Относительная геологическая хронология целиком базируется на данных стратиграфии – раздела геологии, изучающего пространственно-временные 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 – сопоставление 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 каком-то 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 (спор и пыльцы растений, остатков насекомых) 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 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;
- сравнительно меньшая зависимость от условий природной среды, фаций (например, распространение планктонных и нектонных организмов в осадках географически шире, чем бентосных, привязанных к конкретным обстановкам морского дна; виды, способные жить в широком диапазоне температур, распространены шире, чем стенотермные, приспособленные к узким температурным условиям и т.д.);
- 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.
Ещё больший эффект даёт использование метода комплексного анализа, когда изучается распространение в разрезах не отдельных руководящих форм, а комплекса окаменелостей. В любом сообществе организмов могут существовать формы, сохранившиеся с более раннего времени, и, в равной степени те, которые только появились, но будут существовать ещё на протяжении многих миллионов лет. Но в целом ассоциация вымирающих, переживающих расцвет и появившихся организмов будет характерной для достаточного узкого интервала геологического времени.
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.