Методы определения возраста горных пород

Изучением продолжительности и последовательности геологических событий занимается геохронология (от греч.geo+chronos+logos – земля+время+учение). Она в свою очередь подразделяется на абсолютную и относительную.

Абсолютная геохронология устанавливает время возникновения горных пород и других геологических явлений в астрономических единицах (годах).

Абсолютная геохронология

Абсолютные датировки были «подвешены» к геохронологической шкале много позже, когда появились радиометрические, а затем и другие методы определения абсолютного возраста. Эти методы относятся как бы к другой епархии — соответствующие анализы проделывают химики и физики, а вовсе не геологи с палеонтологами. Анализы эти дороги и сложны, и делают их достаточно редко. Да и не нужно делать их часто. Достаточно один раз точно датировать каждую стратиграфическую границу, чтобы затем легко переводить «нормальный», то есть относительный, определенный по флоре-фауне возраст в столь любимые читателями научно-популярных изданий миллионы лет.

Проблема в том, что все эти физико-химические методы пока еще не очень точны. Вот что написал в 1986 году в журнале «Знание-Сила» один из крупнейших российских стратиграфов Сергей Викторович Мейен:

«Еще в начале тридцатых годов в одном из авторитетных стратиграфических руководств было сказано, что по разным методам подсчета возраст земной коры получается от 40 миллионов до 7 миллиардов лет. Такой разброс цифр, конечно, обесценивает их».

Но еще более показательна другая цитата:

«Теперь мы знаем, что весь фанерозой продолжался примерно 570 миллионов лет... ошибка измерений для начала палеозоя составляет десять—пятнадцать миллионов лет».

Действительно, по шкалам образца 80-х годов XX века абсолютный возраст границы протерозоя и палеозоя оценивался как 570 млн лет с ожидаемой ошибкой не более 15 млн лет, то есть 555–585 млн лет.

Однако шкала образца 2004 года (см. в предыдущем разделе Глобальную геохронологическую шкалу палеозойской эры) дает датировку 542 плюс-минус 1 млн лет! Таким образом, если считать нынешнюю шкалу правильной, приходится признать, что в 1986 году ошибка составляла не 10-15, а целых 28 миллионов лет! За два десятилетия интенсивного развития абсолютной геохронологии нижняя граница раннего кембрия сместилась на величину, равную (по современным представлениям) продолжительности всей раннекембрийской эпохи!

При этом, заметьте, изучение палеонтологии раннего кембрия шло своим чередом, кембрий оставался кембрием, археоциаты — археоциатами, и, если честно, специалистам по кембрию от всех этих пертурбаций ни жарко, ни холодно. Но теперь, я думаю, читателю легче понять, почему палеонтологи больше доверяют своим периодам, эпохам, векам, горизонтам и свитам, чем пресловутым «миллионам лет».

Есть два фундаментальных принципа (фактически - это аксиомы, принимаемые без доказательства), которыми пользуются геологи при изучении истории. Во-первых, это принцип Стено, или закон напластования: если один слой (пласт) горных пород лежит на другом, то верхний слой образовался позднее, чем нижний. Во-вторых - принцип Гексли, или закон фаунистических и флористических ассоциаций: слои, содержащие ископаемые остатки одних и тех же видов животных и растений, образовались в одно и то же время.

Методы определения абсолютного возраста

1. Радиометрический метод. Радиоактивный распад элементов (их нестабильных изотопов), например, ²³⁸U, ²³⁵U, ²³²Th, ⁴⁰K, ⁸⁷Sr, ¹⁴C, ³H, идет с постоянной скоростью и не зависит ни от каких внешних воздействий. Это своего рода «атомный часовой механизм», позволяющий измерять возраст интересующего нас геологического объекта.

Экспериментально была выявлена скорость распада нестабильных изотопов (обычно ее характеризуют периодом полураспада, т.е. временем, в течение которого распадается половина атомов данного нестабильного изотопа).

Период полураспада обозначается Т _½.

Рассмотрим примеры.

Определение абсолютного возраста заключается в том, чтобы найти отношение массы вновь образованного химического элемента к массе материнского изотопа.

Отсчет времени в «атомных часах» начинается сразу же после кристаллизации данного минерала, который все последующее время вел себя как замкнутая система и сохранял все продукты распада и то количество исходного материнского изотопа, которое осталось после распада.

Радио-углеродный метод. Он используется для определения абсолютного возраста самых молодых отложений (не старше 100 тысяч лет), особенно для сохранившихся в них органических материалов. Это связано с тем, что Т _½ изотопа ¹⁴C небольшой и равен 5730 лет.

Радиоактивный изотоп углерода ¹⁴C образуется в верхних слоях атмосферы в результате бомбардировки ядер азота нейтронами космических лучей:

¹⁴N + n^{0 14}С + p⁺

Азот 14 нейтрон Углерод 14 протон

 

 

+ +

Ядро азота 14 нейтрон Ядро углерода 14 протон

 

Обозначения:

- нейтрон (частица, имеющая массу 1 углеродную единицу и не имеющая заряда)

- протон (частица, имеющая массу 1 у. е. и заряд 1⁺ , иначе, это ядро атома водорода).

 

_{14 Масса атома (обеспечена суммой протонов и нейтронов) 14}

N С

^{7 Порядковый номер в таблице Менделеева (равен числу протонов) 6}

 

Углерод ¹⁴С окисляется до ¹⁴СO₂ и распространяется в атмосфере. Растения используют ¹⁴СO₂ в ходе фотосинтеза наравне со стабильным изотопом ¹²C для производства органики. В результате соотношение ¹⁴C/¹²C в живых организмах оказывается таким же, как в атмосфере (порядка 10^–12).

После смерти организма приток углерода в него прекращается (система становится условно замкнутой), и начинается неуклонное экспоненциальное[3] снижение соотношения ¹⁴C/¹²C за счет распада радиоактивного изотопа ¹⁴C.

Калий-аргоновый метод. При распаде нестабильного изотопа ⁴⁰К его небольшая часть (11%) превращается в аргон ⁴⁰Ar, а остальные атомы - в изотоп ⁴⁰Ca.

Поскольку К присутствует в породообразующих минералах (полевые шпаты, слюды, пироксены и амфиболы), метод широко применяется. Период полураспада ~1.3млрд. лет.

Свинцовый метод - используется процесс распада ²³⁵U, ²³⁸U, ²³²Th на изотопы ²⁰⁷Pb и ²⁰⁶Pb, ²⁰⁸Pb. Используются минералы: монацит, ортит, циркон и уранинит. Период полураспада ~4,5 млрд. лет.

Рубидий-стронциевый - используется изотоп рубидия ⁸⁷Rb с образованием изотопа стронция ⁸⁷Sr (используемые минералы - слюды содержащие рубидий). Из-за большого периода полураспада (49.9 млрд. лет) применяется для наиболее древних пород земной коры.

Благодаря этим методам установлено, что возраст Земной коры превышает 4.6 млрд. лет, тогда как до применения этих методов он оценивался лишь в десятки и сотни млн. лет.

2. Метод ленточных глин – это метод определения абсолютного возраста пород основан на явлении изменения состава осадков, которые отлагаются в спокойном водном бассейне при сезонном изменении климата. За 1 год образуется 2 слоя. В осенне-зимний сезон отлагается слой глинистых пород, а в весенне-летний образуется слой песчаных пород. Зная количество таких пар слоев, можно определить - сколько лет формировалась вся толща.

 

 

Относительная геохронология определяет возраст пород и последовательность их образования стратиграфическими методами, а раздел геологии, изучающий взаимоотношения горных пород во времени и пространстве называется стратиграфией (от лат. stratum – слой + греч. grapho - пишу).

Методы относительной геохронологии распространяются только на время существования жизни на планете; они свидетельствуют о том, какой геологический слой старше и позволяют приблизительно определять время возникновения слоя.

Методы относительной геохронологии подразделяются на:

биостратиграфические или палеонтологические,

не палеонтологические.

Палеонтологические методы (биостратиграфия)

В основе метода лежат следующие идеи:

В древних геологических отложениях находятся остатки простых организмов, а в более молодых - организмы сложного строения. Этот принцип, называемый «принципом суперпозиции», сформулировал датский натуралист Николаус Стенон более 300 лет назад. Он справедлив для пород, находящихся в ненарушенном состоянии.

Границы эволюционных преобразований - это границы геологического времени накопления осадочных слоев и горизонтов. Значит, каждому геологическому слою – времени соответствуют лишь определенные живые организмы. Эта особенность используется для определения возраста пород.

Остатки живых организмов встречаются лишь в осадочных горных породах.

 

1. Метод руководящих ископаемых

Ископаемые организмы подразделяются на 2 типа.

К первому относятся такие, которые существовали длительное время без особых изменений и встречаются в нескольких пластах осадочной толщи.

Второй тип - это организмы, которые обитали в узком отрезке времени и встречаются в отдельных пластах осадочных пород. Их называют руководящие ископаемые или руководящие формы.

Требования к выделению руководящих форм:

Они должны часто и в больших количествах встречаться в слое;

Должны легко распознаваться;

Должны иметь узкий возрастной (или вертикальный) интервал распространения, но широкое горизонтальное распространение, чтобы можно было сравнить отдаленные разрезы.

Например, для мезозойских отложений важной руководящей группой являются аммониты, для среднего кембрия — мелкие слепые трилобиты—агностиды, и т. д. «Руководящие формы» должны удовлетворять нескольким требованиям, из которых можно выделить два главных:
— глобальная (или хотя бы очень широкая) распространенность — иначе не удастся скоррелировать слои из удаленных регионов;
— быстрая эволюция (от организмов, не меняющихся в течение десятков миллионов лет, стратиграфам нет никакого толку).

Желательно также, чтобы представители данной группы встречались в отложениях разных типов. Например, как скоррелировать морские и континентальные отложения, если в море жили одни виды животных и растений, а на суше, естественно, совершенно другие? На помощь приходят пыльца и споры растений: они хорошо сохраняются в ископаемом состоянии, а главное, их носит ветром, и поэтому они встречаются как в морских, так и континентальных отложениях. Споро-пыльцевой анализ — один из наиболее эффективных палеонтологических методов датировки древних осадочных пород.

 

Метод определения относительного возраста слоев с помощью руководящих ископаемых так и называется метод руководящих ископаемых.

Согласно этому методу одновозрастными являются слои, в которых содержатся близкие руководящие формы. Этот метод стал первым палеонтологическим методом определения возраста пород. На его основе была разработана стратиграфия многих регионов.

Метод палеонтологических комплексов

Чтобы избежать ошибок, наряду с этим методом используется метод палеонтологических комплексов. В этом случае используется весь комплекс вымерших организмов, встреченный в исследуемой толще. При этом могут быть выделены:

1-ископаемые формы, жившие только в одном слое;

2-формы, впервые появившиеся в изучаемом слое и переходящие в вышележащий (проводится нижняя граница слоя);

3-формы, переходящие из нижнего слоя и закончившие свое существование в изучаемом слое (доживающие формы);

4-формы, жившие в нижнем или верхнем слое, но не встреченные в изучаемом слое (верхняя и нижняя границы слоя).

 

Не палеонтологические методы

Основные из них подразделяются на:

литологические

структурно-тектонические

геофизические

Литологические методы разделения толщ опираются на различия отдельных слоев, составляющих изучаемую толщу по цвету, вещественному составу (минералого-петрографическому), текстурным особенностям. Среди слоев и пачек в разрезе находят такие, которые резко отличаются по этим свойствам.

Такие слои и пачки легко определяются в соседних обнажениях и прослеживаются на большие расстояния. Их называют маркирующим горизонтом. Метод разделения осадочной толщи на отдельные пачки и слои называется метод маркирующих горизонтов. Для отдельных регионов или возрастных интервалов маркирующим горизонтом могут быть прослои известняка, кремнистых сланцев, конгломераты и т.п.

Минералого-петрографический метод применяется, когда отсутствует маркирующий горизонт и осадочная толща по литологическому составу достаточно однообразна, тогда для сопоставления в разрезе отдельных слоев и их относительного возраста опираются на минералого-петрографические особенности отдельных слоев.

Например, в нескольких слоях песчаника были установлены такие минералы как рутил, гранат, циркон и определили их % содержание. По количественному соотношению этих минералов разделяют толщу на отдельные слои или горизонты. Такую же операцию проводят в соседнем разрезе, а затем сопоставляют результаты между собой и проводят корреляцию слоев в разрезе. Метод трудоемкий - необходимо отобрать и проанализировать большое количество образцов. В тоже время метод применим для небольших площадей.

Структурно-тектонический метод - в его основе лежит представление о существования перерывов в осадконакоплении на крупных участках земной коры. Перерывы в осадконакоплении наступают тогда, когда участок морского бассейна, где накапливалась осадочная толща, становится приподнятым и на этот период здесь прекращается формирование осадков.

В последующее геологическое время данный участок может вновь начать погружение, снова стать морским бассейном, в котором происходит накопление новых осадочных толщ. Граница между толщами представляет собой поверхность несогласия. По таким поверхностям проводят расчленение осадочной толщи на пачки и сопоставляют их в соседних разрезах. Толщи, заключенные между одинаковыми поверхностями несогласия рассматриваются как одновозрастные.

В отличие от литологического метода структурно-тектонический метод используется для сопоставления крупных стратиграфических подразделений в толщах.

Определение относительного возраста магматических пород и рудных жил (или даек)

Процесс формирования магматических тел сопровождается их внедрением в осадочную толщу пород. Поэтому в основе определения их возраста лежит изучение взаимоотношений между магматическими и жильными телами и пачками осадочных пород, которые они пересекли, и возраст которых установлен.

Рассмотренные методы абсолютной и относительной геохронологии позволили определить возраст и последовательность образования горных пород, а также установить периодичность геологических явлений и выделить этапы в длительной истории Земли.

В каждый этап последовательно накапливались толщи пород, и это накопление происходило в определенный промежуток времени. Поэтому всякая геохронологическая классификация содержит двойную информацию и объединяет две шкалы - стратиграфическую и геохронологическую.

Стратиграфическая шкала отражает последовательность накопления толщ, а геохронологическая шкала - соответствующий этому процессу период времени.

На основе большого количества данных по различным регионам и континентам была создана общая для земной коры Международная геохронологическая шкала, отражающая последовательность подразделений времени, в течение которых формировались определенные комплексы отложений и эволюцию органического мира.

Основные стратиграфические подразделения

1. Общие (участвуют в построении Международной и Общей стратиграфической шкал, в скобках даны геохронологические аналоги)

Стратиграфические подразделения	Геохронологические (временны´е) аналоги
Акротема – стратиграфическое подразделение, объединяющее горные породы, образовавшиеся в течение акрона.	Акрон - геохронологическое подразделение, объединяющее несколько эонов. Выделяют три акрона: архей (от 2600 млн. лет и древнее), протерозой (от 2600 до 570 (530) млн. лет) третий, начинающийся с палеозоя, не имеет собственного названия.
Эонотема – крупнейшая единица общей международной стратиграфической шкалы; отложения, образовавшиеся в течение эона. Bыделяются криптозойская эонотема докембрий) и фанерозойская эонотема, объединяющая палеозойскую, мезозойскую и кайнозойскую эратемы.	Эон – длительный период времени, состоящий из нескольких эр.
Эратема (палеозойская, мезозойская, кайнозойская)	Эра
Система. В палеозойской эратеме 6 систем: кембрийская, ордовикская, силурийская, девонская, каменноугольная, пермская. В мезозойской эратеме 3 системы: триасовая, юрская, меловая. В кайнозойской эратеме 3 системы: палеогеновая, неогеновая, четвертичная (квартер).	Период
Отдел	Эпоха
Ярус	Век

 

Итак, например, пермский период следует определить как время, когда на Земле образовывались горные породы такого же типа, что ныне выходят на поверхность в окрестностях уральского города Пермь.

Юрская система подразделяется на 3 отдела и 11 ярусов:

Период (система)	Эпоха (отдел)	Век (ярус)	Млн. лет назад
Юрский период	Верхняя юра (Мальм)	Титонский	145,5–150,8
Кимериджский	150,8–155,7
Оксфордский	155,7–161,2
Средняя юра (Доггер)	Келловейский	161,2–164,7
Батский	164,7–167,7
Байосский	167,7–171,6
Ааленский	171,6–175,6
Нижняя юра (Лейас)	Тоарский	175,6–183,0
Плинсбахский	183,0–189,6
Синемюрский	189,6–196,5
Геттангский	196,5–199,6

2. Региональные

Горизонт

Слои с географическим названием. Например: паршинские слои.

Горизонты могут являться картируемыми подразделениями при среднемасштабной геологической съемке.

3. Местные (литостратиграфические)

Комплекс

Серия

Свита

Пачка

Местные стратиграфические подразделения выделяются в основном по литолого-петрографическим данным для удобства картирования, палеонтологическая характеристика в данном случае имеет подчиненное значение, из-за этого их часто называют литостратиграфическими подразделениями. Местные подразделения являются картируемыми подразделениями при средне- и крупномасштабной геологической съемке.

 

Каждое подразделение в геохронологической шкале имеет свое название. Названия происходят от греческих слов (археос -древний и т.д.) или от места, где они впервые были выделены. Кроме того, каждое подразделение имеет свой цвет и индекс, который состоит из начальных букв названия подразделения и цифр. Например: D₂ef означает - эйфельский ярус среднего девона. Такими индексами удобно пользоваться при составлении геологической карты или геологического разреза. Геологическая карта отражает распространение горных пород и их возраст на поверхности Земли.

 

 

Неогеновые отложения

Триасовые отложения

Пермские отложения

Поэтому она составляется на топооснове различного масштаба. Геологические разрезы показывают распространение горных пород от поверхности Земли до определенных глубин, спроектированных на вертикальную плоскость. В зависимости от поставленных геологических задач, разрезы также составляются в различном масштабе.