Курс лекций: Основы геологии

Рис. 2.1. Кривая распада радиоактивных элементов

В геохронологии используются изотопы урана, тория, рубидия, калия, углерода и водорода (табл. 2.1). Названные изотопы нестабильны. Для того чтобы определить возраст, необходимо найти отношение веса новообразованного элемента к весу материнского элемента. Считается, что возможная ошибка в большинстве случаев не превышает нескольких процентов. Радиоактивные элементы играют роль атомных часов, начавших отсчет времени с момента кристаллизации минерала. Ни один из долгоживущих, используемых в практике, изотопов не успел исчезнуть полностью.

Таблица 2.1

Периоды полураспада радиоактивных элементов

Тритий используют для изучения скорости движения подземных вод, скорости перемешивания морской воды или определения возраста не слишком старых слоев снежных полей.

Радиоуглеродный метод основан на допущении, что отношение C14 / C12 в воздухе остается постоянным. С его помощью можно определять время, ограниченное примерно восьмикратной продолжительностью полураспада, т.е. новейшая техника позволяет определять этим методом возраст в диапазоне до 100 тыс. лет. Метод применим к древесине, древесному углю, торфу, костям животных и другим богатым углеродом материалам, включая углеродсодержащие организмы, которые извлекают из поверхностных вод растворенный в них углерод. Радиоуглеродный метод главный в археологии.

Калий - аргоновый метод. Калийсодержащие минералы широко распространены в земной коре, и этот метод подходит для большинства пород. Главная проблема калий - аргонового метода заключается в утечке аргона с места его образования, особенно в результате прогрева пород за счет погружения их на глубину или внедрения неподалеку интрузий. В этом случае полученный возраст пород может соответствовать не времени возникновения породы, а всего лишь сроку, прошедшему после этого термального события, т.е. когда вновь пошли К/Ar - часы. Метод применим к породам с возрастом по крайней мере от 100 тысяч до миллиардов лет. В большей степени, чем другие методы, он послужил для калибровки шкалы геологического времени.

Рубидий - стронциевый метод можно использовать для датировки событий гораздо древнее 1 млрд. лет, но главная проблема в наличии рубидия в исходном материале, поскольку элемент очень редкий.

Уран - свинцовый, торий - свинцовый и изотопно - свинцовый методы пригодны для широкого диапазона времени, приблизительно от 100 млн. лет до более чем 5 млрд. лет. Это очень важные методы для определения возраста метеоритов и самых древних пород на Земле.

Для некоторых специальных целей применяются и другие изотопы; существующие методы все время совершенствуются за счет введения новых приемов исследования.

По данным на сегодняшний день, достоверный возраст наиболее древних пород земного шара, определенный названными методами, достигает 3,8 млрд. лет. Для многих метеоритов возраст определен в 4,55 млрд. лет, для лунных пород - как 4,7 млрд. лет. Поэтому возраст Солнечной системы, включая Землю, может оцениваться, вероятно, в 5 млрд. лет.

2.2 Относительный возраст

В практике полевых работ изотопный возраст горных пород, выраженный в годах, обычно меньше интересует геологов, чем относительный возраст геологических тел, оцениваемый такими понятиями, как "моложе", "древнее", "одновременно". Этот возраст, устанавливаемый прямыми наблюдениями соотношения геологических тел в их естественном положении, рассматривается геологический дисциплиной стратиграфией. Объектом стратиграфии является не вся земная кора, а только нормально пластующиеся толщи, сложенные осадочными, вулканогенными и метаморфическими породами. В этой дисциплине приняты свои допущения, названные принципами.

1) Принцип актуализма

Силы, ныне действующие как на земной поверхности, так и под нею, могут быть тождественны по роду и степени с теми, которые в отдаленные эпохи производили геологические изменения.

2) Принцип неполноты геологической летописи

В геологических напластованиях запечатлена, вероятно, лишь меньшая часть геологической истории, а большая часть времени приходится на перерывы. Наряду с крупными перерывами, которые фиксируются несогласиями, важная роль в неполноте геологической летописи принадлежит мелким бесчисленным перерывам, обусловленным пульсационным характером и прерывистостью самого процесса осадконакопления.

Все факты ясно указывают нам на то, что каждая область земного шара переживала многочисленные вертикальные колебания поверхности, и эти колебания захватывали большие пространства. Следовательно, толщи пород, достаточно мощные и обширные, чтобы сохраниться от последующего разрушения, могли образоваться только там, где было много приносимого осадка и где глубина моря была небольшая. Однако мощные толщи осадков не могут накапливаться в мелководной прибрежной области. Значит, дно моря должно опускаться, но не слишком быстро. В промежуточные эпохи поднятия накопленные осадки разрушались и служили источником материала уже для других пород. Помимо крупных перерывов, отделяющих толщи пород друг от друга, существуют мелкие, так называемые внутриформационные перерывы.

Также и окаменелости, заключенные в породах, представляют лишь незначительный процент организмов, населявших Землю в прошлые геологические эпохи. Например, мягкие организмы типа современных медуз не сохраняются.

3) Принцип последовательности образования геологических тел

Его называют еще законом напластования. Он гласит: последовательность залегания слоев в нормально залегающем разрезе соответствует исторической последовательности их образования (рис. 2.2). Другая формулировка закона выглядит следующим образом: из двух смежных тел первым образовалось то, которое является подстилающим или оставляет свой отпечаток на теле другого. Эта формулировка учитывает пространственные соотношения слоев в случае смятия в складки и опрокинутого залегания слоев.

Рис. 2.2. Последовательность образования геологических тел

1 - самый древний слой; 2 - промежуточный слой; 3 - самый молодой слой

4) Принцип возрастной миграции граничных поверхностей геологических тел

В каждом слое синхронными можно считать только те осадки, которые отлагались вдоль существовавших в каждый данный момент зон осадконакопления, т.е. осадки, распределяющиеся вдоль береговой линии. На рисунке 2.3 показано, что в разные моменты времени возле берега отлагаются галечники, дальше от берега накапливаются пески, а затем - глины. В итоге формируются три разных слоя, но плоскости их напластования образовались в течение длительных промежутков времени.

Рис. 2.3. Разновозрастность образования геологических слоев

Конечно, разновозрастность отдельного слоя часто нельзя установить практически, и поэтому она не всегда имеет существенное значение для стратиграфии. В таком случае ею пренебрегают. Однако с разновозрастностью осадочных комплексов, состоящих из большого числа слоев, необходимо считаться. Другими словами, границы поверхностей геологических тел скользят во времени. Литологическое единство не является критерием хронологической одновременности.

5) Принцип фациальной неоднородности одновозрастных отложений

Фации - это типы отложений, сформировавшихся в различных обстановках осадконакопления (прибрежные, мелководные, глубоководные, русловые, дельтовые, озерные, болотные и др.). Поскольку в какой-то момент времени существует множество различных условий образования пород, то одновозрастные отложения, следовательно, неоднородны (см. рис. 2.3).

6) Принцип биостратиграфического расчленения и корреляции

Отложения, содержащие одинаковую фауну и флору, геологически одновозрастны. Имеется в виду, что отложения можно различать и сопоставлять по заключенным в них остаткам организмов. Ископаемые фауны и флоры следуют друг за другом в определенном, могущем быть выясненном порядке.

Изучение относительного возраста горных пород позволило европейским геологам уже в XV в. расположить выделенные подразделения в виде шкалы с наиболее древними подразделениями в основании и последовательно все более молодыми подразделениями выше. К настоящему времени разработана стратиграфическая шкала, которая выглядит следующим образом (табл. 2.2).

Таблица 2.2

Международная стратиграфическая шкала

Ранние классификации включали три главных подразделения: первичную, вторичную и третичную эры; много позже к ним была добавлена четвертичная (современная) эра. Затем три первых подразделения назвали поиному:

- палеозойская эра - древняя жизнь; - мезозойская эра - средняя жизнь; - кайнозойская эра - новая жизнь.

Четвертичная эра современной жизни сохранила свое историческое название, перейдя в разряд четвертичного периода. Позднее выделили также

- археозойскую эру - начало жизни;

- протерозойскую эру - протожизнь, или первичная жизнь.

Перечисленные эры стали подразделять на периоды, периоды на эпохи и более мелкие возрастные единицы. Сейчас подразделения докембрия, где найдены лишь примитивные водоросли, в основном, местные, тогда как более молодые единицы (от кембрия до нынешних отложений, объединяемых общим названием фанерозой) имеют общемировое применение.

Соотношение понятий толща пород - время ее образования выглядит следующим образом (табл. 2.3).

Таблица 2.3

Соотношение стратиграфических и временных подразделений

Говоря о толще пород, следует сказать:

- мезозойская группа Mz;

- юрская система J;

- верхнеюрский (нижнеюрский, среднеюрский) отдел J3;

- келловейский ярус J3cl;

- верхнекелловейский (нижнекелловейский, среднекелловейский) подъярус J3cl3;

- зона Longaeviceras keyserlingi J3cl31 (т.е. отложения выделены по нахождению в них этого вида аммонита).

Но если речь идет о времени, когда образовались данные породы, то следует говорить:

- мезозойская эра Мz;

- юрский период J;

- позднеюрская (раннеюрская, среднеюрская) эпоха J3;

- келловейский век J3cl;

- позднекелловейское (раннекелловейское, среднекелловейское) время J3cl3;

- момент времени Longaeviceras keyserlingi J3cl31.

Все системы и ярусы получили свои названия либо от местностей, где они были впервые установлены, либо по характерным литологическим особенностям. Например, девонская система названа по графству Девоншир в Англии, пермская - по городу Пермь в России, меловая система получила свое название по типичной для нее породе - мелу; амгинский ярус назван по реке Амга в Восточной Сибири, где он впервые установлен.

Границы между стратиграфическими подразделениями обсуждаются и принимаются на международных стратиграфических совещаниях.

Кроме названных стратиграфических единиц, выделяют еще и местные, литологически довольно однородные отложения. Они имеют реальное, физически выраженное ограничение в слоистых толщах. Их объемы неизменны независимо от разных точек зрения на их геологический возраст. Такие литостратиграфические единицы удобно использовать в повседневной практической работе при геологической съемке, поисках и разведке месторождений полезных ископаемых, при расчленении и сопоставлении разрезов по скважинам. Реальность границ между ними очевидна, а реальность хроно- и биостратиграфических в некоторой мере условна, и их еще нужно доказывать.