Возраст Земли. Геологическое летоисчисление

Геологическое летосчисление и геохронологическая таблица
Большое значение для географической науки имеет умение определять возраст Земли и земной коры, а также время значительных событий, произошедших в истории их развития.
История развития планеты Земля делится на два этапа: планетарный и геологический.
Планетарный этап охватывает период времени от зарождения Земли как планеты и до образования земной коры. Научная гипотеза об образовании Земли (как космического тела) появилась на основе общих взглядов на зарождение других планет, входящих в состав Солнечной системы. О том, что Земля - одна из 9-ти планет Солнечной системы, вы знаете из курса 6-го класса. Планета Земля образовалась 4,5-4,6 млрд лет назад. Этот этап закончился с появлением первичных литосферы, атмосферы и гидросферы (3,7-3,8 млрд лет назад).
С момента появления первых зачатков земной коры начался геологический этап, который продолжается и по настоящее время. В этот период образовались различные горные породы. Земная кора не раз подвергалась медленным поднятиям и опускания под влиянием внутренних сил. В период опускания территория затапливалась водой и на дне откладывались осадочные породы (пески, глины и др.), а в периоды поднятия моря отступали и на их месте возникала равнина, сложенная этими осадочными породами.
Таким образом, первоначальное строение земной коры стало изменяться. Этот процесс продолжался непрерывно. На дне морей и впадин материков накапливался осадочный слой горных пород, среди которых можно было встретить остатки растений и животных. Каждому геологическому периоду соответствуют их отдельные виды, потому что органический мир находится в постоянном развитии.
Определение возраста горных пород. Для того чтобы определить возраст Земли и представить историю ее геологического развития, используют методы относительного и абсолютного летосчисления (геохронологию).
Чтобы определить относительный возраст горных пород необходимо знать закономерности последовательного залегания слоев осадочных горных пород разного состава. Суть их состоит в следующем: если слои осадочных горных пород залегают в ненарушенном состоянии так, как они один за другим отлагались на дне морей, то это значит, что слой, лежащий внизу, отложился раньше, а слой, лежащий выше, образовался позднее, следовательно, он моложе.
Действительно, если не будет нижнего слоя, то ясно, что накрывающий его верхний слой не может образоваться, поэтому чем ниже расположен осадочный слой, тем больше его возраст. Самый верхний слой считается самым молодым.
В определении относительного возраста горных пород большое значение имеет изучение последовательного залегания осадочных пород разного состава и содержащихся в них окаменелых остатков животных и растительных организмов В результате кропотливой работы ученых по определению геологического возраста горных пород и времени развития растительных и животных организмов была составлена геохронологическая таблица. Она была утверждена на II Международном геологическом конгрессе в 1881 году в Болонье. В ее основе этапы развития жизни, выявленные палеонтологией. Эта таблица-шкала постоянно совершенствуется. Современное состояние таблицы приведено на с. 43.
Единицами шкалы являются эры, делящиеся на периоды которые подразделяются на эпохи. Пять самых крупных из этих подразделений - эры - носят названия, связанные с характером существовавшей тогда жизни. Например, архей - время более ранней жизни, протерозой - эра первичной жизни, палеозой - эра древней жизни, мезозой - эра средней жизни, кайнозой - эра новой жизни.
Эры подразделяются на менее длительные отрезки времени - периоды. Названия их различны. Одни из них происходят от названий горных пород, которые наиболее характерны для этого времени (например, карбоновый период в палеозое и молевый период в мезозое). Большинство периодов названо по тем местностям, в которых наиболее полно развиты отложения того или иного периода и где впервые эти отложения были охарактеризованы. Древнейший период палеозоя - кембрийский - получил название от Кембрии - древнего государства на западе Англии. Названия следующих периодов палеозоя - ордовикский и силурский - происходят от названий древних племен ордовиков и силуров, населявших территорию нынешнего Уэльса.
Чтобы различать системы геохронологической таблицы, приняты условные знаки. Геологические эры обозначаются индексами (знаками) - начальными буквами их латинских названий (например, архей - AR), а индексы периодов - первой буквой их латинских названий (например, пермский - Р).
Определение абсолютного возраста горных пород началось в начале XX века, после открытия учеными закона распада радиоактивных элементов. В недрах Земли находятся радиоактивные элементы, например, уран. С течением времени он медленно, с постоянной скоростью, распадается на гелий и свинец. Гелий рассеивается, а свинец остается в породе. Зная скорость распада урана (из 100 г урана в течение 74 млн лет выделяется 1 г свинца), по количеству свинца, содержащегося в горной породе, можно подсчитать сколько лет назад она образовалась.
Использование радиометрических методов дало возможность определять возраст многих горных пород, слагающих земную кору. Благодаря этим исследованиям удалось установить геологический и планетарный возраст Земли. На основе относительного и абсолютного методов летосчисления и была составлена геохронологическая таблица.
1. На какие этапы делится геологическая история развития Земли?
2. Какой этап развития Земли является геологическим? 3.* Как определяют возраст горных пород?
4. Сравните по геохронологической таблице продолжительность геологических эр и периодов.

План лекции.

7.1. Основные этапы эволюции Земли.

7.2. Относительный возраст горных пород и методы его определения.

7.3. Понятие об абсолютном возрасте горных пород.

7.1. Основные этапы эволюции Земли

Всю историю Земли можно подразделить на два этапа: догеологический и геологический.

ДОГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ЭТАП (космический, планетарный) охватывает промежуток времени от момента возникновения Земли как планеты до начала формирования земной коры. Его история не может быть восстановлена геологическими методами, и наши знания о нем основываются на общих представлениях о развитии Земли как одной из планет Солнечной системы. Главным содержанием догеологической эволюции Земли явилось расслоение ее вещества на оболочки-геосферы, завершившиеся образованием атмосферы и гидросферы. Данный процесс протекал параллельно с прогрессивным уплотнением родоначального сгущения.

Разогрев, следовавший за уплотнением, усиленный радиоактивными процессами, способствовал и ускорял процесс расслоения вещества Земли.

Легкие газы были рассеяны в мировом пространстве. Однако некоторые газы и летучие вещества были захвачены мантией Земли и затем "выжаты" к поверхности под действием возрастающих температур и давлений. Удаление этих веществ привело к образованию атмосферы.

В составе первичной атмосферы Земли преобладали углекислый газ и пары воды, поэтому она была непроницаема для солнечных лучей. Разогрев земной поверхности происходил за счет внутренней теплоты, регенируемой в процессе сжатия, гравитационной дифференциации вещества и радиоактивного распада. За счет внутренней теплоты поддерживалась изотермическая обстановка в нижних слоях атмосферы. Поэтому не могли иметь места гидрометеорологические процессы в современном смысле.

ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ЭТАП охватывает отрезок от начала формирования земной коры до настоящего времени, когда на планете проявляются две основные группы процессов - эндогенные и экзогенные.

С появлением экзогенных процессов поверхность Земли становится ареной развития процессов разрушения, транспортировки продуктов разрушения и формирования толщ осадочных горных пород. Единство, в котором действуют экзогенные и эндогенные процессы, делает возможным последующие превращения осадочных пород, т.е. явления метаморфизма, магмообразования, вулканизма, что постепенно и постоянно усложняет строение земной коры. В результате формируется сложнопостроенная неоднородная по составу земная кора современного облика.

Сложный процесс развития земной коры реконструируется на основе изучения сохранившихся от этого процесса геологических документов: вещество земной коры, т.е. минералов и горных пород; геологических тел, структурных форм различного порядка; остатков животных и растительных организмов, захороненных в земной коре.

Для того чтобы разобраться в сложных сочетаниях горных пород, извлечь из этого практически важные сведения, необходимо уметь определять последовательность образования слагающих земную кору геологических объектов - горных пород.

7.2. Относительный возраст горных пород и методы его определения

ОТНОСИТЕЛЬНЫЙ ВОЗРАСТ устанавливает последовательность геологических образований, в частности горных пород, в ходе геологической истории. Среда методов определения относительного возраста выделяют геологостратиграфические и биостратиграфические. К первой группе принадлежат стратиграфический и минералого-петрографический методы.

СТРАТИГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД основан на изучении последовательности напластования осадочных пород. Основное его правило заключается в том, что в ненарушенных толщах горных пород перекрывающие слои всегда моложе подстилающих. Если в геологических разрезах встречаются секущие тела магматических пород, то действует правило: секущее тело моложе тех, которые оно пересекает.

Главным недостатком этого метода является то, что с его помощью затруднительно сопоставлять удаленные друг от друга разрезы горных пород, а также породы, залегание которых осложнено тектоническими нарушениями.

МИНЕРАЛОГО-ПЕТРОГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД основан на определении относительного возраста отдельных слоев горных пород по характерным особенностям их состава и строения. Этот метод параллелизации слоев применим только в близко расположенных точках, и становится ненадежным в удаленных друг от друга геологических разрезах. Установлено, что часто горные породы одинакового возраста имеют разный состав и, наоборот, одновозрастные породы могут различаться по петрографическому составу, что указывает на различие в условиях их формирования. БИОСТРАТИГРАФИЧЕСКИЕ ПАЛЕОНТОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ основаны на изучении остатков органических форм, заключенных в осадочных породах в виде окаменелостей и отпечатков организмов, т.е. палеонтологических остатков, содержащихся в горных породах. Органическая жизнь в истории Земли развивалась постепенно - от простейших примитивных форм к более высокоорганизованным современным формам. Поэтому остатки организмов, захороненные в осадках в виде отпечатков и окаменелостей, могут служить надежным основанием для определения относительного возраста горных пород: горные породы, заключающие остатки наиболее примитивных организмов, будут древнее пород, содержащих остатки более высокоорганизованных растений и животных. Выяснено, что для пород определенного геологического возраста более характерны не отдельные окаменелости и отпечатки, а особые группы органических остатков, соответствующие ассоциациям (биоценозам) организмов, сменяющих друг друга в геологическом времени. Ведущая роль принадлежит руководящим ископаемым. Для них характерно: 1)быстрая эволюция во времени и, следовательно, ограниченное вертикальное распространение в геологических разрезах; 2)широкое распространение по площади.

Среди указанных методов важное значение имеют микропалеонтологический, основанный на изучении простейших микроорганизмов, И спорово - пыльцевой анализ, объектом изучения которого являются микроскопические растительные остатки: наружные оболочки спор и зерна цветочной пыльцы.

Часто при определении возраста возникает необходимость применения комплекса методов, но даже и в этом случае в земной коре существуют толщи, возраст которых неустановлен.

В ходе изучения истории земной коры была разработана периодизация ее истории, созданы единая для всего земного шара СТРАТИГРАФИЧЕСКАЯ и соответствующая ей ГЕОХРОНОЛОГИЧЕСКАЯ ШКАЛА.

Стратиграфические и соответствующие им геохронологические подразделения следующие:

СТРАТИГРАФИЧЕСКИЕ ГЕОХРОНОЛОГИЧЕСКИЕ

Эонотема Эон

Группа (эратема) Эра

Система Период

Отдел Эпоха

Стратиграфические подразделения применяются для обозначения комплексов слоев горных пород, а геохронологическая - для обозначения времени, в течение которого эти- комплексы накопились.

ЭОНОТЕМИ - наиболее крупные стратиграфические подразделения, образование которых происходило в течение нескольких геологических эр. Выделяют две эонотемы: фанерозойскую (греч. «фанерос» - явный, «зоэ» - жизнь), объединяющий палеозойскую, мезозойскую и кайнозойскую группы, и криптозойскую (греч. «криптос» -скрытый), объединяющий протерозойскую и архейскую группы.

ГРУППЫ - крупные подразделения стратиграфической шкалы - это комплексы отложений, образовавшихся в течение одной эры. Они охватывают крупные эры развития земной коры. Это нашло в названиях групп: архейская («археос»-древнейший), протерозойская («протерос»-первичный), палеозойская («палеос»-древний), мезозойская («мезос»-средний), кайнозойская («кайнос»-новый).

Группы делятся на системы , объединяющие отложения, образовавшиеся в течение одного периода. Названия систем связаны с названием тех мест, где соответствующие отложения впервые были установлены и описаны. Например, девонская система названа по имени графства Девоншир в Англии, каменноугольная - по широкому распространению в ней отложений угля. Палеозойская группа состоит из шести систем: кембрийская, ордовикская, силурийская, девонская, каменноугольная и пермская. В мезозойскую входят: триасовая, юрская и меловая. Кайнозойская состоит из палеогеновой, неогеновой и четвертичной систем. Архей и протерозой не имеют общепринятых подразделений для всей планеты. Обычно эти группы называют докембрием. Еще более дробными подразделениями являются ОТДЕЛЫ и ЯРУСЫ. Каждую систему подразделяют на три отдела: нижний, средний и верхний.

Наряду с международной шкалой, используются вспомогательные подразделения - СЕРИИ, СВИТЫ, ПАЧКИ. На геологических картах породы различного возраста окрашиваются в соответствующие общепринятые цвета и обозначаются определенными индексами.

7.3. Понятие об относительном возрасте горных пород

Во многих случаях для решения вопросов теоретической и практической геологии необходимо установить АБСОЛЮТНЫЙ возраст пород, выраженный в обычных единицах времени.

Исторически первыми для этих целей были применены ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ методы, большинство из которых основано на изучении скорости геологических процессов. При этом полагается, что скорость процессов неизменна во времени. Например, был сделан подсчет возраста земной коры по суммарной мощности морских осадочных пород. При этом подсчете исходят из постулата постоянной скорости накопления осадков - 1 м в 7 тыс. лет.

СОЛЕВОЙ метод основан на предположении, что все соли Мирового океана возникли за счет солей, приносимых водами с суши и ежегодный принос солей не менялся со временем. Геологические методы далеки от точности, и в силу многих допущений они являются ненадежными.

Кардинальное решение вопроса определения абсолютного возраста пород стало возможным в XX в., в связи с использованием радиоактивных элементов, содержащихся в минералах.

Все РАДИОЛОГИЧЕСКИЕ методы основаны на явлении самопроизвольного распада радиоактивных элементов и исходят из предпосылки, что скорость этого процесса (период полураспада) для каждого радиоактивного элемента является величиной постоянной. Период полураспада Т, т.е. времени, в течение которого распадается половина атомов данного вещества, определяется:

Где - константа, характеризующая скорость радиоактивного распада; - средняя продолжительность жизни радиоактивных атомов.

Очевидно, что в каждом минерале, содержащим радиоактивный элемент, распад начинается с момента образования минерала. Исходя из Известной скорости распада, зная содержание элемента и продуктов его Распада в минерале, можно установить его возраст.

В настоящее время применяются следующие радиологические методы:

1. Ураново–ториево-свинцовый метод - основан на превращении урана и тория в радиоактивный свинец:

Для вычисления возраста относительно молодых минералов применяется формула:

Изотопы радиоактивных методов определяются с помощью специальных приборов - масс-спектрометров. Этот метод надежен, однако минералы, пригодные для анализа, сравнительно редки.

2. Калий-аргоновый метод основан на том, что изотоп калия с атомной массой 40 в результате захвата ядром электрона с ближайшего к нему К-уровня превращается в аргон . Возраст определяют по отношению . Чем оно больше, тем древнее объект.

Расчетная формула для определения возраста данным методом

имеет вид:

где и найденные весовые количества изотопов аргона и калия.

3.Рубидиево-стронцевый метод - основан на превращении изотопов рубидия с атомной массой 81 в стронций с тем же атомным номе ром. Применяется при определении возраста магматических и метаморфических пород.

4.Углеродистый метод - используется для определения возраста четвертичных отложений и в археологии. Это связано с тем, что период полураспада изотопа углерода составляет всего 5,5-6 тыс. лет. При этом можно определять возраст образований не превышающий50-70 тыс. лет. Изотоп образуется в атмосфере под действием космических лучей и хорошо усваивается растениями, а после их отмирания переходит в горные породы.

Радиологические методы позволили выразить в годах продолжительность наиболее крупных отрезков в истории земной коры. Этими методами установлено, что формирование земной коры началось 3,6-4,5 млрд. лет назад.

Под термином геологических источников информации понимаются материальные образцы и сведения, позволяющие оценить исторические данные и составить подробный геологический план. К источникам информации относят:

Карты ископаемых – в них содержится подробная информация о локализации месторождений, существующих закономерностях и перспективных для разработки участков. Все геологические карты имеют масштаб, в зависимости от величины которого выделяют: обзорные территориальные карты, отражающие информацию о материках, государствах и пр.;

Среднемасштабные карты – фиксируют территориальные характеристики отдельных участков, например, Алтая, Кавказа и т.д.; карты малого масштаба – региональные данные или геологические сведения малых государств.

Относительное летоисчисление

В палеозое:

2. Ордовик – позвоночные;

3. Силур – наземные растения;

В мезозое:

2. Юра – первые птицы;

В кайнозое:

1. Палеоген – первые цветы;

Абсолютное летоисчисление

Годичные кольца обнаруживаются в породе, сформированной осадками. На исследуемых участках рассматриваются сезонные отложения. В летний период осадочный слой сформирован песчаником и имеет большую толщину. Зимой, когда движение породы менее интенсивное, оседает ил и глина. Возраст слоя определяется по количеству глинистых и песчаных слоев. Для получения точных данных, при использовании осадочного метода, процессу накопления породы ничего не должно мешать. В случае нарушения ритмики и прерывания процесса, данные могут быть искажены. Еще одним ограничением данного метода является период изучения, невозможно определить возраст породы старше нескольких десятков тысячелетий.

Метод радиационного датирования основан на учете скорости распада радиоизотопов внутри породы. Идея использования радиационного фона в качестве инструмента геологии была предложена П. Кюри в 1902 году. Преимуществом методики является факт постоянства скорости распада радиоактивных частиц, на которую не влияют климатические или иные факторы. По сути метод радиационного датирования состоит из множества методов, в частности: уран-свинцового, рубидий-стронциевого, калий-аргонового, свинцово-изотопного, самарий-неодимового, радиоуглеродного. В основе методики лежат естественные физические процессы, обуславливающие преобразование атмосферного азота в радиоактивный осадок с периодом распада в 5,57 тысяч лет.

Метод применяется для датировки торфа, древесины и прочих углеродосодержащих композиций. На основании методики была выявлена продолжительность каждой из существующих эр, а также определены границы периодов, входящих в их состав. Геологические источники информации Под термином геологических источников информации понимаются материальные образцы и сведения, позволяющие оценить исторические данные и составить подробный геологический план. К источникам информации относят:

Данные о залежах полезных ископаемых – их объем, локализация, условия залегания и способы добычи;
Фактический материал – пробы грунта и т.д.;
Отчеты об измерениях над геологическими объектами;
Таблицы, отчеты, графики, карты и прочий аналитический материал;
Сведения о затратах на разведку и добычу ископаемых.

Наиболее доступными источником получения рассматриваемой информации считаются геологические карты.

Геологическая карта – графический комплекс данных отражающий характеристики и строение в границах определенной зоны или в планетарном масштабе. Данные отраженные в карте имеют свои условные обозначения и наносятся при помощи специальных символов. Геологическая карта отражает информацию о возрасте, размерах, составе и условиях нахождения на поверхности Земли, выходов горной породы.

На основании геологических карт могут строиться выводы о закономерностях накопления и распространения полезных ископаемых, как на отдельно взятой территории, так и на всей планете. Информация, содержащаяся в карте, дает возможность оценить и проследить этапы формирования коры земли.

Для создания карт применяются данные, полученные во время геологоразведочных экспедиций, при анализе теоретического материала и т.д. В зависимости от назначения и содержания карт, выделяются следующие их виды:

Стратиграфические собственно-геологические карты – затрагивают период до четвертичных пород. В материалах не раскрывается информация касательно континентальных отложений, исключением может являться их значительная мощность или не изученность пород подстилающего типа. На карте символически отображается происхождение, состав, возраст, условия залегания и особенности разграничения;
Карты четвертичных отложений – отображаются, разделенные по возрасту, составу и генезису, горные породы четвертичного периода. Изучая материал можно увидеть этапы оледенения, локализацию и распространение ледниковых пород, морские регрессии и трансгрессии;
Карты литографии – отражают информацию об условиях залегания и составе поверхностных обнажений или пород расположенных ниже четвертичного уровня;
Карты геоморфологии – информируют об основных типах рельефа или отдельных элементах с учетом происхождения и возраста;
Карты тектоники – показывают формы, условия и время образования структурных компонентов коры Земли;
Гидрогеологическая карта – раскрывает информацию о составе и режимах подземных резервуаров, водоносных горизонтах, условиях залегания вод;
Инженерно-геологические карты – показывают свойства горных пород и явлений геодинамики;
Карты ископаемых – в них содержится подробная информация о локализации месторождений, существующих закономерностях и перспективных для разработки участков.

Все геологические карты имеют масштаб, в зависимости от величины которого выделяют: обзорные территориальные карты, отражающие информацию о материках, государствах и пр.; Среднемасштабные карты – фиксируют территориальные характеристики отдельных участков, например, Алтая, Кавказа и т.д.; карты малого масштаба – региональные данные или геологические сведения малых государств.

Относительное летоисчисление

Хронологическая последовательность геологических событий нашла отражение в единой, систематизированной и признанной международным сообществом геохронологической таблице или шкале. Данный материал показывает длительность периодов развития и продолжительность эр, а также их последовательность.

Согласно шкале, выделяется пять эр, это: архей – 1800 млн (бактерии, водоросли); протерозой – 2000 млн (первые многоклеточные); Палеозой – 330 млн; Мезозой – 165 млн; Кайнозой – 70 млн.

Геологической эрой определяют один из этапов жизни и развития органического мира и земной коры. Эры, начиная с палеозоя, получили разделение на периоды. Всего существует 12 периодов:

В палеозое:
1. Кембрийский –беспозвоночные обитатели моря;

2. Ордовик – позвоночные;

3. Силур – наземные растения;

4. Девон – рыбы и земноводные;
5. Карбон – земноводные, папоротники;
В мезозое:

1. Триас – первые млекопитающие;

2. Юра – первые птицы;

3. Мел – гибель крупных рептилий, доминирование птиц и млекопитающих.

В кайнозое:

1. Палеоген – первые цветы;

2. Неоген - развитие и широкое распространение цветов, млекопитающих и птиц;

3. Антропоген – зарождение и развитие человека.

Отношение разных временных единиц, при рассмотрении геологических событий, обозначается термином относительной геохронологии. В основе методики лежит литостратиграфия – стратиграфический анализ, основанный на сопоставлении слоев близких по составу и характеристикам.

Литостратиграфия – методика выделения, расчленения условных отрезков времени. Возможность прослеживать и оценивать относительную последовательность образование наложений и сопоставлять связанные события, появилась в 17-м столетии. Закон подтверждающий существование последовательности был сформулирован Николаусом Стено в 1669 году. Именно он определил взаимосвязь глубины залегания породы и ее возраста. Также был выявлен стратиграфического перерыва – нарушение последовательности напластований.

Несмотря на признанную важность закона Стено, данный принцип ограничен рядом особенностей. Принцип актуален для регионов с низкой тектонической активностью, с характерным горизонтальным образованием слоев. При смятии слоев в результате тектонических явлений и их перемешивании, данные полученные методом Стено будут неточными. В данном случае используют палеонтологические методы исследующие окаменелости и определяющие возраст породы по остаткам биологического материала. Эволюционный анализ позволяет определить относительный возраст более точно и используется в качестве основного.

Абсолютное летоисчисление

Абсолютным летоисчислением называется методика, позволяющая устанавливать возраст породы с точностью до нескольких лет.

Данный тип летоисчисления оперирует двумя разновидностями методов: осадочный радиологический.

В первом случае учитывается скорость накопления осадков, метод имеет другое название – сезонно-климатический. Все живое на Земле имеет естественные механизмы фиксации периодов жизни, яркий пример годичные кольца деревьев. Образования, зависящие от изменения климата и течения времени, позволяют определить возраст исследуемого объекта.

Для получения точных данных, при использовании осадочного метода, процессу накопления породы ничего не должно мешать. В случае нарушения ритмики и прерывания процесса, данные могут быть искажены. Еще одним ограничением данного метода является период изучения, невозможно определить возраст породы старше нескольких десятков тысячелетий.

По сути метод радиационного датирования состоит из множества методов, в частности: уран-свинцового, рубидий-стронциевого, калий-аргонового, свинцово-изотопного, самарий-неодимового, радиоуглеродного. В основе методики лежат естественные физические процессы, обуславливающие преобразование атмосферного азота в радиоактивный осадок с периодом распада в 5,57 тысяч лет.

7. Геологическая хронология земной коры

Геохронология – последовательность геологических событий во времени, их продолжительность и соподчиненность:

– относительная геохронология отражает естественные этапы в истории развития Земли, основанная на принципе последовательности напластовывания и использует метод биостратиграфических построений;

– абсолютная геохронология определяет возраст и длительность подразделений геохронологической шкалы в промежутках времени, равных современному астрономическому году (в астрономических единицах). Она основана на изучении продуктов радиоактивного распада в минералах.

Геохронологическая (геоисторическая) шкала – иерархическая система геохронологических подразделений, эквивалентных единицам общей стратиграфической шкалы.

Стратиграфическое подразделение (единица) – совокупность горных пород, составляющих определенное единство по комплексу признаков (особенностям вещественного состава, органических остатков), который позволяет выделить ее в разрезе и проследить по площади.

Закономерности развития и образования земной коры изучает историческая геология . Возраст горных пород бывает абсолютным и относительным.

Абсолютный возраст – продолжительность существования (жизни) породы, выраженная в годах. Для его определения применяют методы, основанные на использовании процессов радиоактивных превращений, которые имеют место в некоторых химических элементах (уран, калий, рубидий), входящих в состав пород. Возраст магматических пород, а также химических осадков равен возрасту составляющих их минералов. Другие породы моложе входящих в их состав минералов.

Соотношение количеств совместно находящихся радиоактивного исходного изотопа и образовавшегося из него устойчивого элемента дает представление о возрасте вмещающих их пород. Методы определения абсолютного возраста получили свое название от продуктов радиоактивного распада: урано-свинцовый (свинцовый), гелиевый, калий-аргоновый (аргоновый), калий-кальциевый, рубидиево-стронциевый и др. Так, зная, какое количество свинца образуется из 1 г урана в год, определяя их совместное содержание в данном минерале, можно найти абсолютный возраст минерала и той горной породы, в которой он находится. По углероду 14 С, период полураспада которого равен 5568 лет, можно установить возраст образований, появившихся позднее. Установить абсолютный возраст горных пород можно по геохронологической шкале земной коры (табл.). Определение абсолютного возраста горных пород весьма трудная задача, решение которой стало возможным только в 50-тые годы XX века.

Геохронологическая шкала земной коры

(эонотемы)		Период (система)		Типичные организмы	Абс. возраст, млн. лет
Неохрон (фанерозой)	Кайнозойская Kz («эра новой жизни»)	Четвертичный (антропогенный) Q
		Третичный Tr		Млекопитающиеся, цветковые растения
			Палеоген P
	Мезозойская Mz («эра сред-ней жизни»)	Меловой К		Головоногие, моллюски и пресмыкающиеся

		Триасовый T
	Палеозойская Pz («эра древней жизни»)	Пермский P		Амфибии и споровые
		Каменноугольный C
		Девонский D		Рыбы, плеченогие
		Силурийский S		беспозвоночные
		Ордовикский O
		Кембрийский Cm
Палеохрон (криптозой)	Протерозойская PR			Редкие остатки примитивных форм
	Архейская (археозойская) AR
Планетарная стадия Земли					Свыше 4500

Чем моложе определяемый возраст минерала, тем большее количество его требуется для анализа, так как не успевают накопиться продукты распада.

Минимальное количество минерала, требуемое для определения их возраста, г

	Примерно ожидаемый возраст, млн. лет

При оценке относительного возраста различают более древние и более молодые горные породы. Проще определять относительный возраст у осадочных пород при ненарушенном их залегании (близко к горизонтальному залеганию). При складчатом расположении – иногда невозможно. Затруднительно и при наличии пород, слагающих участки, удаленные друг от друга.

Палеонтология – наука, устанавливающая закономерность развития жизни на Земле путем изучения останков животных и растительных организмов (окаменелости), имеющихся в толщах осадочных пород. Время образования той или иной породы соответствует времени гибели организмов, останки которых оказались захороненными при накоплении осадков. Трилобиты, папоротники, хвощи, лепидофиты, археоцитат, эхиносферит, кальцеола, кистеперые рыбы, каменный уголь …).

При этом используют два метода:

Стратиграфический метод применяют для толщ с ненарушенным горизонтальным залеганием слоев (рис. 11). Этот метод нельзя применить при складчатом расположении слоев. Считают, что нижележащие слои являются более древними, чем вышележащие. Молодым является слой 3 , а слои 1 и 2 более древние.

Рис. 11. Залегание слоев: а) – горизонтальное залегание слоев; б) – в виде складок

Палеонтологический метод позволяет определять возраст осадочных пород по отношению друг к другу независимо от характера залегания слоев и сопоставлять возраст пород, залегающих на различных участках. Каждому отрезку геологического времени соответствует определенный состав жизненных форм.

Все геологическое время разделили на отрезки. Для слоев пород, которые образовались в эти отрезки времени, были предложены свои названия, что позволило создать стратиграфическую шкалу (табл.).

Стратиграфическая шкала

Геохронологическая шкала времени (геохронологические подразделения)	Стратиграфическая шкала слоев пород* (единицы общей шкалы)
	Эонотема
	Эратотема (группа)



Фаза (время)	Зона (хронозона)
	Звено (для четвертичной системы)

* - различают и дополнительные единицы: подотдел – часть отдела; надъярус – несколько ярусов; подъярус – часть яруса; подзона – часть зоны

Наиболее крупные промежутки времени – эоны , а толщи пород, образовавшиеся за это время – эонотемы . Каждый эон делят на эры . Каждая эра подразделяется на периоды, периоды – на эпохи , группы – на системы и т.д. Самый короткий отрезок – век. Век – промежуток времени, в течение которого отложилась толща горных пород, образующих ярус. Продолжительность века в палеозое ~ 10 млн. лет, в мезозое и кайнозое ~ 5…6 млн. лет.

Представленная шкала многократно корректируется.

Инженеры-строители должны знать, что понимают под возрастными индексами горных пород и использовать это в своей работе, чтении геологической документации (карт и разрезов) при проектировании зданий и сооружений.

Особый интерес вызывает четвертичный период (табл.).

Схема расчленения четвертичного периода (системы)


Древнечетвертичная	Нижнечетвертичный
Среднечетвертичная	Среднечетвертичный
Позднечетвертичная	Верхнечетвертичный
Современная	Современный

Отложения четвертичного периода распространены почти повсеместно, их толщи содержат останки древнего человека и предметы его обихода. К толщам этих отложений приурочены месторождения россыпного золота и других ценных металлов. Многие породы четвертичного периода являются сырьем для производства строительных материалов. Большое место занимают отложения культурного слоя , появляющегося в результате деятельности человека. Он отличаются значительной рыхлостью и большой неоднородностью. Его наличие может осложнить строительство зданий и сооружений.

Рис. 12. Окаменелости палеогенового и неогенового периодов: а ), б ), в ), г ), д ), е ), и ) – брюхоногие моллюски; ж ), з ), к ), л ) – двустворчатые моллюски

Рис. 13. Окаменелости триасового периода: а ), в ), г ), д ), з ) – двустворчатые моллюски; б ) – брахиопода; е ) – аммонит, ж ) – криноидея

Рис. 14. Окаменелости юрского периода: а ) – устрицы; б ), е ), з ), к ) – аммониты; в ) – белемнит; г ) – посейдония; д ) – двустворчатый моллюск; ж ), и ) – брахиоподы

Рис. 15. Окаменелости мелового периода: а ), е ) – двустворчатые моллюски; б ), в) – белемниты; г ), д ), з ) – аммониты; ж ) – морские ежи

Рис. 16. Окаменелости палеозойской эры: а ) – трилобит; б ), в ), д ), ж ), л) – брахиоподы; г ) – цефалопода; е ) – криноидея; з ) – аммонит; и ) – морской бутон; к ) – сигиллярия

ОПРЕДЕЛЕНИЕ АБСОЛЮТНОГО ВОЗРАСТА ГОРНЫХ ПОРОД

Наиболее распространенный стратиграфический метод основан на принципе перекрывания одних слоев и пачек осадочных пород другими. В связи с развитием органического мира в различных осадках встречаются остатки различных представителей растительного и животного царства, отражающие их эволюцию. На основании этих двух фактов была выработана стратиграфическая шкала, самой крупной единицей которой является эра. Всего выделяется пять эр:

а) археозойская, или архейская (от древнегреческих слов: «архе», начало и «зое», жизнь) – эра начала жизни;

б) протерозойская (от «протерос», первый) – эра первичной жизни;

в) палеозойская (от «паляйос», древний) – эра древней жизни;

г) мезозойская (от «мезос», средний) – эра средней жизни;

д) кайнозойская (от «кайнос», новый) – эра новой жизни.

В свою очередь эры разделены на периоды, а периоды – на эпохи.

Стратиграфическая шкала является относительной: она указывает лишь на последовательность образования горных пород и развитие органического мира. Стратиграфическая шкала наиболее близка к реальной жизни только для наиболее поздних геологических явлений. К таковым относятся ледниковые отложения Северной Европы. Изучение озерных осадков (ленточных глин), позволило довольно точно установить возраст оледенения. Чередование тонких прослоев глинистых и песчаных частиц соответствует зимнему и летнему периодам. Таким образом, подсчитано, что Валдайское оледенение на северо-западе России началось около 90 тыс. лет тому назад. Однако по мере изучения все более древних осадочных отложений такой способ становится все менее и менее совершенным в силу большой измененности первичных осадков.

Также несовершенны и другие приемы оценки геологического времени, в частности по количеству глинистых и песчаных частиц, приносимых реками в океан, и сопоставлению этих величин с общей мощностью осадочных пород.

Точное установление возраста геологических формаций стало возможным только после открытия радиоактивности. Изучение радиоактивных веществ показало, что на скорость радиоактивного распада не влияют ни температура, ни давление, ни электрические и магнитные поля, ни, наконец, действие химических реагентов. Поэтому, зная количество накопившихся продуктов распада радиоактивного вещества и период полураспада их, можно вычислить время, за которое эти продукты распада образовались, т. е. вычислить абсолютное время существования радиоактивного вещества (минерала).

Зная количество продуктов радиоактивного распада, количество нераспавшихся атомов и константу распада, можно вычислить абсолютный возраст образования данного изотопа. Для этого нужно, чтобы конечные продукты распада не покидали радиоактивного вещества и были учтены полностью. Кристаллическая структура минералов является приближенно закрытой системой и продукты распада практически не покидают ее. Чем больше в минерале находится продуктов распада, тем древнее этот минерал.

Поскольку периоды полураспада для изотопов урана, тория и калия очень велики, то продукты радиоактивного распада этих элементов не могут в достаточном количестве (для их точного учета) накопиться за короткий промежуток времени. Поэтому определения возраста по радиоактивным изотопам урана, тория и калия затруднены для молодых геологических образований и практически показывают уверенные значения, начиная с мезозоя.

Для определения абсолютного возраста нужно следить, чтобы образцы пород не были выветрелыми, разрушенными или подвержены механическим деформациям; минералы не должны содержать включений других минералов. Все это нужно для того, чтобы получить материал, не потерявший продуктов радиоактивного распада. Наиболее желателен отбор минералов, имеющих кристаллическую форму, ибо в этом случае мы можем быть наиболее уверенными в сохранности продуктов радиоактивного распада.

В настоящее время для определения абсолютного возраста используют следующие методы определения абсолютного возраста: урано-свинцовый (свинцовый), гелиевый, калий-аргоновый (аргоновый), калий-кальциевый, рубидиево-стронциевый и т. д.

Урано-свинцовый метод. Для определения абсолютного возраста урано-свинцовым методом нужно знать весовые количества урана, тория и свинца в минерале, а также изотопный состав свинца. Определение изотопного состава свинца, как, впрочем, и других элементов, производится на специальных приборах – масс-спектрометрах. Природный свинец состоит из четырех изотопов: 204 РЬ, 206 РЬ, 207 РЬ и 208 РЬ; три последних обязаны своим происхождением радиоактивному распаду урана и тория, а 204 РЬ является нерадиогенным, количество его в геологической истории Земли постоянно.

Зная весовое количество урана в минерале, определяемое химически, мы, тем самым, знаем, сколько у нас изотопов 238 U и 235 U, ибо содержание в природном уране в настоящее время всегда равно 0,714 %.

Для определения возраста урано-свинцовым методом могут быть использованы следующие минералы: уранинит, монацит, ортит, циркон, пирохлор, эшинит, ксенотим, самарскит и др. Для приближенного определения возраста можно использовать отношение 207 РЬ/ 206 РЬ, извлекая свинец из таких минералов, как полевые шпаты.

Калий-аргоновый метод основан на ядерном превращении 40 К в 40 Аг и 40 Са. Природный калий состоит из изотопов: 39 К – 93,08 %, 40 К – 0,0119 % и 41 К – 6,91 %. Из них только 40 К является разноактивным изотопом, большая часть его (88 %) превращается в 40 Са и около 12 % – в 40 Аг. Отсюда и возникли калий-кальциевый и калий-аргоновый методы. Калий-аргоновый метод в настоящее время весьма широко распространен. Аргон выделяют из образца на специальных установках прокаливанием при температуре 1200…1400 °С в вакууме. Возраст минерала определяется по отношению 40 Аг/ 40 К. Калий определяется химически дипикриламинатным или тетрафенилборатным методами, а чаще методом фотометрии пламени.

Для определения возраста породы калий-аргоновым методом используют калийсодержащие минералы: мусковит, биотит, глауконит, сильвин, амфиболы. В некоторых случаях, когда трудно выделить отдельные минералы, определяют возраст породы в целом (например, глинистый сланец).

Рубидиево-стронциевый метод дает более надежные результаты, чем калий-аргоновый. Для определения возраста по рубидиево-стронциевому методу могут быть использованы минералы калия, рубидий.

Как уже отмечалось, урано-свинцовый и калий-аргоновый, а также рубидиево-стронциевый методы мало удобны для установления возраста новейших геологических образований.

Для определения наиболее молодых геологических образований применяется радиоуглеродный метод, сущность которого состоит в следующем. В верхних слоях атмосферы под действием корпускулярного излучения Солнца на 14 N образуется 14 С. Период полураспада 14 С равен примерно 5500 лет. Через этот промежуток времени количество 14 С распадается наполовину, снова образуя 14 N. Радиоактивный углерод 14 С примешивается в атмосфере к обычному углероду и попадает во все объекты природы (организмы животных, растения, горные породы).

Пока организмы живы, содержание 14 С в них постоянно, благодаря постоянному обмену с окружающей средой. Однако после их смерти обмен со средой прекращается и содержание 14 С начинает уменьшаться. Замеряя количество 14 С, можно определить возраст растительных остатков, прошедший со времени их смерти. Материалом для анализа является хорошо сохранившееся дерево, древесный уголь, торф, карбонатные илы. Этот метод применяется для установления возраста речных террас, морен, торфообразования, а также для датировки археологических памятников.

Погрешность составляет 100 лет. Радиоуглеродным методом устанавливают возраст объектов от 1000 до 30 000 лет.

Наиболее древние значения возраста горных пород и минералов близки к 3,5млрд. лет (Кольский полуостров). Возраст отдельных минералов древних щитов Канады, Южной Африки также близок к 3 млрд. лет. Наиболее древний возраст имеют геологические объекты на щитах, которые считаются древнейшими геологическими структурами Земли. Если возраст гранитов достигает 3,5млрд. лет, то естественно, что возраст земной коры должен быть значительно большим, ибо граниты внедрились в какие-то уже существовавшие породы, а если же они образовались ультраметаморфическим путем, т. е. в результате гранитизации, то, следовательно, гораздо раньше их уже существовали какие-то осадки. Древнейшие горные породы, которые удалось датировать, находятся в горном районе Нэрриер в Австралии. Возраст их 4,2 млрд. лет. В настоящее время считают, что возраст Земли составляет около 4,5млрд. лет. Эти данные хорошо согласуются с данными о возрасте небесных пришельцев-метеоритов, которые не древнее 4,5млрд. лет.

Как показали исследования, возраст горных пород Луны также оказался близким к 4,5млрд. лет. Последнее обстоятельство, как и другие геохимические данные, указывает на единство земного, лунного и метеоритного вещества. Возраст Солнца примерно в десять раз больше возраста Земли.