ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ЛЕТОИСЧИСЛЕНИЕ.

 

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

Ярус Век

 

 

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.