В какой геологической эре оказались. Геологическое время, эры и периоды в истории земли. Геологический период нашей жизни

Геологическое время и методы его определения

В изучении Земли как уникального космического объекта идея её эволюции занимает центральное место, поэтому важным количественно-эволюционным параметром является геологическое время . Изучением этого времени занимается специальная наука, получившая название Геохронология – геологическое летоисчисление. Геохронология может быть абсолютной и относительной .

Замечание 1

Абсолютная геохронология занимается определением абсолютного возраста горных пород, который выражается в единицах времени и, как правило, в миллионах лет.

В основе определения этого возраста лежит скорость распада изотопов радиоактивных элементов. Эта скорость является величиной постоянной и от интенсивности физических и химических процессов не зависит. Определение возраста основано на методах ядерной физики. Минералы, содержащие радиоактивные элементы, при формировании кристаллических решеток, образуют закрытую систему. В этой системе происходит накопление продуктов радиоактивного распада. В результате можно определить возраст минерала, если знать скорость этого процесса. Период полураспада радия, например, составляет $1590$ лет, а полный распад элемента произойдет за время в $10$ раз превосходящее период полураспада. Ядерная геохронология имеет свои ведущие методы – свинцовый, калий-аргоновый, рубидиево-стронциевый и радиоуглеродный.

Методы ядерной геохронологии позволили определить возраст планеты, а также продолжительность эр и периодов. Радиологическое измерение времени предложили П. Кюри и Э. Резерфорд в начале $XX$ века.

Относительная геохронология оперирует такими понятиями как «ранний возраст, средний, поздний». Существует несколько разработанных методов определения относительного возраста горных пород. Они объединяются в две группы – палеонтологические и непалеонтологические .

Первые играют основную роль в силу своей универсальности и повсеместного применения. Исключение составляет отсутствие в породах органических остатков. С помощью палеонтологических методов изучаются остатки древних вымерших организмов. Для каждого слоя горных пород характерен свой комплекс органических остатков. В каждом молодом слое остатков высокоорганизованных растений и животных будет больше. Чем выше лежит слой, тем он моложе. Подобная закономерность была установлена англичанином У. Смитом . Ему принадлежит первая геологическая карта Англии, на которой горные породы были разделены по возрасту.

Непалеонтологические методы определения относительного возраста горных пород используются в случаях отсутствия в них органических остатков. Более эффективными тогда будут являться стратиграфический, литологический, тектонический, геофизический методы . С помощью стратиграфического метода можно определить последовательность напластования слоёв при нормальном их залегании, т.е. нижележащие пласты будут более древними.

Замечание 3

Последовательность образования горных пород определяет относительная геохронология, а возраст их в единицах времени определяет уже абсолютная геохронология. Задача геологического времени заключается в определении хронологической последовательности геологических событий.

Геохронологическая таблица

Для определения возраста горных пород и их исследования ученые пользуются различными методами, и с этой целью была составлена специальная шкала. Геологическое время на этой шкале делят на временные отрезки каждому из которых соответствует определенный этап формирования земной коры и развития живых организмов. Шкала получила название геохронологической таблицы, в которой выделяются следующие подразделения: эон, эра, период, эпоха, век, время . Для каждого геохронологического подразделения характерен свой комплекс отложений, который называется стратиграфическим : эонотема, группа, система, отдел, ярус, зона . Группа, например, является стратиграфическим подразделением, а временное геохронологическое подразделение ей соответствующее представляет эра. Исходя из этого, существует две шкалы – стратиграфическая и геохронологическая . Первая шкала используется тогда, когда речь идет об отложениях , потому что в любой промежуток времени на Земле происходили какие-то геологические события. Вторая шкала нужна для определения относительного времени . С момента принятия содержание шкалы менялось и уточнялось.

Наиболее крупными стратиграфическими подразделениями в настоящее время являются эонотемы – архейская, протерозойская, фанерозойская . В геохронологической шкале им отвечают зоны различной длительности. По времени существования на Земле выделяются архейская и протерозойская эонотемы , охватившие почти $80$ % времени. Фанерозойский эон по времени значительно меньше предыдущих эон и охватывает всего $ 570$ млн. лет. Эта ионотема делится на три основные группы – палеозой, мезозой, кайнозой .

Название эонотем и групп имеют греческое происхождение:

Археос означает древнейший;
Протерос – первичный;
Палеос – древний;
Мезос – средний;
Кайнос – новый.

От слова «зоико с», что значит жизненный, произошло слово «зой ». Исходя из этого, выделяют эры жизни на планете, например, мезозойская эра означает эру средней жизни.

Эры и периоды

Историю Земли по геохронологической таблице делят на пять геологических эр: архейскую, протерозойскую, палеозойскую, мезозойскую, кайнозойскую . В свою очередь эры подразделяются на периоды . Их значительно больше – $12$. Продолжительность периодов различна от $20$-$100$ млн. лет. На свою незавершенность указывает последний четвертичный период кайнозойской эры , его продолжительность всего $1,8$ млн. лет.

Архейская эра. Это время началось уже после формирования земной коры на планете. На Земле к этому времени были горы и в действие вступили процессы эрозии и осадконакопления. Архей длился приблизительно $2$ млрд. лет. Эта эра самая длинная по продолжительности, в течение которой на Земле была широко распространена вулканическая деятельность, шли глубинные поднятия, результатом которых стало образование гор. Большая часть ископаемых под действием высокой температуры, давления, перемещения масс, была уничтожена, но небольшие данные о том времени сохранились. В породах архейской эры в рассеянном виде встречается чистый углерод. Ученые считают, что это измененные останки животных и растений. Если количество графита отражает количество живой материи, то в архее её существовало очень много.

Протерозойская эра . По длительности это вторая эра, охватившая $1$ млрд. лет. На протяжении эры происходило отложение большого количества осадков и одно значительное оледенение. Ледниковые покровы распространялись от экватора до $20$ градуса широты. Ископаемые, найденные в породах этого времени, являются свидетельством существования жизни и её эволюционного развития. В отложениях протерозоя найдены спикулы губок, останки медуз, грибов, водорослей, членистоногих и др.

Палеозойская эра . В этой эре выделяется шесть периодов:

Кембрий;
Ордовик,
Силур;
Девон;
Карбон или каменноугольный;
Пермский или пермь.

Продолжительность палеозоя составляет $370$ млн. лет. За это время появились представители всех типов и классов животных. Не было только птиц и млекопитающих.

Мезозойская эра . Эра делится на три периода:

Триас;

Началась эра примерно $230$ млн. лет назад и продолжалась $167$ млн. лет. В течение первых двух периодов – триасового и юрского – большая часть материковых областей поднялась выше уровня моря. Климат триаса сухой и теплый, а в юре он стал еще теплее, но был уже влажный. В штате Аризона есть знаменитый каменный лес, существующий с триасового периода. Правда, от некогда могучих деревьев остались только стволы, бревна и пни. В конце мезозойской эры, а точнее в меловом периоде, на материки происходит постепенное наступление моря. Североамериканский континент в конце мелового периода испытал погружение и в результате воды Мексиканского залива соединились с водами арктического бассейна. Материк был разделен на две части. Завершение мелового периода характеризуется большим поднятием, получившим название альпийского горообразования . В это время появились Скалистые горы, Альпы, Гималаи, Анды. На западе Северной Америки началась интенсивная вулканическая деятельность.

Кайнозойская эра . Это новая эра, которая еще не закончилась и продолжается в настоящее время.

Эру разделили на три периода:

Палеоген;
Неоген;
Четвертичный.

Четвертичный период имеет целый ряд уникальных черт. Это время окончательного формирования современного лика Земли и ледниковых периодов. Стали самостоятельными Новая Гвинея и Австралия, сместившись поближе к Азии. Антарктида осталась на своем месте. Соединились две Америки. Из трех периодов эры наиболее интересным является четвертичный период или антропогеновый . Он продолжается ныне, а был выделен в $1829$ г. бельгийским геологом Ж. Денуайэ . Похолодания меняются потеплениями, но наиболее важной его особенностью является появление человека .

Современный человек проживает в четвертичном периоде кайнозойской эры.

Международный стратиграфический комитет (МСК) принял в конце 2000 г. решение - считать время со второго квартала 2001 г. новым геологическим периодом в составе кайнозойской эры . В связи с этим к нам в редакцию уже стали поступать вопросы:

Зачем это нужно?

Почему таким коротким оказался четвертичный период - всего 1-2 млн лет (по разным оценкам), в то время как все предыдущие периоды длились десятками миллионов лет?

Как будет называться и обозначаться период? (Те, кто прочитал о предлагаемом названии периода, просят его объяснить.)

Почему именно со второго квартала, а не с начала какого-то года?

Постараемся на эти вопросы ответить.

В.И. Вернадский считал, что деятельность человека становится мощным геологическим фактором, соизмеримым с природными факторами. Справедливость этого стала особенно очевидной к концу ХХ в. Перемещение в ходе горных работ огромных масс породы, искусственное вмешательство в геохимический и гидрогеологический режимы земной коры потребовали строгого учета всего этого воздействия. Поэтому МСК решил зафиксировать на какой-то момент состояние земной коры, чтобы начиная с этого момента вести учет ее изменений в результате техногенного воздействия. Логично было бы сделать этим моментом начало 2000 или 2001 г., но к началу 2000 г. не успели составить ясное представление о состоянии недр планеты в целом, а к сентябрю 2000 г. выяснилось, что необходимая документация не успевает и к началу 2001 г. Вот и назначили начало второго квартала.

Анализируя геохронологическую таблицу, сразу замечаешь, что продолжительность эр и периодов с приближением к современности постепенно уменьшается. Писали об общем ускорении геологических процессов, но скорее всего это связано с тем, что о более поздних геологических периодах мы больше знаем, от них осталось больше следов, поэтому периодизацию можно производить с большей дробностью. Что же касается самого последнего времени, то вмешательство человека действительно ускорило многие процессы.

Раньше в геологии магматические и метаморфические породы считали первичными, осадочные - вторичными. Когда в середине XVIII в. были выделены более молодые из осадочных пород, их назвали третичными, в них входили палеоген и неоген, еще с полвека назад составлявшие единую третичную систему, которая образовалась в течение одноименного третичного периода. В 1829 г. были выделены «самые молодые» отложения, их назвали четвертичными; соответственно выделили и четвертичный период; второе его название - антропоген, по-гречески рождающий человека . Поэтому с названием нового периода МСК долго не мучился: не мудрствуя лукаво, период назвали пятеричным , или техногеном (впрочем, здесь оттенок несколько иной: не «рождающий технику», а «рожденный техникой»). Четвертичный период обозначается символом Q (латинское quartus - четвертый). Пятеричный хотели назвать по аналогии quintus (пятый), но вовремя спохватились: пришлось бы обозначать его той же буквой Q, только, наверное, перечеркнутой, как перечеркнутое Р - это палеоген (чтобы не путать с пермью), перечеркнутое С - кембрий (в отличие от карбона); каждый, кто печатал эти символы на пишущей машинке, а наипаче на компьютере, знает, насколько это неудобно. Решили взять за основу не латынь, а английский или немецкий и обозначить период F (five или fu..nf ), благо и прецедент есть: меловой период обозначается буквой К от немецкого Kreide - мел.

Теперь все государства обязаны каждые 5 лет предоставлять в МСК отчет об объемах произведенных горных работ, о том, какие по составу породы, в каком количестве и откуда перемещены, где ими образованы толщи пятеричных, или техногеновых, отложений. В русской терминологии именно так - техногеновых . Отложения и формы рельефа, сформированные человеком, называются антропогенными, а отложения и формы, образованные все равно какими процессами в течение четвертичного периода, или антропогена - антропогеновыми. Отсюда следует, что породы, образовавшиеся в пятеричном периоде естественным путем, без вмешательства человека, тоже можно будет назвать техногеновыми.

Словом, принято очень серьезное решение. Насколько действенными окажутся его результаты, покажет время.

История планеты Земля уже насчитывает примерно 7 млрд лет. За это время наш общий дом претерпел значительные изменения, что явилось следствием изменения периодов. в хронологическом порядке раскрывают всю историю планеты с самого ее появления до наших дней.

Геологическая хронология

История Земли, представленная в виде эонов, групп, периодов и эпох являет собой определенную сгруппированную хронологию. На первых международных конгрессах геологии была выработана особая хронологическая шкала, которая представляла периодизацию Земли. В последующем эта шкала пополнялась новой информацией и изменялась, в итоге сейчас в ней отражены все геологические периоды в хронологическом порядке.

Самыми крупными подразделениями в этой шкале являются эонотемы, эры и периоды.

Формирование Земли

Геологические периоды Земли в хронологическом порядке начинают свою историю именно с формирования планеты. Ученые пришли к выводу о том, что Земля сформировалась примерно 4,5 млрд лет назад. Сам процесс ее формирования был очень длительным и, возможно, начался еще 7 млрд лет назад из мелких космических частиц. Со временем сила тяготения росла, вместе с ней увеличивалась скорость тел, падавших на формирующуюся планету. Кинетическая энергия трансформировалась в тепло, в результате чего происходило постепенное нагревание Земли.

Ядро Земли, по предположениям ученых, было сформировано за несколько сотен миллионов лет, после чего началось постепенное остывание планеты. В настоящее время в расплавленном ядре содержится 30 % массы Земли. Развитие других оболочек планеты, по мнению ученых, не закончено до сих пор.

Докембрийский эон

В геохронологии Земли первый эон имеет название докембрий. Он охватывает время 4,5 млрд - 600 млн лет назад. То есть львиная доля истории планеты охватывается первым. Однако этот эон делят еще на три - катархей, архей, протерозой. Причем часто первый из них выделяется в самостоятельный эон.

В это время произошло образование суши и воды. Все это происходило во время активной вулканической деятельности на протяжении почти всего эона. Щиты всех континентов были образованы в докембрии, однако следы жизни встречаются очень редко.

Катархейский эон

Начало истории Земли - полмиллиарда лет ее существования в науке названо катархеем. Верхняя граница этого эона находится на отметке 4 млрд лет назад.

Популярная литература рисует нам катархей как время активных вулканических и геотермальных изменений на поверхности Земли. Однако на самом деле это не соответствует действительности.

Катархейский эон - время, когда вулканическая активность не проявлялась, а поверхность Земли представляла собой холодную неприветливую пустыню. Хотя достаточно часто происходили землетрясения, которые сглаживали ландшафт. Поверхность выглядела, как темно-серое первичное вещество, покрытое слоем реголита. Сутки в то время составляли всего 6 часов.

Архейский эон

Второй основной эон из четырех в истории Земли продолжался около 1,5 млрд лет - 4-2,5 млрд лет назад. Тогда Земля еще не имела атмосферы, поэтому и жизни еще не было, однако в этот эон происходит появление бактерий, вследствие отсутствия кислорода они были анаэробными. В результате их деятельности сегодня мы имеем залежи природных ископаемых, таких как железо, графит, сера и никель. История термина «архей» берет свое начало в 1872 году, тогда его предложил знаменитый американский ученый Дж. Дан. Архейский эон, в отличие от предыдущего, характеризуется высокой вулканической активностью и эрозией.

Протерозойский эон

Если рассматривать геологические периоды в хронологическом порядке, следующий миллиард лет занял протерозой. Этот период также характеризуется высокой вулканической активностью и осадкообразованием, также продолжается эрозия на огромных площадях.

Происходит образование т. н. гор В настоящее время они представляют собой небольшие холмы на равнинах. Горные породы этого эона очень богаты слюдой, рудами цветных металлов и железом.

Следует отметить, что в протерозойский период появились первые живые существа - простейшие микроорганизмы, водоросли и грибы. А к концу эона появляются черви, морские беспозвоночные, моллюски.

Фанерозойский эон

Все геологические периоды в хронологическом порядке можно разделить на два типа - явные и скрытые. Фанерозой относится к явным. В это время появляется большое количество живых организмов с минеральными скелетами. Эпоха, предшествующая фанерозою, была названа скрытой потому, что следов ее практически не найдено из-за отсутствия минеральных скелетов.

Последние около 600 млн лет истории нашей планеты называются фанерозойским эоном. Самые значимые события этого эона - кембрийский взрыв, произошедший примерно 540 млн лет назад и пять самых крупных вымираний в истории планеты.

Эры докембрийского эона

Во время катархея и архея не существовало общепризнанных эр и периодов, поэтому их рассмотрение мы пропустим.

Протерозой же состоит из трех больших эр:

Палеопротерозой - т. е. древний, включающий в себя сидерий, риасийский период, орозирий и статерий. К концу этой эры концентрация кислорода в атмосфере достигла современного уровня.

Мезопротерозой - средний. Состоит из трех периодов - калимий, эктазий и стений. В эту эру водоросли и бактерии достигли наибольшего своего расцвета.

Неопротерозой - новый, состоящий из тония, криогения и эдиакария. В это время происходит образование первого суперконтинента - Родиния, однако потом плиты вновь разошлись. Самый холодный ледниковый период проходил в эру под названием мезопротерозой, во время которой замерзла большая часть планеты.

Эры фанерозойского эона

Данный эон состоит из трех больших эпох, резко отличающихся друг от друга:

Палеозой, или эра древней жизни. Началась примерно 600 млн лет назад и закончилась 230 млн лет назад. Палеозой состоит из 7 периодов:

Кембрий (на Земле сформирован умеренный климат, ландшафт низменный, в этот период происходит зарождение всех современных типов животных).
Ордовик (климат на всей планете достаточно теплый, даже в Антарктиде, при этом суша значительно погружается. Происходит появление первых рыб).
Силурийский период (происходит формирование больших внутриконтинентальных морей, при этом низменности становятся все засушливее из-за поднятия суши. Продолжается развитие рыб. Силурийский период отмечен появлением первых насекомых).
Девон (появление первых земноводных и лесов).
Нижний карбон (господство папоротникообразных, распространение акул).
Верхний и средний карбон (появление первых пресмыкающихся).
Пермь (большинство древних животных вымирает).

Мезозой, или время пресмыкающихся. Геологическая история состоит из трех периодов:

Триас (вымирают семенные папоротники, господствуют голосеменные, появляются первые динозавры и млекопитающие).
Юра (часть Европы и западная часть Америки покрыта мелководными морями, появление первых зубатых птиц).
Мел (появление кленовых и дубовых лесов, наивысшее развитие и вымирание динозавров и зубатых птиц).

Кайнозой, или время млекопитающих. Состоит из двух периодов:

Третичный. В начале периода хищники и копытные достигают своего рассвета, климат теплый. Происходит максимальное распространение лесов, древнейшие млекопитающие вымирают. Примерно 25 млн лет назад появляются а в эпоху плиоцена возникает человек.
Четвертичный. Плейстоцен - крупные млекопитающие вымирают, зарождается человеческое общество, происходит 4 ледниковых периода, вымирают многие виды растений. Современная эпоха - заканчивается последний ледниковый период, постепенно климат приобретает нынешний вид. Главенство человека на всей планете.

Геологическая история нашей планеты имеет длительное и противоречивое развитие. В этом процессе было место нескольким вымираниям живых организмов, повторялись ледниковые периоды, наблюдались периоды высокой вулканической активности, были эры главенства разных организмов: от бактерий до человека. История Земли началась примерно 7 млрд лет назад, сформировалась она около 4,5 млрд лет назад и всего меньше миллиона лет назад человек перестал иметь конкурентов во всей живой природе.

Геологам приходится иметь дело с толщами горных пород, накопившимися за длительную геологическую историю планеты. Необходимо знать, какие из слагающих изучаемую территорию пород моложе, а какие древнее, в какой последовательности они формировались, к каким интервалам геологической истории относится время их образования, а также уметь сопоставлять по возрасту удалённые друг от друга толщи горных пород.

Учение о последовательности формирования и возрасте горных пород называется геохронологией. Различаются методы относительной и методы абсолютной геохронологии.

Относительная геохронология

Методы относительной геохронологии - методы определения относительного возраста горных пород, которые лишь фиксируют последовательность образования горных пород относительно друг друга.

Эти методы базируются на нескольких простых принципах. В 1669 г. Николо Стено сформулировал принцип суперпозиции, гласящий, что в ненарушенном залегании каждый вышележащий слой моложе нижележащего . Обратим внимание, что в определении подчёркивается применимость принципа только в условиях ненарушенного залегания.

Метод определения последовательности образования слоёв, базирующийся на принципе Стено, часто называют стратиграфическим. Стратиграфия - раздел геологии, занимающийся изучением последовательности образования и расчленением толщ осадочных, вулканогенно-осадочных и метаморфических пород, слагающих земную кору.

Следующий важнейший принцип, известный как принцип пересечений , сформулирован Джеймсом Хаттоном. Этот принцип гласит, что любое тело, пересекающее толщу слоев, моложе этих слоев .

Нужно отметить и ещё один важный принцип, гласящий, что время преобразования или деформации пород моложе, чем возраст образования этих пород .

Рассмотрим использование этих принципов на примере толщ осадочных пород, прорванных несколькими секущими магматическими телами.

Последовательность событий следующая. Первоначально происходило накопление осадочных толщ нижнего слоя (1), затем, последовательно накопление вышележащих слоев (2, 3, 4, 5), каждый из которых моложе нижележащего. Накопление осадочных пород в подавляющем большинстве случаев происходит в форме горизонтально лежащих слоев, так первоначально залегали и сформированные слои (1-5). Позднее эти толщи были деформированы (6), и в них внедрилось тело магматических пород 7. Затем, вновь горизонтально, началось накопление вышележащего слоя, залегающего на и внедрившемся магматическом теле. При этом, учитывая, что образующийся слой лежит на выровненной горизонтальной поверхности, очевидно, что его накоплению предшествовало выравнивание территории – её размыв (8). Вслед за размывом территории накопился следующий слой (9). Наиболее молодым образованием является магматическое тело 10.
Подчеркнём, что, рассматривая историю геологического развития территории, разрез которой изображён на рисунке, мы пользовались исключительно относительным временем, определяя лишь последовательность образования тел.

Ещё одна большая группа методов относительной геохронологии – биостратиграфические методы . Эти методы основаны на изучении окаменелостей - ископаемых остатков организмов, заключённых в слоях горных пород: в разновозрастных слоях пород встречаются разные комплексы остатков организмов, характеризующие развитие флоры и фауны в ту или иную геологическую эпоху. В основе методов лежит принцип, сформулированный Уильямом Смитом: одновозрастные осадки содержат одни и те же или близкие остатки ископаемых организмов . Этот принцип дополняется ещё одним важным положением, гласящим, что ископаемые флоры и фауны сменяют друг друга в определённом порядке . Таким образом, в основе всех биостратиграфических методов лежит положение о непрерывности и необратимости изменения органического мира – закон эволюции Ч. Дарвина. Каждый отрезок геологического времени характеризуется определёнными представителями флоры и фауны. Определение возраста толщ горных пород сводится к сравнению найденных в них ископаемых с данными о времени существования этих организмов в геологической истории. В качестве грубой аналогии сущности метода можно привести всем известные методы определения возраста в археологии: если при раскопках обнаружены только каменные орудия труда, то культура относится к каменному веку, присутствие бронзовых орудий даёт основание для её отнесения к бронзовому веку и т.п.

Среди биостратиграфических методов долгое время оставался важнейшим метод руководящих форм. Руководящими формами называют остатки вымерших организмов соответствующие следующим критериям:

эти организмы существовали короткий промежуток времени,
были распространены на значительной территории,
их окаменелости части встречаются и легко определяются.

При определении возраста среди найденных в изучаемом слое ископаемых выбираются наиболее для него характерные, затем они сопоставляются с атласами руководящих форм, описывающими, какому интервалу времени свойственны те или иные формы. Первый из таких атласов был создан ещё в середине XIX века палеонтологом Г. Бронном.

На сегодняшний день основным в биостратиграфии является метод анализа органических комплексов . При применении этого метода вывод об относительном возрасте строится на сведениях обо всём комплексе окаменелостей, а не на находках единичных руководящих форм, что значительно повышает точность.

В ходе геологических исследований стоят задачи не только расчленения толщ по возрасту и отнесения их к какому-либо интервалу геологической истории, но и сопоставления – корреляции – удалённых друг от друга одновозрастных толщ. Наиболее простым методом выявления одновозрастных толщ является прослеживание слоёв на местности от одного обнажения к другому. Очевидно, что этот метод эффективен только в условиях хорошей обнажённости. Более универсальным является биостратиграфический метод сопоставления характера органических остатков в удалённых разрезах – одновозрастные слои обладают одинаковым комплексом окаменелостей. Этот метод позволяет проводить региональную и глобальную корреляцию разрезов.

Принципиальная модель использования окаменелостей для корреляции удалённых разрезов отражена на рисунке.

Одновозрастными являются слои, содержащие одинаковый комплекс окаменелостей

Абсолютная геохронология

Методы абсолютной геохронологии позволяют определить возраст геологических объектов и событий в единицах времени. Среди этих методов наиболее распространены методы изотопной геохронологии, основанные на подсчёте времени распада радиоактивных изотопов, заключенных в минералах (или, например, в остатках древесины или в окаменелых костях животных).

Сущность метода заключена в следующем. В состав некоторых минералов входят радиоактивные изотопы. С момента образования такого минерала в нём протекает процесс радиоактивного распада изотопов, сопровождающийся накоплением продуктов распада. Распад радиоактивных изотопов протекает самопроизвольно, с постоянной скоростью, не зависящей от внешних факторов; количество радиоактивных изотопов убывает в соответствии с экспоненциальным законом. Принимая во внимания постоянство скорости распада, для определения возраста достаточно установить количество оставшегося в минерале радиоактивного изотопа и количество образовавшегося при его распаде стабильного изотопа. Эта зависимость описывается главным уравнением геохронологии :

Для определения возраста используются многие радиоактивные изотопы: 238 U, 235 U, 40 K, 87 Rb, 147 Sm и др. Названия изотопно-геохронологических методов обычно образуются из названий радиоактивных изотопов и конечных продуктов их распада: уран-свинцовый, калий-аргоновый и т.д. Результаты определения возраста геологических объектов выражаются в 106 и 109 лет, или в значениях Международной системы единиц (СИ): Ma и Ga. Эта аббревиатура означает, соответственно, «млн. лет» и « млрд. лет» (от лат. Mega anna – млн. лет, Giga anna – млрд. лет ).

Рассмотрим определение возраста рубидий-стронциевым изохронным методом . В результате распада радиоактивного изотопа 87 Rb происходит образование нерадиоактивного продукта распада – 87 Sr, постоянная распада составляет 1,42*10 -11 лет -1 . Применение изохронного метода предполагает анализ нескольких образцов, взятых из одного и того же геологического объекта, что повышает точность определения возраста и позволяет рассчитать исходный изотопный состав стронция (используемый для определения условий формирования породы).

В ходе лабораторных исследований определяются содержания 87 Rb и 87 Sr, при этом содержание последнего складывается из суммы стронция, изначально содержащегося в минерале (87 Sr) 0 , и стронция, возникшего в процессе радиоактивного распада 87 Rb за период существования минерала:

На практике измеряются не содержания указанных изотопов, а их отношения к стабильному изотопу 86Sr, что даёт более точные результаты. Вследствие этого уравнение приобретает вид

В полученном уравнении имеются два неизвестных: время t и начальное отношение изотопов стронция. Для решения задачи анализируются несколько образцов, результаты наносятся в виде точек на график в координатах 87 Sr/ 86 Sr – 87 Rb/ 86 Sr. В случае корректно отобранных проб все точки ложатся вдоль одной прямой – изохроны (следовательно, имеют один и тот же возраст). Возраст анализируемых образцов рассчитывается по величине угла наклона изохроны, а начальное стронциевое отношение определяется по пересечению изохронной оси 87 Sr/ 86 Sr.

В случае если на графике точки не ложатся на одну линию можно говорить о некорректности подбора проб. Во избежание этого необходимо соблюдать следующие главные условия:

образцы должны отбираться из одного геологического объекта (т.е. быть заведомо одновозрастными);
в ии следуемых породах не должно быть признаков наложенных преобразований, которые могли привести к перераспределению изотопов;
образцы должны обладать одинаковым изотопным составом стронция во время возникновения (недопустимо использование различных пород при построении одной изохроны).

Не останавливаясь на методики определения возраста другими методами, отметим лишь особенности некоторых из них.

В настоящее время наиболее точным считается самарий – неодимовый метод , принятый в качестве стандарта, с которым сравниваются данные других методов. Это связано с тем, что в силу геохимических особенностей данные элементы наименее подвержены влиянию наложенных процессов, часто значительн о искажающих или сводящих на нет результаты определений возраста. Метод основан на распаде изотопа 147 Sm с образованием в качестве конечного продукта распада 144 Nd.

Калий – аргоновый метод основан на распаде радиоактивного изотопа 40 К. Этот метод давно и широко используется для определения возраста всех генетических типов горных пород. Он наиболее эффективен при определении времени формирования осадочных пород и минералов, например, глауконита. Применительно к магматическим и особенно метаморфическим породам, затронутым наложенными изменениями, этот метод часто даёт «омоложенные» датировки, что связано с потерей подвижного аргона.

Радиоуглеродный метод основан на распаде изотопа 14 С, образующегося в верхних слоях атмосферы в результате воздействия космического излучения на атмосферные газы (азот, аргон, кислород). В последствии 14 С, как и нерадиоактивный изотоп углерода, образует углекислый газ СО 2 , и в его составе вовлекается в фотосинтез, оказываясь таким образом в составе растений и, далее, пищевой цепочке передается животным. В гидросферу 14 С попадает в результате обмена СО 2 между атмосферой и Мировым океаном, далее он оказывается в костях и карбонатных раковинах водных обитателей. Интенсивное перемешивание воздушных масс в атмосфере и активное участие углерода в глобальном круговороте химических элементов приводит к выравниванию концентраций 14 С в атмосфере, гидросфере и биосфере. Для живых организмов равновесное состояние достигается при удельной активности 14 С, составляющей 13,56 ± 0.07 распадов в минуту на 1 грамм углерода. Если организм умирает, то прекращается поступление 14С; в результате радиоактивного распада (перехода в нерадиоактивный 14 N) удельная активность 14 С уменьшается. Измерив значение активности в пробе и сопоставив её со значением удельной активности в живой ткани, несложно рассчитать время прекращения жизнедеятельности организма по формуле

///////////////

Радиоуглеродного датирование позволяет определять возраст образцов, содержащих углерод (кости, зубы, раковины, древесина, уголь и т.д.) возрастом до 70 тыс. лет. Это определяет его использование в четвертичной геологии и, особенно, в археологии.

В завершение рассмотрения методов изотопной геологии следует отметить, что, несмотря на получение «абсолютных», выраженных в годах, датировок, мы имеет дело с модельным возрастом – полученные результаты неизбежно содержат некоторую ошибку и, более того, продолжительность астрономического года в ходе длительной геологической истории менялась.

Ещё одна группа методов абсолютной геохронологии представлена сезонно-климатическими методами . Примером такого метода служит варвохронология – метод абсолютной геохронологии, основанный на подсчёте годичных слоёв в «ленточных» отложениях приледниковых озёр. Для приледниковых озёр характерными отложениями служат так называемые «ленточные глины» - чётко слоистые осадки, состоящие из большого числа параллельных лент. Каждая лента – результат годичного цикла осадконакопления в условиях озёр, находящихся большую часть года в замерзшем состоянии. Она всегда состоит из двух слоёв. Верхний – зимний – слой представлен глинами темного цвета (за счёт обогащения органикой), образованного под ледяным покровом; нижний – летний – сложен более грубозернистыми светлоокрашенными осадками (в основном тонкими песками или алевро-глинистыми отложениями), образованными за счёт приносимого в озеро талыми ледниковыми водами материала. Каждая пара таких слойков соответствует 1 году.

Изучение ритмичности ленточных глин позволяет не только определять абсолютный возраст, но и проводить корреляцию расположенных неподалёку друг от друга разрезов, сопоставляя мощности слоёв.

На сходном принципе основан и подсчёт годичных слоёв в осадках соляных озёр, где летом, за счёт повышения испарения, происходит активное осаждение солей.

К недостаткам сезонно-климатических методов следует отнести их неуниверсальность.

Периодизация геологической истории. Cтратиграфическая и геохронологическая шкалы

Оперируя категорией относительного времени необходимо иметь универсальную шкалу периодизации истории. Так, применительно к истории человечества, мы употребляем выражения «до нашей эры», «в эпоху Возрождения», «в XX веке» и т.п., относя какое-либо событие или предмет материальной культуры к определённому временному интервалу. Аналогичный подход принят и в геологии, для этих целей разработаны Международная геохронологическая шкала и Международная стратиграфическая шкала.

Основную информацию о геологической истории Земли несут слои горных пород, в которых, как на страницах каменной летописи, запечатлены происходившие на планете изменения и эволюция органического мира (последняя «запечатлена» в комплексах окаменелостей, содержащихся в разновозрастных слоях). Слои горных пород, занимающие определённое положение в общей последовательности напластований и выделяемые на основании присущих им особенностей (чаще - комплекса ископаемых), являются стратиграфическими подразделениями . Горные породы, слагающие стратиграфические подразделения, формировались на протяжении определённого интервала геологического времени, и, следовательно, отражают эволюцию земной коры и органического мира за этот промежуток времени.

– шкала, показывающая последовательность и соподчинённость стратиграфических подразделений, слагающих земную кору и отражающих пройденные землёй этапы исторического развития. Объектом стратиграфической шкалы являются слои горных пород. Основа современной стратиграфической шкалы была разработана ещё в первой половине XIX века и была принята в 1881 г. на II сессии Международного геологического конгресса в Болонье. Позднее стратиграфическая шкала была дополнена геохронологической шкалой.

Геохронологическая шкала – шкала относительного геологического времени, показывающая последовательность и соподчинённость основных этапов геологической истории Земли и развития жизни на ней. Объектом геохронологической шкалы является геологическое время.

Шкала геологического времени (или геохронометрическая шкала) представляет собой последовательный ряд датировок нижних границ общих стратиграфических подразделений, выраженных в единицах времени (чаще в миллионах лет) и вычисленных с помощью методов абсолютного датирования.

Объектом геохронологической шалы служат геохронологические подразделения – интервалы геологического времени, в течение которого образовались горные породы, входящие в состав данного стратиграфического подразделения.

Всем стратиграфическим подразделениям соответствуют подразделения геохронологической шкалы.

При этом практически все стратиграфические подразделения ранга эонотема - система имеют единые общепринятые международные наименования.

Наиболее крупными стратиграфическими подразделениями являются акротемы и эонотемы. Архейскую и протерозойскую акротемы объединяют под названием «докембрий» (т. е. толщи пород, накопившиеся до кембрийского периода – первого периода фанерозоя) или «криптозой». Рубежом докембрия и фанерозоя служит появление в слоях горных пород остатков скелетных организмов. В докембрии органические остатки редки, поскольку мягкие ткани быстро разрушаются, не успев захорониться. Сам термин «криптозой» образовано при слиянии корней слов «криптос» - скрытый и «зоэ» - жизнь . При расчленении докембрийских толщ на дробные стратиграфические подразделения важнейшую роль имеют методы изотопной геохронологии, поскольку органические остатки редки или вообще отсутствуют, определяются с трудом и, главное, не подвержены быстрой эволюции (однотипные комплексы микрофауны остаются неизменными на протяжении огромных интервалов времени, что не позволяет расчленять толщи по этому признаку).

Эонотемы включают в свой состав эратемы. Эратема , или группа - отложени, образовавшиеся в течение эры ; продолжительность эр в фанерозое составляет первые сотни миллионов лет. Эратемы отражают крупные этапы развития Земли и органического мира. Границы между эратемами соответствуют переломным рубежам в истории развития органического мира. В фанерозое выделяют три эратемы: палеозойскую, мезозойскую и кайнозойскую.

Эратемы, в свою очередь, включают в свой состав системы. Система – это отложения, образовавшиеся в течение периода ; длительность периодов составляет десятки миллионов лет. Одна система от другой отличается комплексами фауны и флоры на уровне надсемейств, семейств и родов. В фанерозое выделяются 12 систем: кембрийская, ордовикская, силурийская, девонская, каменноугольная (карбоновая), пермская, триасовая, юрская, меловая, палеогеновая, неогеновая и четвертичная (антропогеновая). Названия большинства систем происходят от географических названий тех местностей, где они были впервые установлены. Для каждой системы на геологических картах приняты определенный цвет, являющийся международным, и индекс, образованный начальной буквой латинского названия системы.

Отдел - часть системы, соответствующая отложениям, образовавшимся в течение одной эпохи ; длительность эпох обычно составляет первые десятки миллионов лет. Отличия между отделами проявляются в различии фауны и флоры на уровне родов или групп. Названия отделов даны по положению их в системе: нижний, средний, верхний или только нижний и верхний; эпохи соответственно называют ранней, средней, поздней.

В составе отдела выделяются ярусы. Ярус - отложения, образовавшиеся в в течение века ; продолжительность веков составляет несколько миллионов лет.

Наряду с основными подразделениями стратиграфической и геохронологической шкал применяются региональные и местные подразделения.

К региональным стратиграфическим подразделениям относятся горизонт и лона.

Горизонт - основное региональное подразделение стратиграфической шкалы, объединяющее одновозрастные отложения, характеризующиеся определенным комплексом литологических и палеонтологических признаков. Горизонтам присваиваются географические названия, соответствующие местам, где они наиболее хорошо представлены и изучены. Геохронологическим эквивалентом служит время . Например, хапровский горизонт, распространённый на побережье Таганрогского залива Азовского моря, соответствует толще речных песков, сформировавшихся в конце неогенового периода. Стратотип (наиболее представительный разрез стратиграфического горизонта, являющийся его эталоном) этого горизонта расположен у ст. Хапры. Добавим, что термин «горизонт», употребляемый без географического названия, понимается как слой или пачка слоёв, выделяемых на основании каких-либо особенностей (палеонтологических или литологических), то есть является обозначением свободного пользования.

Лона является частью горизонта выделяемой по комплексу фауны и флоры, характерному для данного региона, и отражает определенную фазу развития органического мира данного региона. Название лоны даётся по виду-индексу. Геохронологическим эквивалентом лоны является время.

Местные стратиграфические подразделения представляют собой толщи пород, выделяемые по ряду признаков, в основном по литологическому или петрографическому составу.

Комплекс - самое крупное местное стратиграфическое подразделение. Комплекс имеет очень большую мощность, сложный состав горных пород, сформированных в течение какого-то крупного этапа развития территории. Комплексу присваивается географическое название по характерному месту его развития. Чаще всего комплексы выделяются при расчленении метаморфических толщ.

Серия охватывает достаточно мощную и сложную по составу толщу горных пород для которых имеются какие-то общие признаки: сходные условия образования, преобладание определенных типов горных пород, близкая степень деформаций и метаморфизма и т.д. Серии обычно соответствуют единому крупному циклу развития территории.

Основной единицей из местных стратиграфических подразделений представляет собой является свита. Свита представляет собой толщу пород, образованных в определенной физико-географической обстановке и занимающих установленное стратиграфическое положение в разрезе. Главные особенности свиты - наличие устойчивых литологических признаков на всей площади ее распространения и четкая выраженность границ. Свое название свита получает по географическому местонахождению стратотипа.

Границы местных стратиграфических подразделений часто не совпадают с границами подразделений единой стратиграфической шкалы.

В процессе работы геологом часто приходится использовать также вспомогательные стратиграфические подразделения - толща, пачка, слой, залежь, и т. д., называемые обычно по характерным породам, цвету, литологическим особенностям или по характерным органическим остаткам (толща известняков, слои с Matra fabriana и т.п.).

Причины выделения четвертичного периода

Начиная с олигоцена, климат на Земле стал устойчиво холодать, что сопровождалось не менее устойчивым снижением уровня моря. Оба эти процесса не были строго однонаправленными - они были колебательными, но общая тенденция сохранялась. Одновременно, все более современными становились очертания суши, устанавливались близкие к современным зонально-секторные ландшафтно-клима- тические пояса. Похолодание сопровождалось увеличением амплитуды колебаний климата, причем эти колебания начали заметно сказываться на всей природной обстановке - в периоды похолоданий происходило массовое наступление холод- нолюбивой тундростепной растительности, распространялась соответствующая фауна, конфигурация природных зон резко менялась в сторону сокращения низкоширотных переходных зон и разрастания высокоширотных. В периоды потеплений хладолюбивая флора и фауна почти исчезали и более широкое распространение получали низкоширотные переходные зоны. Вместе с тем, с каждым новым потеплением реликтовых тропических растений в умеренных поясах становилось все меньше и меньше.

Все это привело к тому, что за несколько миллионов лет физико-географическая обстановка на Земле резко изменилась и оказалась несравнимой с любой из существовавших ранее. Потребовалось выделение последнего этапа развития географической оболочки в особый геологический период. Это произошло в 1825 году, когда приблизительно последний миллион лет истории Земли был объединен в особый - четвертичный период. Его называют иногда антропогеновым периодом или плейстоценом.

Особый период в истории Земли имеет свои неповторимые особенности, отличающие его от всех других геологических периодов:

1. Он необычайно короток. Его продолжительность составляет всего 1,8 млн. лет (в России - 1,65 млн. л.).

2. Отложения четвертичного возраста крайне молоды и поэтому: а) повсеместно сохранены и облекают Землю почти сплошным чехлом; б) отличаются крайним генетическим разнообразием, пестротой и фациальной изменчивостью литологичес- кого состава; в) имеют почти исключительно континентальный генезис, (кроме, конечно, четвертичных и современных отложений, накапливающихся в морях и океанах); г) имеют малую мощность, обусловленную кратковременностью их формирования.

3. Хорошо сохранились природные и биотические комплексы (а не только отдельные руководящие ископаемые).

Основными событиями четвертичного периода являются следующие:

1. Резкие и многократные колебания климата, приводившие во второй половине периода к оледенениям в высоких широтах (чего не было, по крайней мере, с карбона). Теплые эпохи называются термохронами, холодные - криохронами. Эти колебания и оледенения зафиксированы в тысячах обнажений, где вскрываются особые ледниковые отложения - валунные суглинки (морены) и другие, а также, в анализах фауны и флоры тех времен, в составе изотопов кислорода и других разнообразных следах прошлых эпох.

2. Появление человека. Если оледенения уже встречались на Земных континентах в прошлом, то это событие является уникальным, не имеющим аналогов ни в истории Земли, ни в истории иных доступных изучению небесных тел. Появление и развитие человека привело к возникновению на Земле принципиально новой надби- отической общности - человечества. Именно человечество впервые коснулось ноосферы - сферы разума, которую одни считают высшим состоянием земной биосферы (по В.И. Вернадскому), а другие - субстанцией нематериальной, не входящей в географическую оболочку, но воспринимающейся человеком и способствующей его геообразующей роли (по Э.Леруа и П.Тейяр де Шардену) .

Несколько слов надо сказать о нижней границе четвертичного периода и его периодизации. Хотя первые признаки континентальных оледенений появились только 780 тыс. л. н., нижняя граница четвертичного проводится в странах Западной Европы по рубежу 1,8 млн. лет. Она была утверждена в 1932 году по установленным признакам похолодания морской воды в морских разрезах юга Италии, в основании калабрийского яруса. В 1948 году эта граница была узаконена везде, кроме СССР. Но в 1990 году и в нашей стране граница четвертичного периода была понижена до рубежа 1,65 млн. л. н. и стала проводиться по нижней границе апшероиского яруса (аналога калабрийского). Интервал времени между новой и старой границами четвертичного периода, т.е. между 1,65 и 0,78 млн. л. н. был назван эоплейстоценом, а прежний четвертичный период - неоплейстоценом (хотя часто его называют просто плейстоценом) (см. 7.1).