Глава 4. Методы анализа и восстановления геолого-географических условий прошлого Земли

4.1. Методы восстановления геологической истории Земли

Все методы определения возраста горных пород делятся на две группы: 1) методы определения относительного возраста и 2) методы определения абсолютного возраста.

Методы определения относительного возраста

Эти методы также подразделяются на две группы:
1. Непалеонтологические или геолого-стратиграфические.
2. Палеонтологические или биостратиграфические.

1. Непалеонтологические методы определения возраста горных пород

1.1. Метод последовательности напластований (стратиграфический), использующий так называемый принцип (закон) Н. Стенона, сформулированный им еще в XVII в. (1669 г.). В каждом конкретном разрезе (обнажении) при ненарушенном залегании нижележащий слой древнее перекрывающего. Или, из двух контактирующих геологических тел моложе то, которое повлияло (оставило след) на другое.

1.2. Минералого-петрографический метод. При этом методе стараются расчленить пачки горных пород по их петрографическому составу, текстурным и структурным особенностям. Широко используется при картировании «немых» (лишенных окаменелостей) толщ (метаморфических, вулканогенных и др.). Метод позволяет коррелировать только разрезы расположенные относительно близко, в пределах площади одного бассейна осадконакопления и не более.

1.3. Структурно-тектонический. В основу этого метода положена идея об одновременности тектонических движений на больших площадях. Осадочные серии, накопившиеся на дне моря, часто выводятся вертикальными тектоническими движениями на поверхность и частично успевают подвергнуться размыву, пока опять не скроются под водой при очередном погружении территории. Так возникают параллельные или стратиграфические несогласия. Если же во время континентального режима породы претерпевают еще и складчатые деформации, то тогда перекрывающие слои лягут с угловым несогласием на срезанные и смятые в складки нижележащие.

Стратиграфические колонки

Рис. 23.1. Корреляция разрезов по структурно-тектоническим признакам

Например, на стратиграфических колонках рис. 23.1 хорошо читается, что после колебательных движений вертикального типа, когда были сформированы I–III структурные этажи, произошла складчатость, затем эта размытая поверхность складчатых комплексов пород вновь испытала погружение и на нее были отложены слои IV структурного этажа.

1.4. Палеомагнитный метод. Основан на том, что магнитное поле Земли геологического прошлого не оставалось постоянным, а постоянно меняло свои параметры (обращение полярности, местоположение полюсов и т. п.), и все эти изменения были зафиксированы в формирующихся в это время горных породах (осадочных, остывающих магматических). Например, по массовым наблюдениям, выполненным в разных частях Земли, удалось определить положение магнитного полюса в начале девона, который находился примерно на 28° с. ш. и 159° в. д., а в конце палеозоя — на 45° с. ш. и 165° в. д. В течение геологической истории произошло множество инверсий — смен направления магнитного поля Земли, фиксируемые в разрезах горных пород чередованием зон прямой (совпадающей с современным направлением) и обратной намагниченности. В связи с трудоемкостью метода (необходимо иметь сложные приборы, достоверные, заверенные абсолютными датировками разрезы пород всех возрастов) магнитохронологическая шкала пока разработана только для позднего кайнозоя, что было сделано по основным эффузивам и глубоководным океаническим осадкам.

1.5. Ритмостратиграфический метод хорошо иллюстрируется рис. 23.2, из анализа литологических колонок которого видно, что в обоих регионах происходили синхронные вертикальные тектонические движения, в итоге приведшие к трансгрессии моря. Причем в регионе II море было более глубоким, но и в пределах него хорошо просматриваются колебательные ритмы осадконакопления.

Стратиграфические колонки

Рис. 23.2. Ритмостратиграфический принцип корреляции отложений

2. Палеонтологические методы определения возраста горных пород

В основе палеонтологических методов лежит закон о необратимости эволюции органического мира, т. е. органический мир Земли непрерывно менялся и каждому отрезку геологического времени отвечают свои характерные только для него растения и животные. Организм никогда не сможет вернуться к предковому состоянию, даже если он окажется в обстановке, близкой к условиям обитания предков. Для определения геологического относительного возраста при помощи биостратиграфии используются методы: руководящих ископаемых, комплексного анализа, количественный (процентно-статистический), филогенетический, палеоэкологический.

Руководящая фауна и флора

Под руководящими ископаемыми подразумевают органические остатки, принадлежащие группам, которые существовали короткий промежуток времени, но успели за небольшой срок расселиться на значительной территории и большом количестве. Следовательно, руководящие ископаемые должны иметь широкое горизонтальное и узкое вертикальное распространение в толщах горных пород, встречаться часто и в большом числе экземпляров, а также легко распознаваться (Владимирская и др., 1985, с.149).

Геохронология и стратиграфия

Задачи геологической хронологии является установление возраста горных пород и геологических событий, расположение их в порядке последовательности образования и проявления. Стратиграфия1 же рассматривает хронологическую последовательность слоев горных пород и их возраст. Объектами ее изучения являются толщи слоистых (осадочных и вулканогенных) горных пород — конкретные стратиграфические разрезы — последовательности осадочных горных пород.

Стратиграфия позволяет решать следующие задачи:

1. Расчленять осадочные и вулканогенные горные породы на отдельные слои, пачки на основе их состава и заключенных в них окаменелостей.
2. Устанавливать последовательность напластования — составление местной стратиграфической колонки.
3. Сопоставлять (коррелировать) одновозрастные слои на больших площадях и составлять сводные региональные шкалы, а на основе последних вырабатывать стратиграфические шкалы для всего земного шара.

Необходимо различать геохронологическую и стратиграфическую шкалы. Подразделения времени в геохронологической шкале отвечают определенному рангу стратиграфических подразделений. Геохронологическая шкала включает следующие подразделения времени: акрон, эон, эра, период, эпоха, век, фаза. В общей стратиграфической шкале им соответствуют: акротема, эонотема, эратема, система, отдел, ярус, зона.

На территории России действует Стратиграфический кодекс СССР, который регулирует и стандартизирует проведение геологических работ. Следование этому кодексу является обязательным для всех организаций ведущих стратиграфические или другие, связанные со стратиграфией, работы. Стратиграфические исследования начинают, как правило, в определенной местности с конкретных разрезов осадочных или вулканогенных отложений. Разрез, на котором впервые выделено стратиграфическое подразделение вошедшее в общую стратиграфическую шкалу, называется стратотипом. Район, где находятся стратотип и дополняющие его разрезы, носит название стратотипической местности.

В истории формирования и развития Земли как планеты выделяют два крупных, неравных по продолжительности этапа — ДОГЕОЛОГИЧЕСКИЙ (космический или планетарный) и ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ. Догеологический этап развития Земли охватывает период формирования планеты с рубежа 4,6–4,7 млрд лет до начала формирования земной коры. Геологический этап начинается с началом формирования земной коры с рубежа 3750 млн лет. Самыми крупными промежутками времени в геохронологической шкале являются акроны (архейский и протерозойский). Акроны, в свою очередь подразделяются на эоны. В истории Земли выделяют пять эонов: раннеархейский, позднеархейский, раннепротерозойский, позднепротерозойский и фанерозойский (эра явной жизни). Три первых эона или акроны иногда называют криптозоем (эрой скрытой жизни) или докембрием.

Комплекс, серия, свита в России относятся к местным стратиграфическим подразделениям. Часто используются при расчленении докембрийских образований.

Комплекс — наиболее крупная таксономическая единица, объединяет две и более серии. Это мощная, сложная по составу и структуре совокупность геологических образований, отвечающая крупному тектоническому этапу в геологическом развитии территории.

Серия — объединяет обычно мощную толщу осадочных, вулканогенных или метаморфических пород, отвечающих тектоно-магматическому и седиментационному циклу. Серии присваивается географическое название. По объему она может соответствовать эонотеме, системе или нескольким системам.

Свита — основная единица местных стратиграфических подразделений. Представляет совокупность отложений, ограниченных пределами структурно-фациальной зоне. Характеризуется единством литологического состава и палеонтологической характеристикой. Внутри свиты не должно быть крупных перерывов. Они встречаются обычно по границам свиты. Свите тоже присваивается местное географическое название.

Шкала докембрия

Шкала фанерозоя


Шкала четвертичного периода

Методы определения абсолютного возраста

Первым широко используемым методом определения абсолютного (физического) возраста геологических образований следует, вероятно, считать метод определения возраста по ленточным глинам. Пользуясь этим методом, геологи установили, что последний ледник покинул территорию Ленинградской области 16,5 тыс. лет назад, а Скандинавию всего 8–9 тыс. лет.

Методы ядерной геохронологии

Основаны на том, что скорость распада радиоактивных элементов постоянна и не зависит от внешних условий (были проведены опыты при больших температурах и давлениях, в сильном магнитном поле и космическом излучении), и на том, что пока порода или минерал находятся в расплавленном состоянии они являются открытыми системами, в которых происходит накопление радиоактивных элементов и вынос продуктов их распада. После кристаллизации минералов в них создается закрытая система, в которой начинают накапливаться продукты распада радиоактивных элементов. Зная скорость распада и количество получаемого продукта распада, можно определить время формирования минерала или его возраст.

Ведущими современными методами ядерной геохронологии являются: свинцовые, калий-аргоновый, рубидий стронциевый, самарий-неодимовый, радиоуглеродный.

Свинцовые методы. При использовании этих методов ученые определяют конечные продукты распада урана и тория — свинец и гелий.

238U —› 8He4 + Pb206

Для анализа используют изотопные соотношения 206Pb/238U, 207Pb/235U, 208Pb/232Th, а анализируемыми минералами чаще всего являются монацит, циркон, уранинит, ортит. Метод используется для определения возраста магматических и метаморфических горных пород.

Калий-аргоновый (аргоновый) метод. Этот метод широко применяется, т. к. калий присутствует в самых распространенных минералах: полевых шпатах, слюдах, амфиболах, пироксенах. Используется как для осадочных, так и для магматических и метаморфических горных пород. Для метода существует небольшое ограничение — он применим к породам не испытавшим после своего образования сильного температурного воздействия (свыше 300°) или не подвергавшиеся высокому давлению. Схема протекания реакции:

40К —› 11% 40Ar + 89% 40Ca

Рубидий-стронциевый метод. Метод основан на распаде рубидия с превращением его в стронций: 87Rb —› 87Sr. Для анализа используются слюды: биотит, мусковит, лепидолит. Метод может применяться по всей породе (используется совокупность всех минералов породы). Применим в основном для анализа докембрийских пород, т. к. рубидий имеет очень длительный период полураспада (время, в течение которого от радиоактивного элемента остается только половина его массы) равный 50 млрд лет (Периоды полураспада: 147Sm — 106 млрд лет; 232Th — 13,9 млрд лет; 238U — 4,51 млрд лет; 235U — 710 млн лет; 40К — 1,31 млрд лет; 14С — 5,5–6 тыс. лет). Этим методом и методом, применяемым в последнее время для определения наиболее древних геологических образований — самарий-неодимовым, были определены самые древние породы на Земле в Западной Австралии (4,1–4,2 млрд лет), Западной Гренландии (3,8 млрд лет) и возраст пород Луны (4,5 млрд лет).

Радиоуглеродный метод. Используется, в основном, для определения возраста четвертичных отложений, образовавшихся за последние 50–70 тыс. лет, и в археологии. Основан на радиоактивном распаде изотопа углерода с атомным номером 14, который накапливается во всех живых организмах под воздействием космической радиации и начинает распадаться после его смерти.

Материалы этого раздела отражают современную научную модель геологии. Если вы желаете самостоятельно обдумать все предложенные в этом разделе понятия геологии, настоятельно рекомендую ознакомиться с альтернативной точкой зрения на геологию и все естествознание в целом В.М. Дуничева (см. приложение 4), где материал, касающийся темы этого раздела, можно найти в Интернете по этой гиперссылке [www.science.sakhalin.ru/Geography/DVM/2002/07.html].


Внимание! Опишите по геологической карте Иркутской области (есть в географических атласах по Иркутской области) историю геологического развития территории, где вы проживаете или всей Иркутской области.


Контрольные вопросы

1. Почему периоды геохронологической шкалы раскрашены разными цветами? В учебнике этого нет, найдите ответ самостоятельно.
2. Принципиальные отличия между относительными и абсолютными методами определения возраста горных пород?
3. Объясните разницу в понятиях «геохронологическая шкала» и «стратиграфическая шкала», «период» и «система».
4. Перечислите все периоды геологической истории Земли, начиная с вендского.
5. В чем заключается минералого-петрографический метод определения относительного возраста горных пород?
6. Какие существуют методы определения абсолютного возраста горных пород?
7. Перечислите все стратиграфические единицы (подразделения), используемые для описания разновозрастных комплексов пород.
8. По предлагаемой для изучения книге В.М. Дуничева (2002) или по любому другому учебнику общей геологии дайте письменные ответы на вопросы: 1) Почему четвертичный период в современной геохронологической шкале так называется? 2) Когда были закреплены существующие цвета для закраски геологических пластов за системами стратиграфической шкалы? Кто предложил эти цвета?




 
© 2008–2011,   С.Н. Коваленко, кафедра географии ВСГАО. Все права защищены.