Относительная геохронология

Любое геологическое исследование всегда предполагает определение состава отложений, последовательности их образования и возраста. Все это нужно для того, чтобы максимально достоверно реконструировать историю геологического развития и показать те события, которые запечатлены в горных породах и которые происходили либо в одно и то же время, либо в разное, причем одни раньше, а другие позже. Термином "стратиграфия" ("стратум" - слой) обозначается одна из ветвей геологической науки, в задачу которой входят расчленение толщ осадочных и вулканогенных пород на отдельные слои и их пачки; описание содержащихся в них остатков фауны и флоры; установление возраста слоев; сопоставление выделенных слоев данного района с другими; составление сводного разреза отложений региона и разработка стратиграфической шкалы не только для отдельных регионов – региональных стратиграфических шкал, но и единой или международной стратиграфической шкалы для всей Земли. Для того чтобы решить эти задачи, необходимо установить не только относительный возраст пород, слагающих толщи и пачки слоев, но и их абсолютный возраст.

Любой разрез отложений в процессе изучения геологом должен быть расчленен на отдельные слои илиих пачки, причем непосредственным наблюдением легче всего расчленять слои по литологическому признаку, т.е. по составу пород. Например, можно без особого труда выделить слои глин, известняков, песчаников, вулканических туфов и т.д. Сложнее разделять мощные толщи глин или песчаников, но и там основанием для выделения слоев или их пачек могут быть цвет, песчанистость глин, характер слоистости, содержание ископаемых фаунистических остатков и т.д. Иными словами, используются все более тонкие различия. При этом следует руководствоваться правилом, впервые сформулированным датским натуралистом Николаем Стеноном на рубеже XVII и XVIII вв. и заключающимся в признании того, что каждый вышележащий слой моложе подстилающего. Эта фундаментальная закономерность позволяет говорить о последовательности формирования слоев и тем самым обих относительном возрасте.

Кроме литологического метода расчленения разреза существует и палеонтологический, основанный на выделении слоев, содержащих различные комплексы органических остатков. Нередко можно наблюдать, что в разрезе повторяются литологически одинаковые слои, например, известняков, песчаников, но фауна и флора, встречающаяся в этих слоях, различна и не повторяется, отражая необратимую эволюцию органического мира. Она заключается в том, что какой-либо род или вид организмов никогда не может появиться вновь в позднейшее время точно таким же. Даже если условия обитания в более позднее время будут идентичны таковым, существовавшим ранее, все равно организмы не возвратятся к первоначальному облику. Это обстоятельство и делает возможным использование органических остатков для стратиграфического расчленения разреза. Необратимость эволюции органического мира позволяет сопоставлять и определять относительный возраст толщ пород, располагающихся далеко друг от друга и различающихся литологически. Этому способствует широкое площадное, но узкое вертикальное распространение отдельных организмов, которые называются руководящими ископаемыми формами. Ограниченный вертикальный интервал их существования объясняется способностью организмов очень быстро расселяться на обширных пространствах, и время этого расселения оказывается ничтожно малым по сравнению со скоростью накопления осадков. Руководящие ископаемые составляют лишь часть от общего количества организмов, встреченных в данном слое, и, как правило, характеризуются четкими особенностями формы, что позволяет их быстро и уверенно распознавать. Изменчивость форм организмов способствует тому, чтобы они стали руководящими ископаемыми. Однако и метод руководящих ископаемых следует применять с осторожностью, учитывая весь комплекс остатков фауны и флоры, встречающийся в исследуемом слое, так как несмотря на то что часть из них является транзитными – имеют широкое вертикальное распространение, сам комплекс органических остатков неповторим.

В последние десятилетия для расчленения и сопоставления разрезов стал широко применяться микропалеонтологический метод, объектом которого являются остатки известковых и кремнистых скелетов простейших организмов – фораминифер, радиолярий, остракод и др. Благодаря быстрой изменчивости этих организмов, их обилию и быстрому расселению в морях и океанах, появляется возможность детального расчленения разрезов отложений.

Очень важное значение приобрел и спорово-пыльцевой метод, основанный на изучении остатков спор и зерен пыльцы, которые чрезвычайно устойчивы и не разрушаются, разносясь ветром на большие расстояния в огромном количестве. Все это делает их незаменимыми при сопоставлении морских, континентальных и лагунных отложений, восстановлении палеогеографических условий, которые хорошо отражаются в изменении растительности, а следовательно, спор и пыльцы.

Рассмотренные палеонтологические методы применимы лишь к слоистым осадочным отложениям. Однако большие пространства на земном шаре сложены магматическими и метаморфическими породами, лишенными органических остатков. Кним этот метод неприменим.

В последние 20 лет большое значение для возрастного расчленения отложений, особенно в океанах и морях, приобрел палеомагнитный метод, основанный на способности горных пород сохранять характер намагниченности той эпохи, в которую они образовались.

По современным представлениям, магнитное поле Земли обусловлено конвективными токами вещества в ядре и мантии, вызывающими процессы подобно динамо-машине, генерирующей магнитное поле. По неясным пока причинам магнитное поле Земли через различные интервалы времени меняет свой знак, т.е. испытывает инверсию, и северный полюс меняется местами с южным. В настоящее время северный конец стрелки компаса направлен на север и наклонен вниз в Северном полушарии, что соответствует нормальной (прямой) полярности. Противоположное направление обозначает обратную (обращенную) полярность. Закрепляясь в горных породах, прямая и обратная полярность составляет сущность магнитостратиграфического метода расчленения отложений. Фиксируя в горных породах разного происхождения интервалы прямой и обратной намагниченности, мы получаем возможность провести стратиграфическую корреляцию отложений в глобальном масштабе.

На сегодняшний день разработана детальная магнито-стратиграфическая шкала для кайнозойского и мезозойского периодов, а для палеозойского – лишь приблизительная. Для описания магнитных событий используются термины: интервал, субхроны, хроны и супер-хроны полярности, обозначающие различные отрезки времени, в течение которых существует прямая или обратная полярность магнитного поля. Магнитостратиграфический метод широко применяется в геологии и постоянно совершенствуется, приводя к созданию все более детальной шкалы.

Следует отметить, что палеомагнитный метод (но не магнитостратиграфический) чрезвычайно широко используется для определения перемещений литосферных плит в геологическом прошлом, так как по ориентировке вектора остаточной намагниченности можно реконструировать положение какой-либо плиты на сфере земного шара. Концепция тектоники литосферных плит во многом опирается именно на палеомагнитный метод.

В последние два десятилетия широкое распространение в целях корреляции пластов горных пород и их пачек получил геофизический метод отраженных волн общей глубинной точки (МОВ ОГТ), позволяющий на основе отражения сейсмических волн прослеживать пласты на глубинах до 10 км. Получив название сейсмостратиграфии, данный метод особенно активно используется в нефтяной геологии, так как дает возможность в относительно краткие сроки получить профили на очень большую территорию и выявить структуры и литологические отличия в пластах, благоприятные для появления скоплений нефти и газа.

Абсолютная геохронология

Когда мы говорим об абсолютной геохронологии, то подразумеваем, возраст образования какой-либо горной породы в астрономических единицах времени – годах, продолжительность которых признается абсолютной, неизменной в масштабе времени. Проблема определения абсолютного возраста горных пород, продолжительности существования Земли издавна занимала умы геологов, и попытки ее решения предпринимались много раз, для чего использовались различные явления и процессы. Ранние представления об абсолютном возрасте Земли были курьезными. Современник М. В. Ломоносова французский естествоиспытатель Бюффон определял возраст нашей планеты всего лишь в 74 800 лет. Другие ученые давали различные цифры, не превышающие 400–500 млн. лет. Здесь следует отметить, что все эти попытки заранее были обречены на неудачу, так как они исходили из постоянства скоростей процессов, которые, как известно, менялись в геологической истории Земли. И только в первой половине XX в. появилась реальная возможность измерять действительно абсолютный возраст горных пород, геологических процессов и Земли как планеты. Эта возможность базировалась на открытии процесса радиоактивного распада неустойчивых изотопов целого ряда химических элементов. Поскольку этот физический процесс идет с постоянной скоростью и не зависит ни от каких внешних воздействий, мы получаем в руки "атомный часовой механизм", позволяющий измерять возраст интересующего нас геологического объекта. Так возник радиометрический метод определения абсолютного возраста горных пород, в основе которого лежит физическое явление радиоактивного распада изотопов ²³⁸U, ²³⁵U, ²³²Th, ⁴⁰K, ⁸⁷Sr, ¹⁴C, ³H и многих других. Все эти изотопы нестабильны и обладают вполне определенной, выявленной экспериментально скоростью распада, обычно характеризуемой периодом полураспада, т.е. временем, в течение которого распадается половина атомов данного нестабильного изотопа. Период полураспада сильно варьирует у различных изотопов (табл. 18.1). Период полураспада радиоактивного элемента известен и определение возраста заключается в том, чтобы найти отношение массы вновь образованного химического элемента к массе материнского изотопа. Радиометрический возраст должен определяться по минералам, содержащим радиоактивные элементы, при этом 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. Кроме этого, мы должны быть уверенными в том, что ничто постороннее не попало в минерал за время, прошедшее с момента его образования.

В наши дни наука, занимающаяся определением абсолютного возраста минералов и горных пород, называется радиологией и в ее арсенале насчитывается много методов, которые постоянно совершенствуются и имеют конечной целью повышение точности определений.

Учитывая периоды полураспада, различные изотопы используются для определения возраста в разных временных диапазонах. Так, радиоактивный углерод ¹⁴С, образующийся в верхних слоях атмосферы в результате действия космических лучей на атом азота ¹⁴N, используется для определения возраста древесины, торфа и т.д. в пределах 50000 лет, что позволяет успешно применять его в четвертичной геологии и археологии. Большое влияние на отношение ¹⁴С/¹²С оказывают проводящиеся уже более 40 лет испытания атомного оружия, атомные реакторы и ускорители.

Изотопы с большим периодом полураспада с успехом применяются для определения возраста докембрийских пород, диапазон формирования которых превышает 3,5 млрд. лет. Используются уран-свинцовый, торий- свинцовый, свинец-свинцовый, калий-аргоновый, рубидий-стронциевый, самарий-неодимовый и другие методы, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки. Проблемы возникают с калий-аргоновым методом, основанным на переходе нестабильного изотопа ⁴⁰К при условии захвата электрона в стабильный ⁴⁰Аr или ⁴⁰Са, если при этом испускается отрицательно заряженная бета-частица (свободный электрон с большой скоростью). В результате термального прогрева породы часть аргона улетучивается и поэтому возраст породы как бы "омолаживается", фиксируя момент прогрева, но не время образования данной породы. Калий-аргоновый метод стал применяться одним из первых и именно ему мы обязаны в значительной мере шкалой геологического времени, хотя известны и многочисленные случаи ошибочных определений, нуждающихся в геологической корректировке.

Уран-свинцовый метод, как и рубидий-стронциевый, применяется для определения возраста в диапазоне от 100 млн. лет до 5 млрд. лет. При этом содержание изотопов устанавливается с помощью масс-спектрометров, где атомы изотопов, будучи пропущенными, в вакууме через магнитное поле, разделяются с учетом их относительной массы. Важное значение имеет взаимная проверка определений разными методами, данные которых в случае их совпадения лежат на кривой распада - "конкордии". Чтобы уменьшить вероятность ошибок определения возраста, его проводят по так называемым "валовым пробам", т.е. используя всю породу, а не какой-либо минерал отдельно, хотя последний способ также применяется.

Для правильного понимания абсолютной геохронологии кроме взаимного контроля разными методами необходимо проводить контроль геологическими данными, без которого, принимая результаты определения абсолютного возраста за кажущуюся истину, можно сделать ошибочные выводы. Как уже говорилось, радиометрические методы особенно важны для докембрийских образований, формировавшихся в течение очень длительного времени и лишенных палеонтологических остатков. В то же время для фанерозойских отложений данные определения абсолютного возраста горных пород позволяют установить продолжительность главных подразделений международной геохронологической шкалы, разработанной на основе другихпринципов.