Возраст горных пород и методы их определения
Министерство образования Республики Беларусь
Белорусский Национальный Технический Университет
Возраст горных пород и методы их определения
Выполнила
студентка 1-го курса
гр. 302510/3 ФГДЭ
Василевская В. Л.
Проверила доцент
Поликарпова Н. Н.
Минск 2011 г.
Введение
Возраст Земли.
Возраст Земли как планеты по последним данным оценивается ~ 4,6 млрд. лет. Изучение метеоритов и лунных пород также подтверждает эту цифру. Однако самые древние породы Земли, доступные непосредственному изучению, имеют возраст около 3,8 млрд. лет. Поэтому весь более древний этап истории Земли носит название до геологической стадии. Объектом геологического изучения является история Земли за последние 3,8 млрд. лет, которая выделяется в ее геологическую стадию.
Для выяснения закономерностей и условий образования г.п. необходимо знать последовательность их образования и возраст, т.е. установить их геологическую хронологию.
Различают относительный возраст г.п. (относительная геохронология) и абсолютный возраст г.п. (абсолютная геохронология).
Установлением возраста г.п. занимается наука стратиграфия (лат. Stratum - слой).
Дегеологическая и геологическая стадии развития Земли
Представления о развитии Земли основываются на анализе строения и состава горных пород, слагающих земную кору. Вместе с тем, значительный этап (около 3500 млн. лет) от начала формирования Земли, не оставил достоверных свидетельств своей истории развития, поэтому вся история Земли подразделяется на две главные стадии: догеологическую и геологическую.
Догеологическая стадия началась с момента образования Земли, по одной из теорий, из холодного газо-пылевого облака. По расчетам В. С. Сафронова, «зародышем» Земли стало тело диаметром 500-1000 км. 98% своей массы Земля приобрела за 100 млн. лет.
По мнению ученых, Земля сначала была однородной, однако под действием распада радиоактивных элементов - урана , тория, калия - выделялось огромное количество тепловой энергии и недра Земли разогревались. В результате начались проявляться процессы гравитационной дифференциации: более тяжелые вещества опускались вниз, а более легкие - поднимались вверх. Образовалась базальтовая земная кора. С этого момента отсчитывают геологическую историю Земли.
Довольно широко распространено мнение, что Земля в начале геологической стадии развития представляла собой безбрежный океан, среди которого выступали гористые острова.
Геологическая стадия - это история формирования земной коры. Ее началом можно считать момент, когда на поверхность Земли начала активно воздействовать энергия солнца. Эта энергия вызывала качественно новые внешние геологические процессы - экзогенны. Под действием их происходили физическое и химическое разрушение первичной земной коры и накопление осадков. Слои осадков превращались в толщи осадочных пород, сохраняя при этом следы физико-географической обстановки прошлого. По мере накопления осадков нижележащие слои осадочных пород под давлением вышележащих толщ и за счет воздействия внутреннего тепла Земли изменялись (процессы метаморфоза). Внутренняя теплота в глубоких частях земной коры способствовала частичному переплавлению ранее образовавшихся пород (магматические процессы).
Под действием внутренних сил, возникавших при сжатии Земли, и неравномерного распределения веществ земной коры, происходило ее движение. В свою очередь, это приводило к поднятию или погружению отдельных ее участников. Движения коры сопровождались смятием пластов горных пород в складки и возникновением в них трещин. Так формировалась земная кора. Один цикл сменялся другим, все новые и новые порции вещества мантии вовлекались в этот процесс. В итоге эволюции земной коры сформировалась современная система континентов и океанических бассейнов. Процесс развития земной коры продолжается и в настоящее время.
Чтобы разобраться в сложных сочетаниях горных пород и структурных форм земной коры, извлечь из этого практически важные сведения, необходимо уметь определять последовательность образования слагающих земную кору геологических объектов, в первую очередь горных пород.
Способы определения возраста горных пород
Для того чтобы объяснить современные различия в рельефе отдельных территорий, надо знать, как он образовался, какие изменения претерпел, знать геологическую историю территории, возраст горных пород, составляющих ее.
Возраст земной коры устанавливают путем изучения горных пород, слагающих эту территорию. Слой пород, особенно осадочных, служит надежным «документом» о прошлой жизни Земли, об истории ее развития.
По составу и взаимному положению разных слоев можно установить время образования горных пород, в море или на поверхности суши они накапливались, какой в то время был климат, когда усиливались вулканы, когда породы сминались в складки и возникали горы. В пластах горных пород находят окаменелые остатки и отпечатки растений и животных. По ним удалось проследить эволюцию жизни на Земле.
Земная кора состоит из горных пород, залегающих слоями. Если залегание пород не нарушено, то чем они выше, тем слой моложе. Самый верхний слой образовался позднее всех лежащих ниже.
Определение возраста горных пород позволяет установить время, прошедшее с какого-то момента в истории Земли.
Абсолютный возраст горных пород (лат. absolutus - полный)
Определение абсолютного возраста горных пород стало возможно лишь в XX веке, когда для этих целей начали использовать процесс распада радиоактивных элементов, содержащихся в породе. Этот метод основан на изучении природного распада радиоактивных элементов, под которым понимают способность некоторых веществ распадаться с испусканием элементарных частиц. Данный процесс идет с постоянной скоростью и не зависит от изменения внешних условий. По содержанию в горной породе радиоактивного элемента и продуктов его распада устанавливается абсолютный возраст горных пород в миллионах или тысячах лет. Например, возраст молодых, четвертичных пород подсчитывают по распаду углерода С14 в напластованиях. Изотоп углерода (С14) постоянно образуется в атмосфере под воздействием космического излучения, затем он усваивается живыми организмами, после отмирания которых и происходит его распад с известной скоростью, что и позволяет определить время захоронения организма и возраст вмещающих его слоев. Изотоп С14 распадается с большой скоростью, поэтому метод применим лишь для отложений, абсолютный возраст которых не превышает 60 тыс. лет (молодых).
Кроме радиоактивного изотопа С14, в методе радиоактивного распада используют свинцовые методы, которые базируются на том, что свинец и гелий - конечные продукты распада урана и тория. Зная скорость распада урана и определив содержание свинца и гелия в горной породе, можно определить возраст горных пород.
Необходимо отметить, что метод радиоактивного распада имеет не только преимущества, но и недостатки, ограничивающие его применение: относительно невысока точность метода, значительно искажение результатов вследствие метаморфизма, высока стоимость метода. Кроме того, в горных породах радиоактивные элементы часто вообще отсутствуют.
Относительный возраст горных пород
Определение относительного возраста пород- это установление, какие породы образовались раньше, а какие - позже.
Относительный возраст осадочных г.п. устанавливается с помощью геолого-стратиграфических (стратиграфического, литологического, тектонического, геофизических) и биостратиграфических методов.
Стратиграфический метод основан на том, что возраст слоя при нормальном залегании определяется - нижележащие их слои являются более древними, а вышележащие более молодыми. Этот метод может быть использован и при складчатом залегании слоев. Не может быть использован при опрокинутых складках.
Литологический метод основан на изучении и сравнении состава пород в разных обнажениях (естественных- в склонах рек, озер, морей, искусственных - карьерах, котлованах и т.д.). На ограниченной по площади территории, отложения одинакового вещественного состава (т.е. состоят из одинаковых минералов и горных пород) , могут быть одновозрастными. При сопоставлении разрезов различных обнажений используют маркирующие горизонты, которые отчетливо выделяются среди других пород и стратиграфиески выдержаны на большой площади.
Тектонический метод основан на том, что мощные процессы деформации г.п. проявляются (как правило) одновременно на больших территориях, поэтому одновозрастные толщи имеют примерно одинаковую степень дислоцированности (смещения). В истории Земли осадконакопления периодически сменялись складчатостью и горообразованием.
Геофизические методы основаны на использовании физических характеристик отложений (удельного сопротивления, природной радиоактивности, остаточной намагниченности г.п. и т.д.) при их расчленении на слои и сопоставлении.
Расчленение пород в буровых скважинах на основании измерений удельного сопротивления г.п. и пористости называется электрокаротаж, на основании измерений их радиоактивности - гамма-каротаж.
Изучение остаточной намагниченности г.п. называют палеомагнитным методом; он основан на том, что магнитные минералы, выпадая в осадок, распластаются в соответствии с магнитным полем Земли той эпохи которая, как известно, постоянно менялась в течении геологического времени. Эта ориентировка сохраняется постоянно, если порода не подвергается нагреванию выше 500°С (т.н. точка Кюри) или интенсивной деформации и перекристаллизации. Следовательно, в различных слоях направление магнитного поля будет различным. Палеомагнитизм позволяет т.о. сопоставлять отложения значительно удаленные друг от друга (западное побережье Африки и восточное побережье Латинской Америки).
Биостратиграфические или палеонтологические методы основаны на изучении остатков органических форм, заключенных в осадочных горных породах в виде окаменелостей и отпечатков, т.е. палеонтологических остатков, содержащихся в г.п.
В основе этих способов лежит основное положение эволюционной теории о последовательной смене во времени неповторяющихся комплексов флоры и фауны. Органическая жизнь в ходе геологической истории развивалось постепенно - от простейших примитивных форм, остатки которых обычно заключены в наиболее древних породах, слагающих земную кару, до высокоорганизованных организмов, соответствующих по времени новейшим отложениям. Для каждого отрезка геологической истории характерен свой комплекс флоры и фауны. Однако, далеко не все организмы имеют одинаковое значение в установлении возраста горных пород.
Микропалеонтологический метод, основанный на изучении микроорганизмов, в первую очередь простейших, и спорово-пыльцевой анализ, объектом изучения которого являются микроскопические растительные остатки: наружные оболочки споровых растений и зерна цветочной пыльцы семенных растений. Эти растительные образования построены из чрезвычайного стойкого вещества, поэтому они хорошо сохраняются в ископаемом состоянии. Следует отметить, что и палеонтологические методы являются универсальными. При определении возраста часто возникает необходимость применения комплекса методов, однако даже в этих случаях в геологических образованиях земной коры существуют толщи, возраст которых не установлен или установлен приблизительно.
Определение относительного возраста магм. И метам. Г.п. (все выше охарактер. Методы - для определения возраста осадочных пород) осложнено отсутствием палеонтологических остатков. Возраст эффузивных пород, залегающих совместно с осадочными устанавливается по соотношению к осадочным породам.
Относительный возраст интрузивных пород определяется по соотношению магматических пород и вмещающих осадочных пород, возраст которых установлен.
Определение относительного возраста метармофических пород аналогично определению относительного возраста магматических пород.
Минералого-петрографический метод основан на определении относительного возраста путем сопоставления и увязывания отдельных слоев г.п. по характерным особенностям их состава и строения. Этот метод параллелизации слоев применим только в близко расположенных точках, он не надежен в удаленных друг от друга геологических разрезах. Установлено, что часто горные породы одинакового возраста имеют совершенно различный состав и , наоборот, одновозрастные слои могут различаться по минералого-петрографическому составу, что указывает на различие условий их формирования.
Возраст осадочных горных пород
В XVIII в. еще никто не задумывался над «возрастом» горных пород. Считалось, что в каждой местности можно определить, какие слои старше, по тому, как они залегают относительно друг друга: чем глубже слой, тем он древнее.
Но как сравнить возраст пластов разных местностей, никто не знал. Эту трудную задачу разрешил английский землемер Вильям Смит (1769-1839). В течение 20 лет он проводил каналы в различных частях Англии. Во время работы Смит много раз находил окаменелые раковины в пластах песчаника, сланцев и глин. Внимательно изучая находки, он отметил, что в удаленных одна от другой местностях встречаются пласты с одинаковыми окаменелостями, а в одной и той же местности на различной глубине - раковины, принадлежавшие различным моллюскам. После долгого изучения этих находок он пришел к выводу, что относительный возраст слоев можно определять по заключающимся в них окаменелостям: если в двух пластах из разных местностей встречаются одинаковые, так называемые «руководящие», окаменелости, значит, пласты отложились в одно и то же время. Вот как писал об этом Смит:
«Все пласты последовательно осаждались на дне моря, и каждый из них содержит в себе остатки организмов, которые жили во время его образования; в каждом пласте наблюдаются свои собственные окаменелости, и по ним-то в известных случаях можно установить одновременность образования горных пород различных местностей».
Так землемер Смит своими долголетними наблюдениями дал новое направление геологической науке.
Открытие Смита воодушевило геологов, которые принялись за изучение морских и пресноводных отложений, слагающих земную кору. Относительный возраст горных пород определяли по встречающимся в них окаменелым раковинам моллюсков и другим остаткам древних животных. Геологи уже могли по найденным в пластах раковинам и костям разделить всю толщу осадочных отложений, относя их к разным периодам жизни Земли.
Сначала ученые выделили в земной коре группы слоев - системы (начиная сверху, т. е. с самых молодых отложений): четвертичную, третичную, меловую, юрскую и триасовую (названия у них тогда были другие). Глубже этих отложений залегает толща горных пород, с которыми связаны во многих странах пласты каменного угля. Ее назвали каменноугольной системой.
Но более древние отложения еще не были подразделены. Эту задачу решили геологи Родерик Импи Мурчисон (1792-1871) и Адам Седжвик (1785-1873). Они выделили в отложениях, лежащих глубже каменноугольной системы, три группы слоев (начиная сверху): девонскую, силурийскую и кембрийскую.
Затем было введено понятие о геологическом времени. Промежуток времени, в течение которого отложились слои той или иной системы, был назван периодом.
Стало возможным устанавливать закономерную последовательность отложений горных пород как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении. Возникла стратиграфия, или учение о порядке залегания пластов. Когда научились определять природные условия, в которых отлагались слои осадочных пород, то появилась новая наука - историческая геология. Ее задача - восстановить историю изменений, которые претерпела земная кора той или иной части поверхности Земли. Так, геологи доказали, что современная суша в далеком прошлом не раз покрывалась морями.
На основании изменений в развитии органического мира вся история Земли подразделяется на несколько геохронологических этапов (эра период и т.п.), которым соответствуют определенные комплексы отложений (группы, системы и т.п.). В течение этих этапов в различных районах Земли происходили процессы накопления осадков или разрушение ранее образовавшихся отложений. Поэтому полный разрез, включающий все известные системы в каком либо месте не известен ни в одной точке Земли. Общие стратиграфическая и геохронологическая шкала основаны на изучении реально существующих геологических разрезов в различных районах суши Земли лежат особенности состава пород.
Подразделения геохронологической шкалы соответствуют подразделениям стратиграфической шкалы
геохронологические подразделениястратиграфические подразделениявспомогательные подразделенияэонэонотема-эраэрастема-периодсистемасерия (формация)эпохаотделсвита (толща)векярус-время (фаза)зона (горизонт)подсвита, пачка, слои, горизонт
Наименования стратиграфических и геохронологических единиц являются международными. Впервые они были утверждены на II и III сессиях Международного геологического конгресса соответственно в 1881 и 1900 гг.
Стратиграфические подразделения применяют для обозначения комплексов слоев горных пород, а соответствующие им геохронологические подразделения - для обозначения времени, в течении которого эти комплексы слоев накопились.
Эонотемы - наиболее крупные стратиграфические подразделения, образование которых происходило в течение нескольких геологических эр. В настоящее время выделяют три эонотемы: фанерозойскую, объединяющую палеозойскую, мезозойскую и кайнозойскую эратемы, а также протерозойскую и архейскую.
Эратемы (групы) - крупные подразделения стратиграфической шкалы, комплексы отложений, сформировавшиеся в течение одной эры. Охватывают крупные этапы развития земной коры. Границы эратем соответствуют переломным рубежам в истории органического мира.
Эратемы делятся на системы, объединяющие отложения, образовавшиеся в течение одного периода и различающиеся обычно семействами и отрядами органических форм. Еще более дробными подразделениями являются отделы и ярусы. Наряду с международной шкалой, широко используются вспомогательные, местные стратиграфические подразделения - серии, свиты, пачки.
Для удобства пользования геохронологической шкалой каждому подразделению присвоены свои цвет и оттенок. Это облегчает составление и чтение геологических карт, разрезов и др. Например, юрские отложения окрашиваются в синий, меловые - в зеленый цвет и т.д.
горный порода земля возраст
Методы определения изотопного возраста горных пород
Попытки обосновать длительность существования Земли или отдельных этапов ее истории в абсолютных цифрах делались давно и неоднократно. В основу их были положены различные астрономические данные: проводились определения времени образования земной коры на основе подсчета количества солей, содержащихся в водах океана: определялась также длительность в абсолютных цифрах четвертичного периода путем подсчета количества годичных слоев в «ленточных глинах» - отложениях, образовавшихся ледниковых озерах и характеризующихся чередованием алевритов и глин, отлагавшихся в озере зимой. Эти попытки не дали хороших результатов, так как основывались на сомнительных предложениях и не учитывали всей сложности происходящих на Земле процессов. В отдельных случаях они позволяли получить только частные решения, применимые лишь для очень короткого времени в историии развития Земли.
С открытием процесса естественной радиоактивности появилась возможность разработки методов изотопной геохронологии, которые быстро завоевали признание и в настоящее время широко используются в геологии для определения возраста г.п. и минеролов, а следовательно, для датировки возраста вмещающихся пластов.
Сущность геохронологических методов заключается в определении в минералах радиоактивных элементов и конечных продуктов их распада. Так как скорость распада радиоактивных элементов известна и, как доказано экспериментально, остается постоянной при любых условиях, то, располагая данными о количестве в минерале оставшегося радиоактивного элемента и о количестве выделившихся продуктов распада, можно подсчитать, сколько времени существует этот материал. Таким путем датируется время образования всей горной породы, из состава которой выделен минерал с радиоактивными элементами.
Для определения изотопного возраста используются различные типы радиоактивного распада: распад урана, дающий в виде конечных продуктов гелий и свинец: распад тория с теми же конечными продуктами: распад радиоактивного калия, превращающегося в аргон или кальций; распад рубидия, приводящий к образованию стронция; распад рения с превращением его в осмий и, наконец, распад радиоактивного изотопа углерода.
Наиболее надежным из всех методов является уран-свинец, основанный на радиоактивном распаде урана и тория. Преимущество его перед другими состоят в наиболее точно установленной постоянной радиоактивного распада, а так же в том, что возраст может быть определен независимо по трем радиогенным изотопам свинца, являющимся соответственно, конечными продуктами процессов распада. Совпадение результатов, полученных по этим изотопам, может служить надежным критерием их достоверности. Однако, уран-свинцовый метод определения возраста применим только для датировки возраста магматических пород, содержащих уран, торий и свинец. В этом отношении он уступает аргоновому и стронциевому методам, позволяющим определять возраст осадочных пород.
Аргоновый метод основан на учете радиоактивного распада изотопа, присутствующего в незначительном количестве (0,0122%) в природном калии. Как известно, калиевые минералы широко распространены в земной коре и входят в состав многих осадочных пород. При распаде К около 12% его превращается в аргон, количество которого в минералах определяется путем газового объемного анализа. Возраст минералов, определенный аргоновым методом, может быть проконтролирован стронциевым методом. Этот метод использует радиоактивный распад изотопа рубидия.
Углеродный метод - используется для определения возраста наиболее молодых (четвертичных) отложений и в археологии. Это связано с тем, что период полураспада радиоактивного изотопа углерода, на превращениях которого основан этот метод, составляет всего 5,5 - 6 тыс. лет, что позволяет определять только возраст пород, время образования которых не превышает 50 - 70 тыс. лет. Радиоактивный изотоп С образуется в атмосфере под действием космических лучей, хорошо усваивается и после их отмирания переходит в состав горных пород. Ввиду трудностей, связанных с определением констант радиоактивного распада, а также с недостаточной сохранностью радиоактивных элементов и продуктов их распада в минералах, геохронологические методы не могут претендовать на большую точность. Допускаемые ими погрешности могут достигать 5 - 10 % измеряемой величины. Применение геохронологических методов позволило определить изотопный возраст многих древнейших пород земной коры и прийти к выводу, что формирование земной коры началось 3,6 - 4,5 млрд лет назад. Следует отметить, что на всех континентах нашей планеты установлены породы, возраст которых варьируется от 3,8 до 3,6 млрд лет. Если допустить общность процессов образования планет земной группы, то приходиться констатировать, что на Земле пока не установлены породы, имеющие возраст от 4,5 до 3,8 млрд лет. Возможность, что они находятся на все еще недоступных для изучения глубинах или существенно переработаны последующими геологическими процессами. Возраст Земли как планеты оценивается в 6,5 - 7 млрд лет.
Литература
1.Геология часть I «Основы геологии» В. А. Ермолов, Л. Н. Ларичев, В. В. Мосейкин. Издательство МГГУ, 2004 г.