2. Историческая геология

2. 1. Шкала геологического времени

Главная задача исторической геологии – восстановление истории развития Земли, земной коры и жизни на Земле. Первоочередная цель такого изучения – составление прогноза развития планеты Земля, протекающих на ней геологических процессов и жизни на Земле. Главным объектом исследований служат горные породы – их состав, распространение, условия залегания поставляют информацию о геологическом прошлом. Периодизация событий опирается на понятие о времени относительном и абсолютном. Выделяют геохронологию относительную и абсолютную.

Относительная геохронологияотвечает на вопрос, какая из пород (или геологических тел, например слоев) старше или моложе. Иными словами, относительная геохронология восстанавливает последовательность геологических процессов. В ее основу положены стратиграфический и палеонтологические методы, а также ряд других.

Согласно стратиграфическому(от латин.stratum– слой) методу, при ненарушенном залегании нижележащий слой древнее, а вышележащий моложе. Данный закон был установлен в 1669 г. датским естествоиспытателем Николаусом Стено. Стратиграфическому методу принадлежит основополагающее значение, поэтому остальные методы определения относительного возраста объединяются понятием стратиграфических.

Палеонтологические(биостратиграфические) методы посвящены изучению ископаемых органических остатков, соответственно которым эти методы разделяют на две группы: палеозоологические и палеофлористические. Органические остатки в слоях осадочных горных пород представлены либо окаменелостями, либо углефицированными остатками, либо отпечатками или следами. В редких случаях обнаруживаются неразложившиеся туши животных в многолетнемерзлых породах или в асфальтовых озерах. Применение палеонтологических методов опирается на признание того факта, что каждому продолжительному этапу развития Земли характерны специфические представители органического мира. Этот закон установил английский инженер Уильям Смит в начале ХIХ в.

Ископаемые организмы по их стратиграфическому значению делят на ряд групп:

• руководящие организмы – характерны только данному времени, либо получившие наибольшее значение в отложениях данного времени;

• контролирующие организмы – характерны для слоя данного возраста, но представленные и в соседних, более старых или молодых слоях;

• зарождающиеся и вымирающие организмы – соответственно или впервые появляющиеся, или окончательно исчезающие в слое данного возраста;

• транзитные организмы – их остатки встречаются во множестве слоев, накопившихся за долгое время.

Для выявления относительного возраста слоев используют методы минералого-петрографические, структурно-тектонические, геофизические и другие.

Изменения состава органического мира запечатлены в разновозрастных слоях. Разные по объему слои горных пород, формировавшиеся в течение определенных этапов геологической истории, называются стратиграфическими подразделениями (единицами). Стратиграфические единицы разного ранга входят в состав стратиграфической шкалы. Стратиграфическая шкала – шкала последовательных по времени формирования и соподчиненных стратиграфических подразделений, слагающих земную кору, и отражающих этапы геологической истории Земли. Крупнейшие по объему стратиграфические подразделения – эонотемы, которые последовательно дробятся на более мелкие единицы: эратемы, системы, отделы. Указанные стратиграфические единицы являются общими – едиными для истории всей Земли. Кроме них выделяются меньшие по объему региональные (провинциальные) подразделения: ярус и зона. Наименьшим объемом характеризуются местные подразделения: серия, свита, горизонт и прочие.

Абсолютная геохронологияустанавливает возраст горных пород в годах. Для решения этой задачи используются методы радиоизотопного анализа, изучения сезонно-слоистых осадков и ряд других.

Методам радиоизотопного анализав абсолютной геохронологии принадлежит ведущая роль. Они основаны на природном процессе распада неустойчивых изотопов и превращения их в устойчивые. Применение данных методов опирается на ряд допущений: скорость распада в истории Земли строго постоянна и не зависит от внешних факторов; состав материнских (неустойчивых) и дочерних (устойчивых) продуктов точно известен; конечные продукты распада всегда стабильны. Распад начинается с момента формирования минерала – следовательно, за определенное время из конкретного количества материнских изотопов может возникнуть строго определенное количество дочерних изотопов. Поэтому для определения абсолютного возраста горной породы необходимо знать скорость распада (или полураспада) неустойчивого изотопа, современное содержание в породе материнских и дочерних изотопов. Использование радиоизотопного анализа для определения возраста минералов впервые было предложено П. Кюри в 1902 г., практическое применение этих методов началось с 1907 г. Наиболее употребимы следующие методы (в скобках приведен период полураспада, тогда как полный распад занимает примерно в 10 раз больше времени):

• уран-свинцовый (4,56 млрд. лет) – как правило, для определения возраста кислых магматических пород;

• калиево-аргоновый (1,31 млрд. лет) – при работе с магматическими породами кислого, среднего и основного состава, и многими осадочными породами;

• рубидиево-стронциевый (49,9 млрд. лет) – при изучении возраста самых древних магматических пород кислого и среднего состава;

• самарий-неодимовый (106 млрд. лет) – при изучении возраста древнейших магматических пород основного и ультраосновного состава;

• радиоуглеродный (5 568 лет) – для определения возраста самых молодых органогенных пород, не древнее 30 – 40 тыс. лет.

Методы изучения сезонно-слоистых осадковоснованы на разном вещественном составе слоев, накапливающихся летом и зимой на дне водоемов. Так, в аридных условиях умеренного пояса в сульфатных озерах зимой накапливаетсямирабилит (глауберова соль, Na₂SO₄ · 10H₂O), тогда как летом – гипс (CaSO₄ · 2H₂O). В приледниковых бассейнах зимой отлагается слой глины, летом – алеврита. За год формируется одна пара слоев – количество пар слоев укажет продолжительность существования озера.

С помощью методов радиоизотопного анализа стратиграфическая шкала дополнилась абсолютными возрастными датировками (в миллионах лет). Каждому стратиграфическому подразделению соответствует определенный геохронологический эквивалент (табл. 3). Каждому общему геохронологическому подразделению присвоен буквенный (или буквенно-цифровой) индекс. На геологических картах слои горных пород, соответствующие общим стратиграфическим подразделениям, показываются определенным цветом (или оттенком цвета). Например, отложения юрской системы обозначаются индексомJи включают три отдела: нижний (J₁), средний (J₂) и верхний (J₃) – чем меньше числовой индекс, тем старше отложения. На геологической карте накопления нижнего отдела показываются самым темным оттенком, тогда как верхнему отделу присваивается самый светлый оттенок.Если отделы называются соответственно их стратиграфическому расположению в разрезе: нижний, средний и верхний, то названия их геохронологических эквивалентов (эпох) отражают временную последовательность: ранний, средний и поздний.

Таблица 3