Геохронологическая шкала и методы определения возраста пород

Содержание

1. 1. Геохронология: наука о времени Земли3
2. 2. Геохронологическая шкала: структура и принципы5
3. 3. Методы относительной геохронологии7
4. 4. Абсолютная геохронология: изотопные методы9
5. Список литературы11

1. Геохронология: наука о времени Земли

Земля хранит память о собственном прошлом в толщах горных пород, в очертаниях материков и в останках древних организмов. Задача прочитать эту память, выстроить события в строгой последовательности и измерить их длительность ложится на геохронологию. Это наука о времени Земли, о его течении и членении. Геохронология устанавливает хронологию геологических событий, отвечая на два вопроса: что произошло раньше, а что позже, и сколько лет назад это случилось.

Первый вопрос решает относительная геохронология. Она выстраивает события в цепочку, определяя их последовательность. Второй вопрос относится к компетенции абсолютной геохронологии, которая оперирует миллионами и миллиардами лет. Такое разделение возникло исторически: относительная последовательность слоёв была понятна уже в XVII веке, тогда как измерение абсолютного возраста стало возможным только в XX столетии, после открытия радиоактивности. В 1907 году Бертрам Болтвуд, американский химик, впервые применил уран-свинцовый метод для датировки минерала и получил цифру в 410 миллионов лет для образца из Цейлона. Этот результат поразил научное сообщество, показав, что возраст Земли неизмеримо больше, чем предполагалось ранее.

Основная задача геохронологии состоит в том, чтобы свести относительную и абсолютную шкалы в единую систему координат. Относительная последовательность, построенная на принципе суперпозиции, требует привязки к абсолютным датировкам. Без этого она остаётся лишь схемой без хронологической глубины. Абсолютные даты, в свою очередь, теряют смысл без привязки к конкретным слоям и событиям. Именно синтез этих двух подходов позволяет создать непротиворечивую картину истории Земли.

Геохронология не существует в изоляции. Её фундамент составляет стратиграфия, наука о последовательности залегания осадочных слоёв. Именно

стратиграфия даёт первичный материал: разрезы, в которых зафиксирован порядок напластования. Палеонтология поставляет незаменимые маркеры времени: руководящие ископаемые, которые позволяют коррелировать слои из удалённых регионов. Если в двух разрезах встречается одинаковый комплекс организмов, эти слои почти наверняка одновозрастны. Тектоника же объясняет деформации и разрывы, которые нарушают первоначальную последовательность, и позволяет понять, какие события происходили после образования породы.

Для географии значение геохронологии трудно переоценить. Реконструкция палеогеографических обстановок (восстановление древних ландшафтов, климатов и очертаний морей) невозможна без хронологической привязки. Геохронология позволяет ответить на вопрос, когда именно на месте современной Западно-Сибирской равнины плескалось море, а когда здесь сформировалась суша. Эволюция ландшафтов, от ледниковых щитов до тропических лесов, разворачивается во времени, и только геохронологическая шкала даёт опору для этой пространственно-временной реконструкции.

История Земли насчитывает не менее 4,54 миллиарда лет, как показывают изотопные датировки древнейших цирконов из Австралии. Человечество существует лишь ничтожную долю этого срока. Геохронология сжимает эту колоссальную протяжённость в упорядоченную систему, позволяя увидеть закономерности там, где прежде царил хаос разрозненных фактов. Она превращает геологию из описательной дисциплины в науку, способную предсказывать, где и какие породы можно ожидать, и объяснять, почему современная география планеты выглядит именно так.

2. Геохронологическая шкала: структура и принципы

Геохронологическая шкала, это система соподчиненных отрезков геологического времени. В её основе лежит иерархия, которая отражает последовательность событий в истории Земли, зафиксированную в толщах горных пород. Каждому временному интервалу соответствует комплекс отложений, сформировавшихся в этот период. Для их обозначения в стратиграфии принята параллельная номенклатура.

Крупнейшие подразделения геологического времени называются эонами. Они соотносятся с эонотемами, то есть самыми значительными комплексами пород в разрезе земной коры. В истории планеты выделяют четыре эона: катархей, архей, протерозой и фанерозой. Первые три, которые иногда объединяют под названием криптозой, охватывают около 4 миллиардов лет. Фанерозой начался примерно 538 миллионов лет назад. Он включает лишь последний, но наиболее изученный этап. Именно для фанерозоя разработана самая детальная шкала, поскольку его отложения содержат богатый комплекс окаменелостей.

Эоны делятся на эры. Границы между ними маркируют крупные рубежи в развитии органического мира и кардинальные перестройки лика Земли. Фанерозойский эон, например, делится на палеозойскую, мезозойскую и кайнозойскую эры. Палеозойская эра длилась около 290 миллионов лет. Она началась с «кембрийского взрыва», когда возникли основные типы животных. Мезозойская эра известна как время господства рептилий. Кайнозойская, которая продолжается и сейчас, характеризуется расцветом млекопитающих и птиц.

Следующая ступень иерархии, период. Он соответствует геологической системе. Именно периоды чаще всего встречаются в научных и популярных текстах: юрский, меловой, пермский, силурийский. Каждый период отличается специфическим набором руководящих ископаемых и характерными тектоническими условиями. Каменноугольный период получил

название из-за обширных лесных массивов, которые дали начало мощным пластам угля. Девонский период ознаменовался выходом позвоночных на сушу.

Дальнейшее дробление приводит к эпохам, которые соответствуют отделам стратиграфической шкалы. Меловой период делится на нижний и верхний отделы. Палеогеновый период включает палеоценовую, эоценовую и олигоценовую эпохи. Наименьшие общепринятые подразделения, века, соотносятся с ярусами. Они обычно устанавливаются по смене комплексов морской фауны.

Принципы выделения границ между этими подразделениями имеют решающее значение. В основе лежит событийный подход. Рубеж проводится по заметной смене состава ископаемых организмов или по следам значительных геологических катастроф. Палеонтологический критерий считается ведущим для фанерозоя. Появление или вымирание таксонов, особенно планктонных фораминифер или конодонтов, позволяет синхронизировать разрезы на разных континентах.

Для докембрийских толщ, где органические остатки редки или отсутствуют, применяются изотопные датировки и сопоставление с тектоническими циклами. Границы архея и протерозоя устанавливаются преимущественно по радиометрическим данным, полученным для перекрывающих или прорывающих магматических тел. Международная комиссия по стратиграфии утверждает так называемые «золотые гвозди», точки глобальных стратотипов, которые фиксируют точное положение границы в конкретном разрезе. Такая процедура гарантирует, что один и тот же рубеж (например, между меловой системой и палеогеновой) будет однозначно определяться геологами в любой точке планеты.

Геохронологическая шкала, это не просто линейка времени. Это сложный инструмент корреляции. Её структура отражает реальные этапы эволюции Земли и жизни на ней. Строгие принципы выделения подразделений обеспечивают сопоставимость данных, полученных в разных регионах.

3. Методы относительной геохронологии

Следующий логический шаг после построения шкалы, наполненной подразделениями, требует ответа на вопрос: как эти подразделения наполняются содержанием и как мы понимаем, какая толща древнее, а какая моложе? Здесь на помощь приходят методы относительной геохронологии. Они не сообщают нам возраст в годах, но выстраивают события в строгую последовательность: «раньше», «позже», «одновременно». Эта последовательность и есть фундамент, на котором впоследствии закрепляются абсолютные датировки.

Базовый принцип относительной геохронологии сформулировал ещё в XVII веке датчанин Нильс Стенон. Его закон суперпозиции гласит: в ненарушенной последовательности осадочных слоёв каждый нижележащий слой древнее вышележащего. Это кажется очевидным, но именно этот постулат лёг в основу стратиграфического метода. Работает он просто: геолог спускается в обнажение, фиксирует слои снизу вверх и получает колонку относительного возраста. Правда, закон действует только там, где слои не перевёрнуты складчатостью и не разорваны разломами. В горах, где пласты смяты в складки, приходится искать подошву слоя по косой слоистости или следам ряби на поверхности, чтобы не перепутать верх и низ.

Однако стратиграфия бессильна, если нужно сравнить два разреза, разделённые сотнями километров. Песчаник в одном обнажении может внешне не отличаться от песчаника в другом, но принадлежать совершенно разным эпохам. Здесь в игру вступает палеонтологический метод. Он опирается на фундаментальное свойство органического мира: необратимость эволюции. Каждый отрезок геологического времени характеризуется уникальным набором ископаемых организмов. Если в двух удалённых разрезах встречаются одинаковые комплексы фауны, эти слои можно считать одновозрастными.

Для практических целей палеонтологи выделяют так называемые руководящие ископаемые. Это виды, которые существовали на Земле относительно недолго (в геологическом смысле, несколько миллионов лет), имели широкое географическое распространение и многочисленны в ископаемом состоянии. Классический пример: трилобиты, характерные для палеозоя, или аммониты, расцвет которых пришёлся на мезозой. Находка аммонита в слое сразу указывает на возраст породы в пределах мезозойской эры. Именно палеонтологический метод позволил Уильяму Смиту в начале XIX века составить первые геологические карты Англии, сопоставив пласты по заключённым в них окаменелостям.

Существует и литологический метод, основанный на сравнении состава и строения пород. Если в разрезе прослеживается характерный пласт, например, белый писчий мел или красноцветные глины, его можно использовать как маркер. Метод менее точен, чем палеонтологический, ведь одинаковые условия осадконакопления могли повторяться в разные эпохи. Но в пределах одного осадочного бассейна он отлично работает для прослеживания пластов и выявления перерывов в осадконакоплении.

Совокупность этих приёмов позволяет проводить корреляцию разрезов. Геолог, изучающий разрез в Подмосковье, может сопоставить его с разрезами в Поволжье или даже в Западной Европе, найдя в них слои с одинаковым набором руководящих ископаемых. Так выстраивается единая стратиграфическая шкала, где каждому интервалу времени соответствует свой характерный комплекс организмов. Именно эта логическая цепочка, от закона Стенона до эволюционной последовательности фаун, лежит в основе геохронологической шкалы.

4. Абсолютная геохронология: изотопные методы

Относительная шкала показывает лишь последовательность событий, но не их длительность. Чтобы перевести её на язык лет, нужны изотопные методы. Абсолютный возраст горных пород определяется по содержанию радиоактивных изотопов и продуктов их распада. В основе этого подхода лежит открытие Анри Беккереля, сделанное в 1896 году, а также последующие работы Пьера и Марии Кюри.

Сам принцип метода довольно изящен. Скорость радиоактивного распада постоянна. Она не зависит от температуры, давления или химической среды. Для каждого изотопа эта скорость характеризуется периодом полураспада, то есть временем, за которое распадается половина исходных атомов. Возраст образца вычисляется по соотношению материнского и дочернего изотопов. Если известно, сколько материнского изотопа было в начале и сколько его осталось, разница даёт количество распавшихся атомов, а следовательно, и время, которое прошло с момента начала распада.

Самым надёжным считается уран-свинцовый метод. Он датирует циркон, минерал, встречающийся в магматических и метаморфических породах. Уран-238 распадается в свинец-206 с периодом полураспада 4,47 миллиарда лет, а уран-235 в свинец-207 за 704 миллиона лет. Циркон исключительно устойчив: он не обменивается свинцом с окружающей средой. Это позволяет получать точные датировки вплоть до первых десятков миллионов лет. Именно этим методом установлен возраст древнейших минералов Земли, цирконов из Джек-Хиллс в Австралии, который составляет около 4,4 миллиарда лет.

Калий-аргоновый метод работает иначе. Калий-40 распадается до аргона-40 с периодом полураспада 1,25 миллиарда лет. Он применим к калиевым полевым шпатам, слюдам, роговой обманке и вулканическим породам. Аргон, будучи инертным газом, накапливается в кристаллической решётке. Здесь есть сложность: при нагреве породы аргон может

улетучиться. Поэтому метод часто используют для датирования вулканических туфов, которые фиксируют момент извержения. Это позволяет привязать к абсолютной шкале палеонтологические слои, зажатые между туфами.

Для молодых пород, возрастом до 50 тысяч лет, применяется радиоуглеродный метод. Он основан на распаде углерода-14, который образуется в верхних слоях атмосферы под действием космического излучения. Пока организм жив, он усваивает углерод наравне с атмосферным. После смерти обмен прекращается, и содержание углерода-14 начинает убывать. Период его полураспада составляет 5730 лет. Это делает метод незаменимым для археологии, четвертичной геологии и палеогеографии. Именно радиоуглеродный анализ датировал стоянки древних людей и события последнего оледенения.

Каждый из методов имеет свои ограничения, поэтому для надёжных датировок используют несколько систем в сочетании. Изотопная геохронология позволила не просто назвать возраст Земли (он оценивается в 4,54 миллиарда лет), но и калибровать всю геохронологическую шкалу. Из последовательности слоёв она превратилась в точную шкалу времени с датами на каждой границе.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Основы стратиграфии и геохронологии — https://portal.tpu.ru/SHARED/k/KATY/uchebnai/geology/Tab1/Stratigrafia.pdf

2. Геохронология. Периодизация геологической истории — https://popovgeo.sfedu.ru/lecture_4

3. Методы определения возраста пород — https://eor.dgu.ru/lectures_f/%D0%9B%D0%B5%D0%BA%D1%86%D0%B8%D0%B8%20%D0%BF%D0%BE%20%D0%B3%D0%B5%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D0%B8/%D0%9B%D0%95%D0%9A%D0%A6%D0%98%D0%AF%2011.htm

4. Геологическое летоисчисление. Методы определения возраста горных пород. Геохронологическая шкала — https://studfile.net/preview/10778008/page:2/

5. Относительная и абсолютная геохронология — https://ru.ruwiki.ru/wiki/%D0%9E%D1%82%D0%BD%D0%BE%D1%81%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%B8_%D0%B0%D0%B1%D1%81%D0%BE%D0%BB%D1%8E%D1%82%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%B3%D0%B5%D0%BE%D1%85%D1%80%D0%BE%D0%BD%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D1%8F

6. Лекция 16 — https://kpfu.ru/portal/ias_utils.file_download?p_table_id=4&p_file=F448445787/Lekciya.16.doc

7. Возраст горных пород. Абсолютный и относительный возраст. Геохронология — https://studfile.net/preview/4186071/page:3/

8. Определение возраста — https://www.geokniga.org/labels/5716