Вік гірських порід та їх періодизація

Вступ

Виконання даної лабораторної роботи ставить за мету навчити студентів основних методів і прийомів визначення віку гірських порід і структурних форм земної кори, щоб зробити з цього практично важливі висновки і рекомендації для наукового обґрунтування родовищ корисних копалин в породах різного вікового складу і визначення перспектив їх пошуку і розвідки в різних стратиграфічних комплексах. Одночасно з цим студенти повинні знати і вміти визначати послідовність утворення складових земної кори і геологічних об’єктів певних територій з метою їх періодизації і відображення послідовності геохронологічних подій в їх розвитку.

2 Обґрунтування роботи і методика їх виконання

З початку зародження цивілізації людину постійно цікавив вік Землі та її геологічних об’єктів, тривалість і послідовність геологічних подій. Однак в основу визначення віку Землі та її геологічних тіл покладались досить приблизні допущення, а тому оцінка з цих позицій надзвичайно умовна і не відображає всієї послідовності геохронологічних подій їх розвитку. Тому геохронологія подій в історії розвитку Землі, її вік, а також історія розвитку і вік земної кори, є предметами детального вивчення, поскільки ці питання мають надзвичайно важливе і практичне значення.

Зараз в історії формування і розвитку Землі та гірських порід виділяють догеологічний і геологічний періоди. Догеологічний період охоплює проміжок часу від моменту виникнення Землі як планети до початку формування земної кори. Геологічний період охоплює проміжок часу від початку формування земної кори до сьогодення, коли на земній кулі почали проявлятись ендогенні та екзогенні процеси.

Складний і довготривалий період розвитку земної кори можна відновити на основі вивчення її речовинного складу, форм залягання мінеральних мас, структурних форм різних геологічних тіл, залишків рослинного і тваринного світу, які збереглися при захороненні в мінеральних масах земної кори.

Для достовірного визначення складних поєднань гірських порід і структурних форм в геології існують відносна та абсолютна системи геологічного літочислення. Відносне літочислення визначає вік геологічних об’єктів і послідовність їх утворення стратиграфічними методами. Абсолютне літочислення визначає час виникнення гірських порід, проявлення геологічних процесів, їх тривалість в астрономічних одиницях (роках) радіологічними методами.

3 Відносний вік гірських порід та методи їх визначення

Методи визначення відносного віку гірських порід базується на їх порівняльному аналізі та виявленні їх більш давніх і більш молодих гірських порід. Ці методи не дають змоги встановити тривалість їх геологічного формування, але з високою точністю визначають відносний вік сумісного залягання порід.

Зараз відносна геохронологія використовує стратиграфічний, палеонтологічний та петрографічний методи.

3.1 Стратиграфічний метод

Стратиграфічний метод базується на вивченні взаємного співвідношення послідовності залягання шарів гірських порід в геологічному розрізі. При цьому приймається, що в природі нижній шар більш давній, ніж розташовані над ним шари. Це правило справедливе для непорушеного (первинного) залягання шарів гірських порід. Оскільки первинне залягання шарів може бути зміненим наступними тектонічними рухами, то шари можуть зім’ятися у складки, розірватися і переміститися один відносного другого на значні відстані. Тому метод можна застосовувати тільки в тому випадку, коли в розрізі кожний вищележачий пласт залягає узгоджено на нижчележачому без розмиву і пов’язаний з останнім поступовим переходом. Він практично непридатний для районів сильної складчастості, насувів та інших тектонічних дислокацій.

3.2 Палеонтологічний метод

Палеонтологічний метод базується на вивченні наявних в шарах гірських порід скам’янілих залишків вимерлих тварин і рослин, які були найбільш широко розповсюджені в цей період. В основі методу лежить закон, відповідно до якого в природі не може існувати зворотна еволюція органічного світу. Організм ніколи не може повернутися до передпредкового стану навіть тоді, коли він знаходиться в умовах, близьких до умов існування його предків. Порівняння скам’янілостей залишків рослин і тварин дає змогу встановити процес розвитку органічного світу і виділити в геологічній історії Землі ряд етапів з характерними для кожного з них тваринами і рослинами. Встановивши подібність керівних скам’янілостей флори і фауни в шарах гірських порід, приходять до висновку про їх одночасне утворення.

Цей метод широко застосовують в геології, оскільки він дає можливість визначити приблизний вік будь-яких шарів, які містять залишки скам’янілих організмів, незалежно від порушень залягання гірських порід і відстані між територіями вивчення. Особливо важливе значення він має при стратиграфічному розчленуванні флішевих відкладів, коли вся монотонна товща гірських порід виражена порівняно однаковим складом на значній території. Застосування методу неможливе тільки у випадку відсутності залишків рослин і тварин, тобто у так званих “німих” товщах гірських порід.

3.3 Петрографічний метод

Петрографічний метод базується на виділенні інтервалів шарів або групи шарів, які відмінні від підстелюючих або перекриваючих інтервалів пластів за кольором, речовинним складом, структурними і текстурними особливостями, включеннями, піщанистістю, глинистістю та іншими петрографічними показниками. Потім в розрізі встановлюють найбільш помітні, відмінні від інших шари і пачки шарів. Наприклад, серед ритмічного чергування темно-сірих аргілітів і глинистих сланців зустрічаються пласти роговиків або туфітів, а серед монолітної товщі пісковиків – прошарки конгломератів, доломітів або строкатих аргілітів. Такі шари або пачки шарів можуть спостерігатися на значних площах. Такі шари отримали назву маркуючих горизонтів. За їх допомогою вдається порівняти розрізи між собою і побудувати зведений розріз для окремої площі, району або навіть цілого регіону. Однак маркуючі горизонти по площі можуть змінювати свій літологічний склад і вік при простяганні на великі відстані. Тому застосування методу у широких масштабах і у віддалених один від одного розрізах може призвести до ненадійного встановлення відносного віку окремих шарів і прошарків в одній і тій же товщі порід.

Не дивлячись на вказані недоліки цього методу, він є досить надійним при вивченні метаморфічних і магматичних порід. Без нього практично неможливо визначити відносний вік гнейсів, кварцитів, гранітів, діоритів та інших гірських порід.

До петрографічного методу належить також мінералогічний метод, коли окремі шари і пачки шарів (горизонтів) порівнюють за мінералогічними асоціаціями, ступенем діагенезу і метаморфізму. Застосовується він виключно на обмеженій площі, де при геологічному розвитку земної кори діяли абсолютно однакові процеси.

4 Абсолютний вік гірських порід та

методи їх визначення

Абсолютна геохронологія визначає вік гірських порід в роках, тисячоліттях, мільйонах і мільярдах років. Визначення віку проводиться за вмістом продуктів розпаду радіоактивних хімічних елементів, що містяться в гірських породах і мінералах. Процес розпаду проходить з постійною швидкістю протягом геологічної історії розвитку Землі. В результаті радіоактивного розпаду з’являються атоми стійких елементів, які не піддаються подальшому розпаду. Їх кількість збільшується відповідно до віку гірських порід. Різні елементи розпадаються з різною швидкістю, а тому розроблено декілька методів визначення віку гірських порід та створено шкалу абсолютного літочислення історії Землі.

Провідними методами ядерної геохронології є радіовуглецевий, калій-аргоновий, стронцієвий та свинцево-урано-торієвий.

Радіовуглецевий метод застосовують для визначення віку гірських порід в межах до 60 тис. років. В атмосфері встановилась постійна концентрація атомів радіоактивного вуглецю ¹⁴С з періодом напіврозпаду понад 5700 років. Рослини і тварини в процесі життєдіяльності засвоюють його в такій концентрації, в якій він знаходився в атмосфері у певний період. Після їх відмирання обмін речовин припиняється, а концентрація ¹⁴С в залишках організмів починає зменшуватися у зв’язку з його розпадом. Заміряючи вміст ¹⁴С, можна встановити вік органічних залишків і відповідно гірських порід та час різних геологічних та історичних подій. За допомогою даного методу встановлено епохи зледеніння в Європі та в Північній Америці.

Калій-аргоновий метод базується на визначенні вмісту радіоактивного аргону в калієвих мінералах. Оскільки відомо, що в процесі самочинного розпаду калію 11% атомів ⁴⁰К переходять в аргон ⁴⁰Ar, а решта 89% – в ізотоп кальцію ⁴⁰Ca, вік мінеральних утворень при цьому визначається за величиною співвідношення ⁴⁰Ar/ ⁴⁰К. Чим більше це співвідношення, тим старший об’єкт, який підлягає визначенню. Однак радіогенний аргон відносно швидко випромінюється із багатьох гірських порід. Тому цей метод застосовується переважно для визначення абсолютного віку осадових порід, які досить надійно затримують в собі радіогенний аргон. Крім того, можливості його застосування обмежуються температурою і тиском. Якщо породи піддавались нагріванню понад 300°С і високому тиску, то його застосування для визначення абсолютного віку гірських порід недоцільне.

Стронцієвий метод базується на розпаді рубідію ⁸⁷Rb і перетворенні його в ізотоп стронцію ⁸⁷Sr, якого за всю історію геологічного розвитку Землі накопичилось трохи більше 7%. Ізотоп ⁸⁷Rb присутній переважно у вигляді домішок в калієвих мінералах. Найчастіше це бувають польові шпати, слюди, біотит, мусковіт, лепідоліт. Абсолютний вік гірських порід цим методом визначають порівнянням співвідношення цих ізотопів з еталоном, який має нерадіогенне походження.

Стронцієвий метод переважно використовується для встановлення абсолютного віку вивержених магматичних порід, а також вапняків осадових гірських порід.

Свинцево-урано-торієвий метод використовується в різних варіантах і на сьогодні залишається одним з найбільш досконалих методів визначення абсолютного віку гірських порід. Базується він на тому, що свинець і гелій є кінцевими продуктами розпаду урану і торію. Для визначення віку за свинцем використовують мінерали монацит, циркон, ураніт та ортіт, які зустрічаються в магматичних породах. Вік порід встановлюється за ізотопним співвідношенням ²⁰⁶Pb/²³⁸U, ²⁰⁷Pb/²³⁵U, ²⁰⁸Pb/²³²U, що дає можливість контролювати одержані результати.

Відхилення значень віку, обчисленого з наведених співвідношень, переважно невеликі і дають змогу визначити абсолютний вік вивержених і метаморфічних гірських порід, для яких інші методи не дають позитивного результату.

Широке застосування радіологічних методів дали можливість визначити абсолютний вік давніх порід, які належать до різних підрозділів шкали відносного літочислення, і прийти до висновку, що формування земної кори розпочалось близько 4,5 млрд. років тому. Однак слід зазначити, що на всіх континентах нашої планети максимальний вік гірських порід становить 3,6-3,8 млрд. років. Одночасно вік древніх гірських порід Місяця сягає 4,5 млрд. років. Якщо припустити одночасність процесів утворення планет земної групи, то доводиться констатувати, що на Землі не встановлено порід такого віку. Можливо вони знаходяться на глибинах, недоступних для вивчення, або зазнали суттєвих змін при проявленні різних геологічних процесів за тривалий період розвитку Землі як планети Сонячної системи.

5 Геохронологічна шкала

Аналіз багатогранних форм розвитку органічного світу на нашій планеті та дані абсолютної геохронології дали можливість виділити ряд підрозділів, які складають геохронологічну шкалу (табл. 8.1).

Геохронологічна шкала являє собою послідовний ряд геохронологічних еквівалентів загальних стратиграфічних підрозділів та їх таксономічної підпорядкованості, що визначають етапи розвитку Землі та її органічного світу.

Підрозділи часу в геохронологічній шкалі відповідають певному рангу стратиграфічних підрозділів. Стратиграфічні підрозділи застосовуються для позначення комплексу шарів гірських порід, а геохронологічні – для позначення часу, протягом якого ці комплекси шарів накопичувались.

В історії розвитку Землі виділяють дві найбільші одиниці (еони) – криптозой і фанерозой.

Криптозой – найдавніший етап в історії розвитку земної кори та утворення найдавніших порід з ізотопним віком понад 3,5 млрд. років до початку кембрійського періоду. Протягом криптозою проявилися тектонічні деформації земної кори. Вони складають фундамент Східноєвропейської платформи і виходять на поверхню в межах Українського щита.

Відповідно до стратиграфічної шкали криптозой поділяють на архей і протерозой.

Архей – найдавніший відрізок часу формування земної кори, нижній з двох підрозділів криптозою (докембрію). Нижня геохронологічна межа архею становить 3650 млн. років, а верхня (з протерозоєм) – 2600 млн. років.

Протерозой – давній етап формування земної кори, верхній з двох підрозділів криптозою. Настав він після архею. Його нижня геохронологічна межа становить 2600 млн. років, а верхня – 570 млн. років. Для раннього протерозою характерне глобальне розширення континентальної земної кори, утворення глибинних розломів і рифтів та магматична діяльність. Протягом пізнього протерозою формувався осадовий чохол, утворений з порід, близьких за складом до фанерозою. Подекуди породи деформовані внаслідок байкальської складчастості.

Таблиця 8.1 – Геохронологічна шкала

Еон	Група (ера), тривалість, млн. років	Система (період), тривалість, млн. років	Відділ (епоха)
Фа н е р о з о й с ь к и й	Кайнозойська KZ 67-70	Четвертинна (четвертинний) – Q 1,0-1,5	Сучасний (сучасна) – Q4 Верхньочетвертинний (пізньочетвертинний) – Q3 Середньочетвертинний (середньо четвертинна) – Q2 Нижньочетвертинний (нижньочетвертинна) – Q1
Неогенова (неогеновий) – N	Пліоценовий (пліоценова) – N2 Міоценовий (міоценова) – N1
Палеогенова (палеогеновий) – Р	Олігоценовий (олігоценова) – Р3 Еоценовий (еоценова) – Р2 Палеоценовий (палеоценова) – Р1
Мезозойська MZ 165-170	Крейдова (крейдовий) – К 70	Верхньокрейдовий (пізньокрейдова) – К2 Нижньокрейдовий (ранньокрейдова) – К1
Юрська (юрський) – J 55-58	Верхньоюрський (пізньоюрська) – J3 Середньоюрський (середньоюрська) – J2 Нижньоюрський (ранньоюрська) – J1
Тріасова (тріасовий) – Т	Верхньотріасовий (пізньотріасова) – Т3 Середньотріасовий (середньотріасова) – Т2 Нижньотріасова (ранньотріасовий) – Т1
Палеозойська PZ 310-385	Верхній палеозой (пізній палеозой) – PZ3
Пермська (пермський) – Р	Верхньопермський (пізньопермська) – Р2 Нижньопермська (ранньопермська) – Р1
Ф а н е р о з о й с ь к и й	Палеозойська PZ 310-385	Верхній палеозой (пізній палеозой) – PZ3
Кам’яновугільна (кам’яновугільний) – С 65-70	Верхньокам’яновугільний (пізньокам’яновугільний) – С3 Середньокам’яновугільний (середньокам’яновугіль-ний) – С2 Нижньокам’яновугільний (ранньокам’яновугільна) – С1
Середній палеозой (середній палеозой) – PZ2
Девонська (девонський) – D 55-60	Верхньодевонський (пізньодевонська) – D3 Середньодевонська (середньодевонський) – D2 Нижньодевонський (ранньодевонський) – D1
Силурійська (силурійський) – S 30-35	Верхньосилурійська (пізньосилурійська) – S2 Нижньосилурійська (ранньосилурійська) – S1
Нижній палеозой (ранній палеозой) – PZ1
Ордовикська (ордовикський) – О 60-70	Верхньоордовикський (пізньоордовикська) – О3 Середньоордовикський (середньоордовикський)– О2 Нижньоордовикський (ранньоородовикський) – О1
Кембрійська (кембрійський) – Є 70-80	Верхньокембрійський (пізньокембрійська) - Є3 Середньокембрійський (середньокембрійська) – Є2 Нижньокембрійський (ранньокембрійський) – Є1
Криптозой	Протерозой PR близько 2000
Архей AR 1500-2000

Фанерозойський етап охоплює 570 млн. років. Базуючись на еволюції органічного світу, характері протікання геологічних процесів і формування рельєфу земної поверхні, його поділяють на палеозойську, мезозойську і кайнозойську ери. Кожна з них поділяється на більш дрібні етапи – періоди, які виділено на основі аналізу палеонтологічних даних.

Протягом геологічної історії розвитку Землі періоди відносного спокою тектонічного розвитку літосфери неодноразово змінювались епохами активного вулканізму і гороутворення. Найбільш помітними і добре вираженими в рельєфі були байкальська, каледонська, герцинська, мезозойська та альпійська фази складчастості.

Всі епохи складчастості являють собою закінчені тектонічні цикли. На початку кожної епохи проходило опускання значних територій і наступ моря на сушу. В морських умовах накопичувались товщі осадових гірських порід. Потім проходили висхідні тектонічні рухи, які призвели до відступу моря. Закінчувався тектонічний цикл зім’яттям порід у складки і гороутворенням. Тектонічні рухи супроводжувались розривами і розломами літосфери, інтрузивним та ефузивним вулканізмом, який досягає найбільшої інтенсивності в період гороутворення в геосинкліналях. Після кожної такої епохи площа платформ збільшувалась внаслідок приєднання до них геосинклінальних областей, які в результаті тектонічного розвитку набули жорсткості, властивої континентальним платформам.

Періоди переважно об’єднують відклади, що утворилися в певний період часу і відрізняються переважно сімействами та групами органічних форм. Назви періодів (систем) здебільшого пов’язані з назвами тих місцевостей, де відповідні відклади були вперше встановлені та описані, або складом домінуючих порід. Так, наприклад, девонську систему названо на честь графства Девоншир в Англії, пермську – за назвою Пермської області Російської Федерації, кам’яновугільну – за широким поширенням в її відкладах кам’яного вугілля, крейдову – за наявністю в ній значних відкладів звичайної крейди.

Підрозділи стратиграфічної шкали переважно мають ті ж назви, що й підрозділи геохронологічної шкали. Та, палеозойській ері відповідає палеозойська група порід, а протягом юрського періоду утворилася юрська система відкладів. Однак назви відділів переважно не співпадають з назвами епох. При тричленному поділі періодів здебільшого застосовують назви пізня, середня і рання епохи, тоді як притаманний цим епохам

відділи мають назви верхній, середній і нижній. При двочленному поділі епохи мають назви пізня і рання, а відділи – верхній і нижній згідно з послідовністю їх залягання в земній корі.

Стратиграфічне дослідження в певній місцевості розпочинають на конкретному розрізі осадових або вулканогенних порід. За допомогою різних методів виділяють і прослідковують природні геологічні тіла, виясняють послідовність їх залягання і зміну літологічного складу за простяганням, складають місцеву схему стратиграфії.

Основним підрозділом місцевої схеми стратиграфії є світа, яка поділяється на підсвіти. Серія об’єднує дві або більше світ, які характеризуються загальними ознаками, і має свою назву. Комплекс об’єднує дві або більше серій і також має свою власну назву. Місцеві стратиграфічні підрозділи не є тимчасовими, а являють собою реальні геологічні тіла. Їх існування не залежить від того, яким чином вони співставляються з підрозділами загальної шкали, і замінюватися цими підрозділами не повинні.

Регіональні стратиграфічні підрозділи встановлюються для геологічного району, великого палеобасейну седиментації або палеогеографічної області. Основною одиницею тут є горизонт, який являє собою сукупність одновікових світ. В більшості випадків горизонт називається за назвою однієї із світ.

Розроблена на основі методів відносної та абсолютної геохронології шкала геологічного часу наведена в табл. 8.1.