Абсолютная (радиоизотопная) геохронология.
Методы абсолютной геохронологии основаны на явлении радиоактивного распада – способности некоторых изотопов химических элементов самопроизвольно распадаться. А точнее – на законе постоянства скорости этого распада. Благодаря факту такого постоянства мы можем, измерив содержания в минерале или в горной породе радиоактивного изотопа и продукта его распада, рассчитать время, которое прошло с момента образования породы или минерала. Следует оговорить некоторую условность термина «абсолютная геохронология». Во-первых, все аналитические методы имеют ту или иную погрешность, и все вычисления в изотопной геохронологии не дают абсолютно точных результатов. Во-вторых, соотношение изотопов может нарушаться различными природными процессами, и мы не всегда можем быть полностью уверены, что в нашем конкретном случае такого воздействия не было. В-третьих, все цифры в годах (точнее, в миллионах лет) основаны на допущении, что константы скорости радиоактивного распада всегда оставались неизменными, в чём полной уверенности также быть не может. Не исключено, что с течением времени, в процессе эволюции Вселенной, эти константы постепенно изменялись в ту или иную сторону – и тогда реальная продолжительность промежутков времени будет несколько отличаться от получаемой нами в расчётах. Поэтому специалисты предпочитают более корректно говорить не об «абсолютной» а об изотопной геохронологии.
Скорость распада радиоактивного изотопа характеризуется периодом его полураспада. Это время, в течение которого распадается половина количества атомов данного изотопа в вещественном агрегате. За следующий равный промежуток распадается половина оставшегося количества, и так далее, пока распад не завершится полностью.
В настоящее время используются различные методы изотопной геохронологии, основанные на определениях содержаний следующих пар радиоактивных изотопов и продуктов распада.
Урано-свинцовый метод:
238U Þ 206Pb. Период полураспада T = 4,53´109 лет
235U Þ 207Pb. T = 0,713´109 лет.
Ториево-свинцовый метод:
232Th Þ 208Pb. T = 13,89´109 лет.
Рубидий-стронциевый метод.
87Rb Þ 87Sr. T = 4,99´1010 лет.
Калий-аргоновый метод:
40K Þ 40Ar.
Радиоуглеродный метод:
14C Þ 14N. T = 5750 лет.
В последнее время, по мере увеличения чувствительности аналитического оборудования, всё шире начинают применяться методы, основанные на изучении соотношений изотопов, имеющих весьма низкие кларки: самарий-неодимовый, рений-осмиевый и другие.
Каждый метод имеет свои достоинства и недостатки, и применим для различных задач и в различных условиях. Во-первых, разные горные породы характеризуются различными исходными содержаниями тех или иных радиоактивных изотопов. Во-вторых, каждый изотоп имеет свою скорость радиоактивного распада, и потому каждая пара пригодна для определения промежутков времени разной продолжительности. Особняком здесь стоит радиоуглеродный метод, основанный на применении радиоактивного изотопа углерода 14С, имеющего период полураспада менее 6000 лет. Даже при самых высоких концентрациях этого изотопа весь его объём в конкретном объекте датирования распадётся менее чем за 100 тысяч лет. Этого изотопа в природе вообще бы давно не существовало, если бы он постоянно не формировался бы в верхних слоях атмосферы под действием космической радиации. Свою специфику применения имеет и калий-аргоновый метод. Заключается она в том, что аргон – газ, и легко теряется при различных воздействиях на горную породу. Поэтому его применение требует особо тщательной проверки факта отсутствия таких воздействий с момента образования породы и до наших дней.
Возможности применения изотопно-геохронологических методов, как и палеонтологических ограничены рядом условий. Эти условия таковы:
- сингенетичность минерала и горной породы (горная порода и слагающие её минералы должны сформироваться в едином процессе, иначе время формирования породы останется неопределимым);
- достаточное содержание анализируемых изотопов;
- ненарушенность изотопной системы последующими процессами;
- возможность контроля достоверности результатов.
Из первого условия следует, что применение изотопно-геохронологических методов наиболее эффективно для магматических пород, так как и вся порода, и слагающие её минералы формируются одновременно при кристаллизации расплава. При этом можно применять различные варианты метода: определять соотношение изотопов в горной породе в целом или в отдельных минералах. Последний вариант более трудоёмок, но он надёжнее: из объёма анализируемого материала можно сразу исключить ксеногенные (захваченные) и вторичные минералы, возраст которых может оказаться в первом случае – значительно более древним, а во втором – значительно более молодым. Варианты – определения по отдельным минералам и по породе в целом. Наименее пригодны изотопные методы для определения возраста пород осадочного происхождения, особенно терригенных. В них слишком мало минералов, образовавшихся в процессе накопления осадка, и притом они далеко не всегда содержат радиоактивные изотопы. Что касается метаморфических пород, то изотопное датирование помогает установить время появления метаморфического процесса, который нередко оказывается многостадийным, растянутым во времени.
Возможности контроля (проверки достоверности определений возраста) при использовании изотопных методов разнообразны. Может применяться анализ соотношений по разным минералам, анализ одних и тех же образцов различными методами. Наиболее эффективным считается применение изохронного метода, при котором отбираются и анализируются несколько проб из разных частей одного породного тела, в которых исходное содержание радиоактивного изотопа может быть различным. Результаты исследований наносятся на диаграмму, и, если соотношение изотопов осталось не нарушенным, все точки, характеризующие содержание продуктов распада, должны лечь на одну линию (изохрону).
Геохронологические шкалы.
На основе данных изотопной геохронологии могут быть количественно определены возраста границ подразделений общей стратиграфической шкалы и иных шкал, рассчитана продолжительность хронологических подразделений (акронов, эонов, эр, периодов и т.д.). Такая стратиграфическая шкала, дополненная изотопно-геохронологическими данными, называется геохронологической шкалой. Датировки основных рубежей общей геохронологической шкалы приведены в таблице ???.
Палеомагнитный метод.
Применение палеомагнитных методов определения возраста основано на явлении остаточной намагниченности горных пород. Все частицы магнитных минералов, содержащиеся в горной породе, приобретают в ходе её формирования закономерную ориентировку. Она соответствует ориентировке силовых линий магнитного поля Земли в данной точке. В дальнейшем эта ориентировка сохраняется, и, измерив её с помощью чувствительных приборов, можно установить положение данной точки местности относительно геомагнитного полюса в момент образования породы. Это положение характеризуется двумя величинами. Магнитное склонение указывает направление на прежнее положение магнитного полюса, а магнитное наклонение (определяется углом наклона силовых линий к горизонту) – расстояние до него.
Установлено, что в геологическом прошлом, в результате движений литосферных плит, положение каждого блока земной коры относительно магнитных полюсов непрерывно изменялось. Зная координаты полюсов относительно каждого крупного блока земной коры на конкретные моменты геологического времени, можно использовать измерения остаточной намагниченности для определения возраста горных пород.
Дополнительно помогают при определении возраста палеомагнитным методом инверсии геомагнитного поля. Установлено, что в истории Земли северный и южный магнитные полюса периодически менялись местами. Соответственно, в истории нашей планеты выделены эпохи прямой (соответствующей современной ориентировке магнитного поля) и обратной (противоположной) полярности. Разработаны палеомагнитные шкалы, на которых показано чередование эпох прямой и обратной полярности и продолжительность каждой эпохи. Наиболее пригодны такие шкалы для изучения возраста отложений, формировавшихся в условиях непрерывного осадконакопления (в основном морских).