Глава 3.0. относительный возраст горных пород
Относительная геохронология
Одной из главных задач геологии является воссоздание истории развития Земли и
ее отдельных регионов. Сделать это возможно, если только известна последовательность геологических событий, если мы знаем относительный возраст осадочных отложений, слои которых перекрывают друг друга, если мы определили последовательность внедрения интрузивных тел и их соотношение с вмещающими горными породами.
Геология прошла долгий путь, прежде чем соотношения между горными породами стали очевидными и всем понятными принципами, на которых основываются все наблюдения.
1. Во первых, было установлено, что каждый слой отделяется от соседнего ясно выраженной поверхностью. В современных палеогеографических обстановках, в океанах, морях, озерах слои накапливаются горизонтально и параллельно. Этот принцип первичной горизонтальности оказался важным для следующего вывода.
2. В 1669 г. Николо Стено выдвинул принцип суперпозиции, заключавшийся в признании того факта, что каждый вышележащий в разрезе слой моложе нижележащего. Т.о., у каждого слоя есть кровля и есть подошва независимо от того, как эти слои залегают в настоящее время. Они могут быть смяты в складки тектоническими движениями, они могут быть даже перевернуты. Все равно кровля слоя остается кровлей, а подошва – подошвой. Принцип суперпозиции Н.Стено позволил описывать толщи пород, состоящие из множества слоев и устанавливать изменения в них, происходящие во времени.
3. Если в каком-нибудь слое находится обломок, валун, глыба какой-то другой породы, то она древнее, чем этом слой. Точно также и в интрузивных образованиях и в лавовых потоках любое включение – ксенолит является более древним. Это положение можно назвать принципом включений.
4. Знаменитый английский геолог Джеймс Хаттон установил принцип пересечения, заключающийся в том, что любое тело как изверженных, так и осадочных пород, пересекающее толщу слоев, моложе этих слоев.
Перечисленные выше принципы анализа взаимоотношений слоистых толщ и изверженных пород дают возможность правильно выявить относительную последовательность геологических событий. Из них становится очевидным, что какие-либо метаморфические события, т.е. нагревание, воздействие давлением, флюидами, всегда моложе тех толщ, в которых они проявляются. Точно также и складчатость моложе, чем слои на которые она воздействует.
Рассмотрим эти принципы на примере (рис. 3.1). Самыми древними слоями являются слои толщи 4. После их накопления и смятия в складки внедрилась дайка 7, в которой есть ксенолиты пород толщи 4. Затем накопились слои тощи 3, впоследствии смятые в относительно пологие складки. Затем они были прорваны гранитной интрузией
6. Далее образовались слои 2, которые слегка деформировались и в них внедрилась дайка
5. Все отложения пееркрыты слоем 1.
Таким образом, изложенные выше принципы на первом этапе помогают восстанавливать геологическую историю района.
Рис. 3.1.1. Соотношение разновозрастных отложений и пересекающих их интрузивных тел. 1 ,2, 3, 4 – последовательность формирования осадочных пород, толщи которых разделены угловыми несогласиями. Дайка 5 – самая молодая и внедрилась до образования толщи 1. Гранитная интрузия внедрилась до формирования толщи 2, после формирования толщ 3 и 4. Дайка 7 – самая древняя и прорывает только толщу 4
Сопоставление (корреляция) разрезов.
На втором этапе возникает необходимость выделения одновозрастных слоев в разных геологических обнажениях. Каким образом можно доказать, что в удаленных друг от друга разрезах мы видели одни и те же слои?
Один из методов – это прослеживание слоя на местности от одного обнажения до другого. Если местность хорошо обнажена, то этот прием не составляет трудности, особенно, если слой или пачка слоев отличаются от других, например, цветом, характером слоистости, гранулометрией и др.
Другой способ корреляции заключается в предположении. Что породы одного и того же типа формировались в одно и тоже время. Иными словами, если в одном обнажении мы наблюдаем белые кварцевые песчаники с косой слоистостью, образовавшиеся за счет формирования дюн в прибрежной зоне, то, выявив точно такие же песчаники в другом, достаточно удаленном обнажении, мы можем предположить, что эти
песчаники имеют один и тот же возраст. Подобная корреляция наиболее успешна, когда имеются хорошо отличающиеся друг от друга слои или толщи слоев (рис. 3.2).
Еще один способ сопоставления удаленных друг от друга разрезов заключается в сравнении распространенной в них фауны. Существуют формы ископаемых организмов, которые имеют широкое площадное распространение и очень узкий вертикальный интервал существования, т.е. они жили краткое время. Такие формы организмов называют руководящими.Присутствие подобных окаменелостей в слоях разных обнажений,даженесмотря на то.
Рис. 3.1.2. Корреляция отложений по составу
Что слои могут различаться и по составу, и по мощности, однозначно свидетельствует об одновозрастности этих слоев. Сопоставление фауны и литологического состава отложений позволяет выявлять в разрезах отсутствие некоторых слоев, т.е. установить перерыв в осадконакоплении (рис. 3.3 ).
Рис. 3.1.3. Сопоставление разрезов палеонтологическим методом. Слой 3 отсутствует в разрезах Б и В. Остальные слои прослеживаются во всех разрезах
В настоящее время для корреляции осадочных морских отложений широко используется микрофауна – фораминиферы, имеющие известковый скелет и радиолярии с кремневым скелетом. Для сопоставления континентальных и реже морских отложений используются споры и пыльца растений. Таким образом, корреляция осадочных толщ, основанная на палеонтологических остатках, является одним из важнейших методов сопоставления геологических разрезов, удаленных друг от друга.
В последние 25 лет для корреляции осадочных толщ не выходящих на поверхность Земли или расположенных ниже дна океана или моря используется специальный геофизический метод, основанный на отражении сейсмических волн от слоев разной плотности.
Рис. 3.1.4. Непрерывное сейсмические профилирование. 1 – корабль; 2 –источник звуковых волн; 3 –приемникотраженных сигналов; 4 – вода; 5 – морское дно. Стрелками показано отражение звуковых волн от различных слоев на морском дне
Этот метод, названный сейсмостратиграфическим, позволяет получать как бы геологический профиль на расстоянии десятков километров и по специфическому рисунку отражений сейсмических волн от кровли и подошвы различных слоев прослеживать их и коррелировать между собой. Сейсмостратиграфия особенно широко используется при поисковых работах на нефть и газ, т.к. позволяет сразу же выделять места, благоприятные для скопления углеводородов.
Рис. 3.1.5. Пример сопоставления сейсмостратиграфических разрезов по двум районам, в которых пробурены 2 скважины (черные звездочки)
В настоящее время также широко используется палеомагнитный метод корреляции отложений. Все горные породы, как магматические, так и осадочные, в момент своего образования приобретают намагниченность, отвечающую по направлению и по силе магнитному полю данного времени. Эта намагниченность сохраняется в породе, поэтому и называется остаточной намагниченностью, разрушить которую может лишь нагревание до высоких температур, выше точки Кюри, ниже которой магматические породы приобретают намагниченность либо, скажем удар молнии. В истории Земли неоднократно происходила смена полярности магнитного поля, когда северный и южный полюса менялись местами, а горные породы приобретали прямую (положительную, как в современную эпоху) или обратную (отрицательную) намагниченность. Сейчас разработана подробная шкала смены полярности для всего фанерозоя, но особенно для мезозоя, успешно применяемая для корреляции базальтов и осадков океанического дна. Существуют и другие методы корреляции отложений (рис. 3.1.6).
Рис. 3.1.6. Электрокаротажные кривые в скважинах, помогающие выявить пласты песчаников в толще пород с относительно высоким сопротивлением. На кривых хорошо видны «пики», соответствующие песчаникам
Геохронологическая и стратиграфическая шкалы.
Одной из важнейших задач геологии является реконструкция геологической истории Земли. Для выполнения этой задачи необходима информация о событиях и отложениях, которые имели место от момента образования Земли и до наших дней. Так была создана сначала стратиграфическая шкала (лат. «стратум» – слой, «графо» – описываю), в которой были показаны слоистые осадочные отложения от древних к молодым, а в 1881 г. на 2-м Международном геологическом конгрессе в г. Болонье (Италия) стратиграфическая шкала была совмещена с геохронологической, в которой уже были указаны временные рамки стратиграфических подразделений. После этого, на протяжении почти 120 лет геохронологическая шкала дополнялась и уточнялась и сейчас она выглядит следующим образом (табл.8).
Наиболее крупным подразделением является эон, которых выделяется 3: 1) архейский (греч. «археос» –древнейший) –более3,5-2,6млрд.лет; 2) протерозойский (греч. «протерос» – первичный) – 2,6 млрд. лет - 570 млн. лет; 3) фанерозойский (греч. «фанерос» – явный) – 570 – 0 млн. лет. Эоны подразделяются на эры, а они в свою очередь на периоды и эпохи (см. геохронологическую шкалу).
Фанерозойский эон подразделяется на эры: палеозойскую ( греч. «палеос» – древний, «зоо» - жизнь) (6 периодов); мезозойскую (греч. «мезос» – средний) ( 3 периода)
и кайнозойскую (греч. «кайнос» –новый) (3периода). 12периодов названы по тойместности, где они были впервые выделены и описаны – кембрий – древнее название полуострова Уэльс в Англии; ордовик и силур – по названию древних племен, живших также в Англии; девон – по графству Девоншир опять-таки в Англии; карбон – по каменным углям; пермь – по Пермской губернии в России и т.д. Геологические периоды обладают разной длительностью от 20 до 100 млн. лет. Что касается четвертичного периода или антропогена ( греч. «антропос» – человек), то он по длительности не превышает 1,8-2,0 млн. лет, но он еще не окончен.
Следует обратить внимание на стратиграфическую шкалу, которая имеет дело с отложениями. В ней употребляются другие термины: эонотема (эон), эратема (эра), система (период), отдел (эпоха), ярус (век). Поэтому мы говорим, что в «в каменноугольный период формировались залежи каменного угля»,но«каменноугольнаясистема характеризуется распространением угленосных отложений». В первом случае речь идет о времени, во втором – об отложениях.
Все подразделения геохронологической и стратиграфической шкал ранга периода-
системы обозначаются по первой букве латинского наименования, например кембрий є, ордовик – О, силур – S, девон – D и т.д., а эпохи (отделы) – цифрами – 1,2,3, которые
Таблица 8.
Геохронологическая и стратиграфическая шкалы
| Шкала абсолютного | |||||||||
| Период | Эпоха | времени,млн.лет | |||||||
| (система) | (отдел) | ||||||||
| Эон(эонотема) | Эра(эратема) | Началоиконецпериода | Продолжитель | ||||||
| Периода | эпохи | ||||||||
| ность | |||||||||
| четвертичный | 1,7 | 1,7 | |||||||
| - KZ | |||||||||
| Кайнозойская | неогеновый | Плиоценовая | |||||||
| миоценовая | |||||||||
| палеогеновый | Олигоценовая | ||||||||
| Эоценовая | |||||||||
| палеоценовая | |||||||||
| меловой | Поздняя | ||||||||
| ранняя | |||||||||
| юрский | Поздняя, или | ||||||||
| -MZ | Мальмская | ||||||||
| Средняя, или | -60 | ||||||||
| Мезозойская | Доггерская | ||||||||
| Ранняя, или | |||||||||
| лейасовая | |||||||||
| триасовый | Поздняя | ||||||||
| Средняя | |||||||||
| Й | ранняя | ||||||||
| пермский | Поздняя | ||||||||
| З О | |||||||||
| ранняя | |||||||||
| О | |||||||||
| каменноугольный | Поздняя | ||||||||
| Е Р | |||||||||
| Средняя | |||||||||
| Н | ранняя | ||||||||
| Ф А | |||||||||
| девонский | Поздняя | ||||||||
| Средняя | |||||||||
| ранняя | |||||||||
| Силурийский | Поздняя | ||||||||
| PZ | ранняя | ||||||||
| Ордовикский | Поздняя | ||||||||
| Палеозойская | Средняя | ||||||||
| Средняя | |||||||||
| ранняя | |||||||||
| Кембрийский | Поздняя | ||||||||
| Ранняя | |||||||||
| вендская | |||||||||
| верхний | Рифей-R | ||||||||
| протерозой | |||||||||
| нижний | |||||||||
| Архей - AR | верхни | й | |||||||
| нижний | Более 900 | ||||||||
ставятся справа от индекса внизу: нижняя юра J1, верхний мел – К2 и т.д. Каждый период (система) имеет свой цвет, которым и показывается на геологической карте. Эти цвета общепринятые и замене не подлежат.
Геохронологическая шкала является важнейшим документом, удовлетворяющим последовательность и время геологических событий в истории Земли. Ее надо знать обязательно и поэтому шкалу необходимо выучить с первых же шагов изучения геологии.
3.2. Изотопные методы определения возраста минералов и горных пород
Многочисленные попытки найти в макромире часы, которые бы позволяли надежно устанавливать возраст горных пород и руд, время проявления и длительность геологических процессов, не увенчались успехом. Такие часы скрывались в микроскопическом мире атомов, и обнаружение их стало возможным только после открытия в 1896 г. французским физиком А. Беккерелем явления радиоактивного распада. Было также установлено, что процесс радиоактивного распада происходит с постоянной скоростью, как на нашей Земле, так и в Солнечной системе. На этом основании П. Кюри (1902) и независимо от него Э. Резерфорд (1902) высказали мысль о возможности использования радиоактивного распада элементов в качестве меры геологического времени. Так наука в начале XX столетия подошла к созданию часов, основанных на радиоактивных природных превращениях, ход которых не зависим от геологических и астрономических явлений.
Первые определения возраста по отношению Pb/U были сделаны в США Б. Болтвудом в 1907 г. Для трех образцов уранинита были получены значения возраста от 410 до 535 млн. лет, которые хорошо согласуются с более поздними датировками. Важным техническим достижением в геохронологии было изобретение Ф.В.Астоном (1927) масс-спектрографа - прибора, предназначенного для измерения масс изотопов. Изотопами называются разновидности атомов, имеющие одно и то же число протонов (Z), а, следовательно, один и тот же атомный номер в Периодической таблице элементов, но разное число нейтронов (N) и, соответственно, разные массовые числа (A), т. к. масса ядра складывается из суммы масс входящих в него протонов и нейтронов, т. е. A = Z + N. При указании химического символа изотопа, его массу принято записывать слева
вверху, а заряд ядра слева внизу: 92 238U, 92 235U, 62147Sm, 614C и т. д.
Э.Резерфордом (1899) было установлено, что при радиоактивном распаде испускаются три вида компонентов, которые он обозначил буквами греческого алфавита – α, β и γ. В последующем было установлено, что α - частицы являются
быстродвижущимися ядрами гелия, β - частицы – быстрыми электронами, γ – компонент представляет собой электромагнитное излучение, подобное рентгеновским X - лучам. По наименованию частиц, испускаемых радиоактивными элементами, названы соответствующие типы радиоактивного распада.
Альфа(α) –распад испытывают только тяжелые химические элементы.Причинойэтому служат, по-видимому, высокие содержания в их ядрах положительно заряженных частиц – протонов, создающих высокую энергию кулоновского отталкивания, ослабляющего связь нуклонов (т.е. протонов и нейтронов) в ядре. При достижении некоторого критического значения Z и A, ядру становится энергетически выгоднее переход в состояние с меньшим числом ядерных частиц. Распад ядра сопровождается
| испусканием α – частицы (иона | 2 4He) | и образованием нового ядра, в котором | ||
| нейтронов (N) меньше на 2 и протонов (Z) на 2, т.е. (A, Z) → (A- 4, Z –2) + 2 4He. | ||||
| β- распад ( или электронный | распад), | состоит в том, что ядро самопроизвольно | ||
испускает β- - частицу – электрон, характеризующийся отрицательным зарядом, и нейтральную элементарную частицу – антинейтрино (ν). Для ядра энергетически не выгодно сверхнормативное число нейтронов относительно протонов и оно будет стремиться избавиться от лишних нейтронов, путем распада одного из них на протон, электрон и антинейтрино. Новообразованный электрон выбрасывается из ядра, а возникшее новое ядро будет обладать зарядом на единицу большим: (A, Z)→ (A, Z+1) + β- + ν. Из других видов радиоактивного распада, отметим K – захват и спонтанное деление.
K –захват(или электронный захват). При этом типе распада,ядро захватываетэлектрон из ближайшего к нему K – уровня электронного облака. В ядре электрон соединяется с протоном и превращает его в нейтрон. В итоге при K –захвате заряд уменьшается на единицу, а массовое число остается постоянным: (A, Z) + β- → (A, Z-1) + γ.
Спонтанное(или самопроизвольное)деление ядра на два,сравнимых по массеосколка, является свойством очень тяжелых ядер. Оно было открыто в СССР
К.А.Петржаком и Г.Н. Флеровым в 1940 г. Процесс этот очень медленный. Например, на 2 230 000 α – распадов 238U приходится всего один акт спонтанного деления. Возрасты горных пород и минералов обычно выражаются в 106 и 109 лет, или в значениях Международной системы единиц (СИ): Ma и Ga. Эта аббревиатура образована от латинских Mega anna и Giga anna, означающих, соответственно, « млн. лет » и « млрд. лет ».
Все типы радиоактивных превращений подчиняются закону радиоактивногораспада.Этот закон определяет зависимость между числом изотопов в закрытой системе(минерале, породе) в момент ее образования No и числом атомов Nt не распавшихся по прошествии времени t: No = Nt eλt, где
λ-постоянная распада–доля распавшихся ядер данного изотопа за единицу времени,отобщего их количества в закрытой системе (минерале, породе). Размерность этой единицы
– год-1; е – основание натуральных логарифмов. Из закона радиоактивного распада, выведено главное уравнение геохронологии, по которому вычисляется возраст,
отсчитываемый радиоактивными часами: t = 1/λ ln (Nk / Nt +1) ,где
Nk – число изотопов конечного продукта распада; Nt -число радиоактивных изотопов,нераспавшихся по прошествии времени t. Таким образом, чтобы определить возраст минерала или породы (t), достаточно измерить количество материнского радионуклида и продукта его распада – стабильного дочернего изотопа. Численное значение λ для каждого радиоизотопа определяется особо и при обычной работе берется из таблиц. Вместо постоянной распада радиоактивного изотопа на практике часто используется другая его характеристика – период полураспада (T½) – время, за которое число радиоактивных ядер данного изотопа убывает на половину. Период полураспада связан с постоянной распада следующим отношением: T½ = ln2 / λ = 0.693 / λ.
Названия изотопно-геохронологических методов обычно образуются из названий радиоактивных изотопов и конечных продуктов их распада. По этому признаку различают: уран-торий-свинцовый (часто уран-свинцовый), калий-аргоновый, рубидий-
стронциевый, рений-осмиевый и др. методы. Иногда названия даются только по конечному (стабильному) продукту радиоактивного превращения: свинцовый, аргоновый, стронциевый методы и т. д.
Рассмотрим в качестве примеров некоторые изотопно-геохронологические методы (табл. 9).
Таблица 9