Геохронология. Стратиграфическая шкала

На основании последних данных вся история Земли разделена на временные промежутки. Проведением границ между этими промежутками, как и выделением самих промежутков занимается такое учение как геохронология.

Геохронология (от гео… и хронология), геологическое летосчисление, учение о хронологической последовательности формирования и возрасте горных пород, слагающих земную кору. Различают относительную и абсолютную (или ядерную) геохронологию.

Относительная геохронология заключается в определении относительного возраста горных пород, который даёт представление о том, какие отложения в земной коре являются более молодыми и какие более древними, без оценки длительности времени, протекшего с момента их образования.

Абсолютная геохронология устанавливает т.н. абсолютный возраст горных пород, т. е. возраст, выраженный в единицах времени, обычно в миллионах лет. Рассмотрим каждое из направлений более подробно.

Относительная геохронология

Для определения относительного возраста слоистых осадочных и пирокластических пород, а также вулканических пород (лав) широко применяется принцип последовательности напластования (т. н. закон Стенсена (Стено)). Согласно этому принципу, каждый вышележащий пласт (при ненарушенной последовательности залегания слоистых горных пород) моложе нижележащего. Относительный возраст интрузивных пород и других неслоистых геологических образований определяется по соотношению с толщами слоистых горных пород. Послойное расчленение геологического разреза, т. е. установление последовательности напластования слагающих его пород, составляет стратиграфию данного района.

Для сравнения стратиграфии удалённых друг от друга территорий (районов, стран, материков) и установления в них толщ близкого возраста используется палеонтологический метод, основанный на изучении захороненных в пластах горных пород окаменевших остатков вымерших животных и растений (морских раковин, отпечатков листьев и т.д.).

Сопоставление окаменелостей различных пластов позволило установить процесс необратимого развития органического мира и выделить в геологической истории Земли ряд этапов со свойственным каждому из них комплексом животных и растений. Исходя из этого, сходство флоры и фауны в пластах осадочных пород может свидетельствовать об одновременности образования этих пластов, т. е. об их одновозрастности. Впервые этот метод определения относительного возраста горных пород был применен в начале 19 в. У. Смитом в Великобритании и Ж. Кювье во Франции. Тогда ему не было дано надёжного теоретического обоснования. Кювье объяснял различия в составе комплексов ископаемых, встречаемых в пластах горных пород, вымиранием организмов в результате внезапных геологических катастроф и появлением затем новых их комплексов. Последователи Кювье, в том числе французский геолог и палеонтолог А. Д’ Орбиньи, предполагали, что смена органического мира Земли после каждой катастрофы связана с "творческими актами божества". Учение Ч. Лайеля о медленных естественных преобразованиях лика Земли и классические труды Ч. Дарвина и В. Ковалевского об эволюционном развитии органического мира дали материалистическое обоснование палеонтологическому методу.

В результате трудов нескольких поколений геологов была установлена общая последовательность накопления слоев земной коры, получившая название стратиграфической шкалы. Верхняя часть её (фанерозой) составлена при помощи палеонтологического метода с большой тщательностью. Для нижележащего отрезка шкалы (докембрий), соответствующего огромной по мощности толще пород, палеонтологический метод имеет ограниченное применение из- за плохой сохранности или отсутствия окаменелостей. Вследствие этого нижняя — докембрийская — часть стратиграфической шкалы расчленена менее детально.

По степени метаморфизма горных пород и др. признакам докембрий делится на архей (или археозой) и протерозой. Верхняя — фанерозойская — часть шкалы делится на три группы (или эратемы): палеозойскую, мезозойскую и кайнозойскую. Каждая группа делится на системы (всего в фанерозое 12 систем.

Каждая система подразделяется на 2- 3 отдела; последние в свою очередь делятся на ярусы и подчинённые им зоны. Как системы, так и многие ярусы могут быть прослежены на всех континентах, но большая часть зон имеет только местное значение. Наикрупнейшим подразделением шкалы, объединяющим несколько групп, служит эонотема (например, палеозойская, мезозойская и кайнозойская группы объединяются в фанерозойскую эонотему, или фанерозой).

Стратиграфическая шкала является основой для создания соответствующей ей геохронологической шкалы, которая отражает последовательность отрезков времени, в течение которых формировались те или иные толщи пород. Каждому подразделению стратиграфической шкалы отвечают определённые подразделения геохронологической шкалы. Так, время, в течение которого отложились породы любой из систем, носит название периода. Отделам, ярусам и зонам отвечают промежутки времени, которые называются соответственно эпоха, век, время; группам соответствуют эры. Крупнейшему стратиграфическому подразделению — эонотеме — отвечает хронологический термин — эон. Существуют два эона — докембрийский, или криптозойский, и фанерозойский. Продолжительность более древнего — докембрийского эона составляет около 5/6 всей геологической истории Земли. Каждый из периодов фанерозойского эона, за исключением последнего — антропогенового (четвертичного), охватывает примерно равновеликие интервалы времени. Антропогеновая система, соответствующая времени существования человека, намного короче. Расчленение антропогена проводится, в отличие от других периодов, по фауне наземных млекопитающих, которая эволюционирует гораздо быстрее, чем морская фауна (в составе последней за время антропогена не произошло принципиальных изменений), а также на основе изучения ледниковых отложений, характеризующих эпохи всеобщего похолодания. Некоторые исследователи считают выделение антропогеновых отложений в особую систему неправомочным и рассматривают её как завершающий этап предшествующего неогенового периода.

Подразделения стратиграфической шкалы, выделенные с помощью палеонтологического метода, и соответствующие им подразделения геологического времени, объединённые в единой геохронологической шкале, были утверждены в 1881 г. на 2- ом Международном геологическом конгрессе в Болонье и с тех пор являются общепринятыми во всём мире. В дальнейшем, благодаря совершенствованию методов палеонтологические исследования и накоплению новых данных, в первоначальную схему геохронологии Земли вносятся некоторые изменения и уточнения.

Абсолютная геохронология

В начале 20 в. П. Кюри во Франции и Э. Резерфорд в Великобритании предложили использовать радиоактивный распад химических элементов для определения абсолютного возраста горных пород и минералов. Принцип, положенный этими учёными в основу определений абсолютного возраста, используется до сих пор. Измерение возраста производится по содержанию продуктов радиоактивного распада в минералах. Процесс распада радиоактивных элементов происходит с постоянной скоростью. В результате радиоактивного распада появляются атомы устойчивых, уже нераспадающихся элементов, количество которых увеличивается пропорционально возрасту минерала. При этом принимается как достаточно обоснованное положение, что скорость радиоактивного распада в истории Земли всё время оставалась постоянной. Разные элементы распадаются с различной скоростью. Распад таких элементов, как уран, торий, калий и некоторых других, происходит очень медленно, на протяжении нескольких млрд. лет. Например, любое количество урана (²³⁸U) распадается наполовину за время, равное 4,51109 млрд. лет, тория (²³²Th) за 1,411010 млрд. лет. Эти долгоживущие элементы обычно и используются для определения абсолютного возраста горных пород и минералов.

В 1907 г. по инициативе Э. Резерфорда Б. Болтвуд в Канаде определил возраст ряда радиоактивных минералов по накоплению в них свинца. В СССР инициатором радиологических исследований был В. И. Вернадский. Его начинания продолжили В. Г. Хлопин, И. Е. Старик, Э. К. Герлинг. В 1937 г. была создана Комиссия по определению абсолютного возраста геологических формаций.

Цифры, полученные в результате первых определений абсолютного возраста пород, позволили английскому геологу А. Холмсу в 1938 предложить первую геохронологическую шкалу фанерозоя.

Геохронологическая шкала докембрия из- за отсутствия остатков скелетной фауны построена главным образом по данным многократных определении абсолютного возраста магматических пород на различных материках, что позволило установить одновременность крупных тектономагматических циклов, лежащих в основе деления докембрия. Эта шкала неоднократно уточнялась и перерабатывалась. Ниже дана геохронологическая шкала фанерозоя, объединённая с геохронологической шкалой докембрия.

*По разным данным, от 600 тыс. до 3,5 млн. лет.

Наиболее древние породы, найденные на Земле, имеют возраст около 4 млрд. лет.

В основу определения абсолютного возраста положено накопление продуктов радиоактивного распада в течении времени, которое выражается формулой: D = Р (еlt- l), где D — число атомов нерадиоактивного вещества, возникших за время t; Р — число атомов радиоактивного элемента в настоящий момент; е — основание натуральных логарифмов; l — константа распада, которая показывает, какая часть атомов радиоактивного элемента распадается за единицу времени (год, сутки, минуты и т.д.) по отношению к первоначальному количеству. Иногда скорость распада выражают периодом полураспада (T) — временем, в течение которого любое количество вещества распадается наполовину. Отношение D/P является функцией возраста (t) минерала. Так:

Отсюда возраст образца минерала (t) может быть вычислен по формуле:

Истинный возраст может быть определён в том случае, если отношение D/P изменяется только от радиоактивного распада, т. е. минерал представляет собой замкнутую систему.

Основные типы радиоактивного распада, используемые для определения возраста, следующие:
²³⁸U²⁰⁶Pb + ⁸⁴He,
²³⁵U²⁰⁷Pb + ⁷⁴He,
²³²Th²⁰⁸Pb + ⁶⁴He,
⁴⁰Ar,
⁴⁰K + eCa + b,
⁸⁷Rb⁸⁷Sr + b,
¹⁸⁷Re¹⁸⁷Os + b.

В зависимости от конечных продуктов распада выделяют следующие методы: свинцовый (уран- торий- свинцовый), гелиевый, аргоновый (аргон- калиевый), кальциевый, стронциевый (стронциево- рубидиевый) и осмиевый. Наиболее широкое применение из них получили свинцовый, аргоновый и стронциевый.

Свинцовый метод основан на исследованиях радиогенного свинца в минералах (уранините, монаците, цирконе, ортите). Он является наиболее достоверным, поскольку решение задачи о возрасте урано- ториевого минерала достигается по трем независимым уравнениям:

Pb, U и Th обозначают содержание в минералах изотопов свинца, урана и тория; l1, l2 и l3 — константы распада изотопов 238U, 235U, 232Th.

Если разделить уравнение (1) на (2), то получится уравнение:

Это уравнение даёт наиболее близкие к истинным значения возраста, что связано с малой его зависимостью от возможных потерь урана и свинца минералом на протяжении его геологической жизни. Оно позволяет вычислить возраст только по одному измеренному отношению, поскольку в настоящее время отношение равно 137,7 и практически во всех минералах и горных породах одинаково. Совпадение значений возраста, полученных по всем четырём уравнениям, свидетельствует о хорошей сохранности исследованного минерала, правильности проведённых анализов и достоверности вычисленного абсолютного возраста. Измерение изотопного состава свинца производится на масс- спектрометре.

Однако чаще различные уравнения дают разные значения возраста одного и того же минерала. В этом случае для установления истины прибегают к построению диаграммы в координатах ²⁰⁶Pb/²³⁸U: ²⁰⁷Pb/²³⁵U (см. ниже). На неё наносят кривую OA (конкордия), вычисленную теоретически для разных возрастов, и прямую OB (изохрона), на которую ложатся результаты измерений для нескольких исследованных одновозрастных минералов. Истинным возрастом считается значение на пересечении кривой OA с прямой OB.

Поскольку все радиоактивные минералы содержат наряду с радиогенным свинцом примесь свинца обыкновенного, при вычислении возраста приходится вносить поправку. Для того, чтобы избежать этого, был предложен метод определения возраста, основанный на измерении изотопного состава свинца в нескольких минералах одной и той же породы с целью построения по полученным результатам изохроны. Диаграмма строится в координатах ²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb; ²⁰⁶Pb /²⁰⁴Pb. Данные изотопного состава свинца минералов, если они одновозрастны, ложатся на одну прямую — изохрону. Тангенс угла наклона этой прямой к оси абсцисс является отношением ²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb, по которому согласно формуле определяется возраст породы.

Может быть вычислен также возраст обычных свинцовых минералов, если известен изотопный состав Pb. Обычный свинец состоит из смеси четырёх изотопов ²⁰⁴Pb, ²⁰⁶Pb, ²⁰⁷Pb, ²⁰⁸Pb, из которых ²⁰⁴Pb не связан с радиоактивным распадом и его содержание условно принимается за единицу. Остальные изотопы порождаются и постепенно накапливаются в результате радиоактивного распада урана и тория, причём темп прироста того или иного изотопа определяется соответствующей константой распада.

Поэтому свинец разных эпох имеет различный изотопный состав: свинец более древних эпох содержит пониженное количество изотопов с массами 206, 207, 208, а в свинце более молодых эпох количество их увеличено относительно ²⁰⁴Pb.

Возраст, вычисленный по изотопному составу рудного свинца, принято называть модельным возрастом, поскольку он справедлив лишь для такой модели (системы), в которой отношение Pb: U: Th изменяется во времени только вследствие радиоактивного распада. В действительности имеют место как совпадения модельного возраста с истинным для ряда месторождений, так и существенные расхождения, которые становятся более частыми в молодых геологических формациях.

Аргоновый метод. Основан на радиогенном накоплении аргона в калиевых минералах. Будучи более доступным благодаря лёгкости получения необходимого материала (калиевые минералы) и относительно простой его обработке, пользуется большой популярностью. Отрицательной чертой его является отсутствие внутреннего контроля (одно уравнение). Как показали многочисленные экспериментальные исследования, калиевые минералы сравнительно легко теряют радиогенный аргон. В меньшей степени это относится к слюдам и в значительно большей степени к полевым шпатам, что делает их малопригодными для определения возраста. Важной положительной чертой аргон- калиевого метода является возможность применения его для определения возраста осадочных отложений по минералу глаукониту. Опыт определения возраста неизмененных глауконитов как молодого (мезокайнозойского), так и древнего возраста показал, что глауконит хорошо удерживает аргон и калий вне зависимости от времени. Несмотря на свою сравнительно малую устойчивость, минерал этот удобен тем, что даже при небольших изменениях, ставящих под сомнение пригодность данного образца, он сразу же обнаруживает изменение окраски и химического состава.

Стронциевый метод, основанный на радиоактивном распаде ⁸⁷Rb и превращении его в ⁸⁷Sr в СССР не приобрёл пока большого распространения. Причина заключается в том, что в районах с высоким общим содержанием рубидия последний может быть привнесён в минералы значительно позже времени их образования, в результате чего при определении возраста этих минералов возможны сильные искажения в сторону "омоложения"; наоборот, в районах с интенсивным щелочным метасоматозом рубидий легко выносится из минералов и тогда значение возраста по ⁸⁷Sr/⁸⁷Rb становится сильно преувеличенным. Обычно при измерении возраста по ⁸⁷Sr/⁸⁷Rb из гранита выделяют составляющие его минералы и в каждом из них определяют ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr и ⁸⁷Rb/⁸⁶Sr. На диаграмме в координатах ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr: ⁸⁷Rb/⁸⁶Sr данные анализов отдельных минералов гранита располагаются на одной прямой — изохроне, вытянутой вправо вверх. Тангенс угла наклона изохроны с осью абсцисс представляет собой величину ⁸⁷Sr/⁸⁷Rb, определяющую возраст данной породы.

Ураново- иониевый анализ представляет одну из разновидностей метода датирования по неравновесному урану. Наиболее достоверные результаты он даёт при использовании биоорганогенных карбонатов — кораллов, раковин моллюсков и т.д. Основой для разработки метода датирования по морским карбонатам служит закономерное нарушение в морской воде радиоактивного равновесия между ураном и продуктами его распада, что благоприятно для установления абсолютного возраста карбоната кальция по накоплению урана из иония. Этим методом датированы такие события, как возраст карангатской трансгрессии Понта и бореальной трансгрессии Белого моря. В настоящее время метод представляет собой один из основных приёмов хронологии палеогеографических событий среднего- начала позднего плейстоцена.

Термолюминесцентный метод (ТЛ, РТЛ) основан на известном эффекте запасания неравновесных носителей заряда на локальных уровнях захвата в диэлектриках под воздействием ионизирующего излучения естественных радионуклидов. В настоящее время и практике ТЛ- анализа используются несколько модификаций метода. Полученные по ним результаты обычно плохо согласуются между собой, а зачастую противоречивы. Однако технологическая простота анализа, мало ограниченный выбор образцов, включающих кварц, полевые шпаты, карбонаты, пеплы и кости из осадков океанических, морских, озерных, аллювиальных, ледниковых и субаэральных фаций, а также широкий возрастной диапазон метода способствует его применению в практике геологических и палеогеографических исследований.

Метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) — один из новейших приемов определения возраста природных событий прошлого, находящийся на стадии активной разработки.

Он основан на том, что в веществе, имеющем парамагнитные центры и обладающем постоянным магнитным моментом, при наложении статического поля Н отмечается резонансное поглощение энергии поля. При ЭПР- датировании используется широкий спектр материалов: раковины моллюсков, кораллы, фораминиферы, кварц, кремни, кости и вулканические стекла. Возрастной диапазон метода — от миллиона до нескольких сотен лет.

Для оценки возраста геологических объектов в пределах 60000 лет огромное значение приобрёл радиоуглеродный метод, основанный на том, что в атмосфере Земли под воздействием космических лучей за счёт обильного азота идёт ядерная реакция ¹⁴N+n= ¹⁴С+Р; вместе с тем ¹⁴С радиоактивен и имеет период полураспада более 5700 лет. В атмосфере установилось равновесие между синтезом и распадом этого изотопа, вследствие чего содержание ¹⁴С в воздухе постоянно. Растения и животные при их жизни всё время обмениваются углеродом с атмосферой, поэтому концентрация в них ¹⁴С поддерживается на постоянном уровне; в мёртвых организмах обмен с атмосферой прекращается и концентрация в них ¹⁴С начинает падать по закону радиоактивного распада. Измеряя содержание ¹⁴С с помощью высокочувствительной радиометрической аппаратуры, можно установить возраст органических остатков. Так, например, по костям и шкуре мамонта на Таймыре был установлен возраст его захоронения (11000 лет). Тот же метод помог датировать эпохи оледенения в Европе и Северной Америке, определить возраст следов древних человеческих культур и т.д.

Возраст отложений и событий определяют разными методами датирования в абсолютных значениях. Они различаются как между собой, так и, возможно, истинным (изотопным или астрономическим) абсолютным возрастом. Создалась парадоксальная ситуация: одни и те же события, датированные разными методами, имеют разный абсолютный возраст. В этой ситуации одним из выходов из «хаоса абсолютных цифр» представляется разработка хронологии событий по каждому методу, при этом возраст их должен оцениваться не как абсолютный, а по тому или иному методу.

Если датировки различными методами ядерной хронологии имеют количественный характер, то временные рубежи по палеомагнитным данным определяют косвенно, при сопоставлении палеомагнитных зон с мировой магнитохронологической шкалой. Известная неопределённость палеомагнитных зон и отсутствие у них индивидуальных характеристик на современном уровне развития палеомагнитных исследований весьма затрудняют их сопоставление с магнитохронологической шкалой и корреляцию событий исключительно по материалам палеомагнетизма. Необходимо привлечение данных других анализов. При палеомагнитных исследованиях плиоцен- плейстоцена важнейший рубеж 0,7- 0,8 млн. лет — граница эпох Брюнеса и Матуямы. Большое значение имеют и палеомагнитные эпизоды и экскурсы. В интервале последних 1,2 млн. лет отмечено не менее 10 сложных геомагнитных событий, часто двойных. Из них наиболее фиксируемыми следует считать следующие: блейк (108- 114 тыс. лет), левантин (или чеган, или одинцово- галич — 266 тыс. лет), харамильо (около 900 тыс. лет), которые в первую очередь используют при внутрирегиональной палеогеографической корреляции.

При дальних палеогеографических корреляциях особенно большой энтузиазм у исследователей связан с использованием изотопно- кислородных данных. Изотопно- кислородный анализ основан на свойстве фракционирования изотопов кислорода, из которых основные — разделение их при фазовых переходах воды (испарение, замерзание, конденсация) и термодинамическая реакция изотопного обмена между кислородом карбонатного иона и водой. Объектами анализа служат морские и континентальные, биогенные и абиогенные образования (фосфатные, кремнезёмные и карбонатные раковины и скелеты, льды и т.д.). Построенная на изотопных материалах кривая по распределению лёгких и тяжёлых изотопов разбита на участки — изотопные зоны, обычно принимаемые за эпохи похолодания и потепления климата и являющиеся реперами при корреляции. Наблюдавшийся за последние 15 лет настоящий бум в привязке различных палеогеографических событий к изотопным стадиям наряду с очевидными успехами корреляции событий дал толчок и к искусственным построениям — вычленению на материках палеогеографических событий, количественно равных изотопным стадиям океана.

В последнее время усложняется и само палеогеографическое истолкование изотопных данных, и метод находится на стадии осмысления его результатов, часто неоднозначных, что исключает его фетишизацию сегодня.

По современным представлениям, изотопная кривая в основном указывает на глобальные изменения объемов континентальных льдов и в меньшей степени на температурные колебания вод океана. Следовательно, сопоставление с этой кривой каких- либо палеогеографических событий в океане и на континентах, строго говоря, некорректно, так как при этом методами изотопии донных осадков сравниваются в основном внутриматериковые события, например оледенения. Изотопно- кислородный метод может использоваться не только для диагностики и корреляции локальных событий, но и быть проникающим и сквозным, что определяется глубиной проработки отмечаемых вариаций изотопного состава и их хронологией.