.
Калий-аргоновый метод. Используется для магматических и метаморфических пород по минералам, содержащим калий (слюды, полевые шпаты, роговые обманки, пироксены), для осадочных пород – по глаукониту. Глауконит предварительно должен быть исследован на предмет отсутствия изменений вторичными процессами. Смысл анализа измененного глауконита отсутствует, т.к. будет определен возраст перехода глауконита в измененное состояние, а не возраст образования породы. Погрешность метода составляет 4%. Наиболее надежным считается для среднепалеозойских и кайнозойских образований.
Рубидий-стронциевый метод. Применяется для магматических и метаморфических пород по минералам, содержащим рубидий (амазонит, биотит, мусковит, микроклин). Точность метода составляет 3-5%. Применяется для докембрийских и фанерозойских образований.
Свинцовый метод.Используется преимущественно для докембрийских в двух вариантах: свинцово-изотопном и свинцово-изохронном. При первом варианте исследуются минералы, содержащие уран и торий: уранинит, настуран, монацит, циркон, ортит, колумбит и др. Погрешность составляет 5%. Во втором варианте исследуют породы: гнейсы, кристаллические сланцы, мраморы, джеспиллиты, известняки. Возраст получается по четырем изотопным отношениям:207Pb /235U,206Pb /238U,208Pb /232Th,207Pb /206Pb. Совпадения результатов свидетельствуют об их достоверности. Наиболее близки к истинным значениям отношения207Pb /206Pb для докембрия, остальные – для фанерозоя.
Уран-свинцовыйизохронный метод в настоящее время считается наиболее точным (погрешность – доли %).
Радиоуглеродный метод. Применяется только для позднего плейстоцена – голоцена, от 1 до 60 000 лет. Этим методом исследуются объекты органической природы: древесина, древесный уголь, торф, кости, раковины, сталактиты, в которых содержится естественный радиоуглерод14С. Погрешность метода – 5%.
В настоящее время разрабатываются калий-кальциевыйиуран-ксеноновыйметоды датировок докембрийских образований. Кроме того, ведется работа по применению почти по всем перечисленным методамнейтронно-активационныхвариантов, которые смогут датировать открытые системы.
В настоящее время наиболее точным считается самарий – неодимовыйметод, принятый в качестве стандарта, с которым сравниваются данные других методов. Это связано с тем, что в силу геохимических особенностей данные элементы наименее подвержены влиянию наложенных процессов, часто значительно искажающих или сводящих на нет результаты определений возраста. Метод основан на распаде изотопа147Sm с образованием в качестве конечного продукта распада144Nd.
Существуют и другие методы определения абсолютного возраста горных пород, к ним относятся: соляной, седиментационный иметод ленточных глин.
Соляной метод используется для датирования возраста Мирового океана. В основу метода положено представление о пресности вод первичного океана и их солёности в настоящее время. По данным Слебича, в водах Мирового океана содержится 155 ∙ 1033т солей, и ежегодно в океан с суши реками приносится около 16 ∙ 107т. Расчеты показывают, что современная величина солей была принесена в океан реками за период около 97 млн. лет. Однако в этом методе много спорных вопросов, на которые пока нет ответов.
Седиментационный метод. В его основу положен подсчет осадочных (терригенных) отложений, образованных реками в области шельфа или приконтинентальных морях. Определив мощность терригенных осадков морского происхождения и поделив их на среднюю мощность ежегодно приносимого реками материала, с некоторой условностью можно определить абсолютный возраст осадконакопления на Земле.
Метод ленточных глин. Этот метод нашел применение в области распространения флювиогляциальных отложений. Установлено что флювиогляциальные отложения представлены сложными породами, чередованием глин и песков (ленточные глины), обусловленным погодными условиями: летом, весной из-под ледника выносились пески, а зимой, осенью – глины, т.е. пара слоев соответствует оному году. Количество парных слоев отвечает возрасту состояния ледника
Методы относительной геохронологии фиксируют последовательность образования горных пород или событий относительно друг друга. К ним относятся следующие методы:стратиграфический,палеонтологический,петрографический, палеомагнитный, хемостратиграфический и др.
Стратиграфический метод. Стратиграфия - раздел геологии, занимающийся изучением последовательности образования и расчленением толщ осадочных, вулканогенно-осадочных и метаморфических пород, слагающих земную кору.
Стратиграфический метод базируются на нескольких простых принципах:
1) принцип суперпозиции, гласящий, чтов ненарушенном залегании каждый вышележащий слой моложе нижележащего (сформулирован в 1669 г. Николо Стено).
Следовательно, при нормальном, неопрокинутом, залегании слоев осадочных пород, нижележащий слой образовался раньше вышележащего (рис. 3.1, а). Если слои залегают в опрокинутом положении, то прежде чем применить этот метод, необходимо установить положение кровли и подошвы слоя и восстановить нормальную последовательность отложения осадочных пород (рис. 3.1,б).
2) принцип пересечений, сформулирован Джеймсом Хаттоном. Этот принцип гласит, чтолюбое тело, пересекающее толщу слоев, моложе этих слоев.
3) принцип возраста деформацийгласит, чтовремя преобразования или деформации пород моложе, чем возраст образования этих пород.
Рис 3.1. – Применение стратиграфического метода для определения относительного возраста горных пород
Рассмотрим использование этих принципов на примере толщ осадочных пород, прорванных несколькими секущими магматическими телами (рис. 3.1).
Последовательность событий следующая. Первоначально происходило накопление осадочных толщ нижнего слоя (1), затем, последовательно накопление вышележащих слоев (2, 3, 4, 5), каждый из которых моложе нижележащего. Накопление осадочных пород в подавляющем большинстве случаев происходит в форме горизонтально лежащих слоев, так первоначально залегали и сформированные слои (1-5). Позднее эти толщи были деформированы (6), и в них внедрилось тело магматических пород 7. Затем, вновь горизонтально, началось накопление вышележащего слоя, залегающего на и внедрившемся магматическом теле. При этом, учитывая, что образующийся слой лежит на выровненной горизонтальной поверхности, очевидно, что его накоплению предшествовало выравнивание территории – её размыв (8). Вслед за размывом территории накопился следующий слой (9). Наиболее молодым образованием является магматическое тело 10.
Подчеркнём, что, рассматривая историю геологического развития территории, разрез которой изображён на рисунке, мы пользовались исключительно относительным временем, определяя лишь последовательность образования тел.
Палеонтологический(биостратиграфический)метод – один из важнейших и наиболее распространенных методов определения относительного возраста горных пород. Этот метод основан на изученииокаменелостей(фоссилий) – ископаемых остатков организмов, заключенных в слоях горных пород. Суть метода состоит в том, что в разновозрастных слоях пород встречаются разные комплексы остатков организмов, характеризующие развитие флоры и фауны в ту или иную геологическую эпоху.
Основаниями палеонтологического метода являются:
1) одновозрастные осадки содержат одни и те же или близкие остатки ископаемых организмов – принцип, сформулированный Уильямом Смитом:
2) ископаемые флоры и фауны сменяют друг друга в определённом порядке;
3) положение о непрерывности и необратимости изменения органического мира– закон эволюции Ч. Дарвина.
Каждый отрезок геологического времени характеризуется определёнными представителями флоры и фауны. Определение возраста толщ горных пород сводится к сравнению найденных в них ископаемых с данными о времени существования этих организмов в геологической истории.
Изменчивость органического мира, его эволюционное развитие позволили выделить ряд руководящих ископаемых организмов. Руководящими формаминазывают остатки вымерших организмов соответствующие следующим критериям:
• эти организмы существовали короткий промежуток времени,
• были распространены на значительной территории,
• их окаменелости части встречаются и легко определяются.
При определении возраста среди найденных в изучаемом слое ископаемых выбираются наиболее для него характерные, затем они сопоставляются с атласами руководящих форм, описывающими, какому интервалу времени свойственны те или иные формы. Первый из таких атласов был создан ещё в середине XIX века палеонтологом Г. Бронном.
На сегодняшний день основным в биостратиграфии является метод анализа органических комплексов. При применении этого метода вывод об относительном возрасте строится на сведениях обо всём комплексе окаменелостей, а не на находках единичных руководящих форм, что значительно повышает точность.
В ходе геологических исследований стоят задачи не только расчленения толщ по возрасту и отнесения их к какому-либо интервалу геологической истории, но и сопоставления – корреляции– удалённых друг от друга одновозрастных толщ. Наиболее простым методом выявления одновозрастных толщ является прослеживание слоёв на местности от одного обнажения к другому. Очевидно, что этот метод эффективен только в условиях хорошей обнажённости. Более универсальным является биостратиграфический метод сопоставления характера органических остатков в удалённых разрезах – одновозрастные слои обладают одинаковым комплексом окаменелостей. Этот метод позволяет проводить региональную и глобальную корреляцию разрезов.
Принципиальная модель использования окаменелостей для корреляции удалённых разрезов отражена на рисунке (рис. 3.2).
Рис. 3.2 Модель использования окаменелостей для корреляции удалённых разрезов (Одновозрастными являются слои, содержащие одинаковый комплекс окаменелостей)
Петрографический методоснован на детальном изучении и сравнении горных пород по их составу. Полученные при этом результаты могут быть использованы для сопоставления геологических разрезов в пределах ограниченных участков земной поверхности, на которых в течение определенных промежутков времени сохранялись одинаковые физико-географические условия. Так, с помощью петрографического метода обычно изучают и сравнивают породы в соседних скважинах, пробуренных друг от друга в нескольких десятках метров (рис. 3.3).
Рис. 3.3 Определение последовательности напластования
а – нормальная последовательность слоев в ненарушенном залегании, б – обратная последовательность слоев в опрокинутом крыле складки; 1 – слой песчаника, образовавшийся раньше всех остальных слоев; 2 – слой глинистых сланцев; 3 – самый молодой слой известняка.
Петрографический метод часто применяют при определении относительного возраста магматических и метаморфических пород. Например, наблюдается контакт гранитов и известняков. Известняки в контакте метаморфизованы и ороговикованы. Так как изменение известняка произошло под воздействием внедрившейся интрузии, то можно сказать, что гранит (магматическая порода) моложе известняка (осадочная порода).
В последнее время нашли широкое применение различные физические методы, прежде всего палеомагнитный и хемостратиграфический, благодаря которым резко повысилась точность датировок в изотопной геохронологии.
В современной геохронологии и стратиграфии генеральная тенденция заключается в комплексном использовании всех методов.