Основы исторической геологии

Основные понятия планеты

История Земли разделяется на две части — первая включает формирование Земли как планеты; вторая — начинается с образования земной коры и является предметом рассмотрения исторической геологией, которая устанавливает хронологию геологических событий, совершавшихся в ходе формирования и развития земной коры, закономерности ее эволюции.

Конкретными задачами исторической геологии являются установление возрастной последовательности образования осадочных толщ, расшифровка физико-географической обстановки их формирования (рельеф, климат, органический мир, особенности древних материков и океанов и др.), реконструирование истории магматизма, вулканизма и метаморфизма толщ, воссоздание истории деформирования массивов горных пород в современные тектонические структуры.

Историческая геология в известной мере является основой, на которой проводятся любые геологические исследования. Например, изучение состава и строения горных пород на том или ином участке земной коры, проводится не как получение отдельных характеристик, цифр, фактов, а с естественно-исторических позиций, что позволяет понять их особенности.

Если же взять изучение протекающих в земной коре геологических процессов, которые идут обычно не изолированно, а в тесной взаимосвязи друг с другом, в определенной среде и протекают иногда достаточно долго, без исторического анализа их развития невозможно выполнить правильную их оценку и тем более дать прогноз развития в будущем, что непременно входит в круг решаемых геологией задач.

Возраст пород планеты

Различают относительный и абсолютный возраст горных пород. Относительный возраст заключает понятие — одна порода моложе (или старше) другой, абсолютный — сколько лет назад образовалась порода.

Определение возраста горных пород понадобилось для детального изучения и расчленения толщ горных пород и главным образом для нужд геологического картирования, когда потребовалось отождествлять территориально разобщенные пласты и толщи.

Определение относительного возраста горных пород

Существует несколько методов определения относительного возраста горных по род, уместно использовать их комплексно, особенно в условиях плохой обнаженности местности.

Рис. 4.1. Горизонтально залегающая толща пересечена дайками (разрез). Для определения относительного возраста пород возможно применение стратиграфического метода.

Стратиграфический метод определения относительного возраста горных пород основан на изучении положения слоев пород в земной коре. Из двух сравниваемых по возрасту слоев, залегающих в разрезе земных недр, вышележащий моложе, нижележащий — старше, т.е. последний образовался в более раннее время.

Иными словами — перекрывающие слои моложе подстилающих. Этот метод широко используется в условиях простого геологического строения при горизонтальном и пологом залегании слоев. Рассмотрим пример. На разрезе (рис. 4.1) показана осадочная толща, состоящая из трех слоев, которые по возрасту соотносятся между собой следующим образом: слой 1 старше слоя 2, а слой 2 старше слоя 3.

В осадочные слои внедрены магматические тела (дайки), следовательно, дайки моложе, чем осадочная толща. Дайка 5 пересекает дайку 4, следовательно, дайка 4 существовала ранее и по возрасту является более древней. Это подтверждается также обнаружением в дайке 5 среди магматической породы включений обломков дайки 4.

Планеты

Внедрению магмы предшествует дробление пород — необходимая предпосылка для создания пути поднимающейся магмы и внедрившийся магматический расплав при своём движении захватил и несколько переместил обломки ранее существовавшей дайки.

В районах, где интенсивные тектонические движения смяли слои в сложные складки или произошли перемещения по разрывам, надвинувшие более старые породы на более молодые, руководствоваться только основным правилом стратиграфического метода, что нижележащий слой более древний, нельзя.

В таких районах надо постараться установить кровлю и подошву пластов, форму их залегания и расшифровать общую геологическую структуру, после чего только можно выяснять нормальную возрастную последовательность пластов.

Рис. 4.2. Опрокинутая антиклинальная складка (разрез). Определить возрастное соотношение пород только стратиграфическим методом невозможно.

На рис. 4.2 показаны породы смятые в узкую опрокинутую складку, которая в пространстве земных недр залегает таким образом, что слои везде имеют наклон в одну и ту же сторону, но в подвернутом (восточном) крыле слои залегают в обратной возрастной последовательности.

Если не распознать общую геологическую структуру, легко можно впасть в ошибку, приняв, например, один и тот же слой 2 за два разных слоя (слоев, имеющих одинаковый состав, в толще пород может быть много и мощность их может быть одинаковой).

Литолого-петрографический планеты

Литолого-петрографический метод основан на сравнении горных пород по составу. Однако параллелизация слоев по составу возможна только на ограниченных площадях. При сопоставлении удалённых друг от друга разрезов возможно изменение состава у одного и того же слоя по возрасту в силу изменения условий образования (например, глубины водоема, где происходит отложение осадков, морских течений и пр.).

При корреляции слоев между обнажениями и искусственными выработками стараются обнаружить и проследить слои легко опознаваемые на местности, отличающиеся от других какими-либо особенностями, например, цветом, строением, особыми свойствами и др., которые называют маркирующими слоями.

Палеонтологический метод — заключается в изучении окаменевших остатков животных и растений, содержащихся в горных породах. В условиях, когда нет доступа кислорода воздуха, разложение органических остатков идет медленно и минеральные соли, содержащиеся в подземных водах, постепенно замещают органическое вещество.

В основе метода лежит принцип последовательной смены неповторяющихся в разрезе фаунистических и флористических комплексов, отражающих этапность их исторического развития; базируется на необратимости эволюции органического мира. Т.о., каждому слою (толще) свойственен определенный комплекс органических остатков, причем, чем слой моложе, тем больше в нем остатков более высокоорганизованных животных или растений.

Особую ценность для определения возраста пород представляют окаменелости тех организмов, которые жили короткое время, но имели широкое территориальное распространение и были многочисленны — их называют руководящими ископаемыми. При сопоставлении разрезов одновозратными считают слои, содержащие одни и те же виды ископаемых, причем кроме руководящих, анализируется весь комплекс встречающейся фауны и флоры.

Палеонтологический метод является наиболее надежным методом определения относительного возраста горных пород, он позволяет сравнивать не только соседние, но и весьма отдаленные разрезы независимо от состава и условий залегания пластов.

Относительная геохронология позволяет судить о последовательности образования слоев осадочных толщ, древности или молодости их в зависимости от видов обнаруженных окаменелостей, но не дает представления ни о продолжительности отдельных периодов, в течение которых накапливались осадочные толщи, ни о том, сколько же лет прошло с тех пор.

Определение абсолютного возраста горных пород планеты

Начиная с XVIII века учеными предпринимались попытки использовать различные химические, физические, геологические и даже биологические явления для определения абсолютного возраста Земли и отдельных периодов в истории ее развития (соленость воды Мирового океана, исходя из современной скорости выноса солей с континентов, накопление осадков — по их мощности и наблюдаемой скорости отложения, развитие органического мира и др.).

Однако эти попытки не дали сколько-нибудь точного представления об истинной продолжительности определенных отрезков времени, так как процессы, которые были положены в основу этих методов не протекают с постоянной скоростью. Лишь с открытием в начале XX века явления радиоактивности геологи подучили достоверный метод определения абсолютного возраста горных пород.

Таблица 4.1

В процессе радиоактивного распада радиоактивные изотопы превращаются в стабильные изотопы другого элемента, являющиеся конечными продуктами распада. Процессы радиоактивного распада всегда протекают самопроизвольно с постоянной скоростью, различной у разных элементов, причем эта скорость не зависит ни от температуры, ни от давления.

Для каждого радиоактивного изотопа экспериментальным путем физиками точно определен период полураспада — промежуток времени, в течение которого любое количество данного радиоактивного вещества уменьшается наполовину, превращаясь в стабильные изотопы.

Определение абсолютного возраста производится по минералам, имеющим в своем составе радиоактивные элементы. С момента образования такого минерала в нем непрерывно происходит накопление конечных продуктов распада.

В настоящее время на вооружении у геологов находится много радиоактивных химических элементов, но наиболее употребительными являются радиоактивные изотопы урана, тория, рубидия, калия и углерода (табл. 4.1).

Формирование планеты

Первым и наиболее разработанным является уран-свинцовый метод, основанный на распаде U238, U235, Th232. Конечные продукты их распада — свинец и гелий. При этом радиогенные изотопы свинца имеют различные атомные массы, отличающиеся от атомной массы обычного свинца.

Для расчета возраста породы необходимо определить содержание радиоактивных элементов и конечных изотопов. Определяется изотопный состав с помощью прибора — масс-спектрометра, который сепарирует ионы в соответствии с их атомной массой при пропускании пробы породы в вакууме через контролируемые электрическое и магнитное поля.

Каждое определение возраста одним из уран-свинцовых или торий-свинцовым методом служит проверкой остальных определений. Более того, отношение разных изотопов свинца друг к другу обеспечивает дополнительный контроль согласованности результатов. Горные породы редко содержат уран и торий, поэтому были разработаны и другие методы.

Калий-аргоновый метод заключается в следующем: один из изотопов калия – К40 радиоактивен и переходит в аргон (Ar40) при захвате электрона и в кальций (Сa40) при испускании отрицательно заряженной бета-частицы. По возникшему кальцию определить возраст нельзя, так как он не отличим от Сa40 образовавшимся иным путем.

Аргон остается на месте своего образования внутри кристаллических решеток калиевых минералов, правда, если порода не подверглась воздействию высокой температуры — при этом часть аргона может улетучиться. Определение возраста пород производится по отношению , чем больше полученная величина, тем древнее порода.

Метод планеты

Метод получил широкое распространение благодаря почти повсеместному распространению калиевых минералов, таких, например, как ортоклаз, роговая обманка, слюды и др.

Радиоуглеродный метод основан на радиоактивном распаде изотопа углерода С14, который образуется в атмосфере под влиянием космических лучей. Радиоуглерод окисляется до СО2, распространяется в воздухе и усваивается растениями. При жизни растений в результате непрерывного обмена веществ поддерживается равновесие между радиоактивным и обычным (С12) углеродом.

Когда растения погибают, обмен прекращается и радиоуглерод, переходя в азот (N14), начинает отсчет времени. Ввиду быстрого распада С14 метод годится для установления возраста самых молодых отложений (до 50 тыс. лет) и археологических находок.

Главная

Геохронологическая и стратиграфическая шкалы планеты

Успехи в изучении последовательности образования толщ осадочных пород, достижения палеонтологов, сделавшими возможным характеризовать отложения определенной ископаемой фауной и флорой, установление крупных событий геологической истории земной коры, позволили в конце XIX века ученым европейских стран выработать единую периодизацию.

Были выделены толщи пород на основании общности их образования, сформировавшиеся в определенной физико-географической обстановке с определенным уровнем развития органического мира и отражающие определенный этап эволюции земной коры.

В результате были выработаны две параллельные шкалы: стратиграфическая, которая отражала последовательность образования толщ осадочных пород и их соподчиненность и геохронологическая, которая определяла последовательность и в какой-то мере длительность этапов развития земной коры, в которые образовались соответствующие толщи (табл. 4.2).

Подчеркнем, что геохронологическая шкала в основе своей имеет относительное время — в XIX веке еще не было открыто явление радиоактивности, поэтому о длительности этапа судить было затруднительно.

Таблица 4.2

Вся толща земной коры была разделена на пять больших групп. Образование пород группы происходило в течение геологического времени, которое назвали эрой. Границы группы (эры) проводились в соответствии с крупными переломными рубежами в развитии органического мира.

Выделены: архейская (греч. «архе» — начало), протерозойская («протерос» — первый, «зоикос» – жизнь), палеозойская («паляйос» — древний), мезозойская («мезос» — средний) и кайнозойская («кайнос» — новый) группы и соответственно эры (табл. 4.3).

Приведенные в таблице названия употребляются в двух смыслах. Например, если говорим о породах — палеозойская группа, если о времени образования пород — палеозойская эра. Группа подразделяется на системы, объединяющие породы, образовавшиеся в течение одного периода.

В палеонтологическом отношении системе свойственны типичные для нее семейства или роды в фауне, роды или виды во флоре. На границах смежных систем наблюдаются существенные обновления фауны и флоры, которые связаны с изменениями физико-географической обстановки на поверхности Земли, вызванной тектоническими движениями.

Планеты

Наиболее древние группы пород — архейская и протерозойская не имеют общепринятых подразделений. Палеозойская группа разделяется на шесть систем (снизу вверх): кембрийская (от древнего названия Уэльса в Великобритании), ордовикская, силурийская (обе — от названия древних племен, населявших Британские острова), девонская (от графства Девоншир в Англии), каменноугольная (по крупным залежам каменного угля), пермская (от Пермской губернии в Предуралье).

Мезозойская группа включает: триасовую ( по особенностям строения разреза — три отдела), юрскую (от Юрских гор в Швейцарии), меловую (по широкому распространению писчего мела). Кайнозойская группа подразделяется на палеогеновую, неогеновую (по степени развития органического мира) и четвертичную или антропогеновую (по формированию человека) системы.

Каждая система подразделяется на отделы — два или три и только четвертичная — на четыре. Времени образования пород отдела соответствует эпоха. По относительному положению отдела в системе их называют нижним, средним и верхним, а эпохи соответственно ранней, средней и поздней.

Отделы, в свою очередь, объединяют отложения составляющих их ярусов, каждый из которых образовался в течение одного века (имеется в виду геологического). Дальнейшее подразделение ярусов на серии, свиты, пачки носит обычно местный характер. На геологических картах и разрезах подразделения пород по возрасту показывают различной цветовой окраской, буквами и цифрами принятыми одинаковыми во всех странах.

После того, как накопилось достаточно фактического материала по определению возраста пород радиоактивным методом, подразделения, выделенные по относительному возрасту – эры, периоды и т.д., были наделены абсолютным возрастом (табл. 4.3).

Таблица 4.3.