Определение возраста горных пород

Геохронология является частью самостоятельной науки — Исторической геологии. Геолог имеет дело с природными документами — горными породами, остатками фауны и флоры, которые, образовавшись сотни миллионов лет назад, сохраняют свои особенности, позволяющие восстановить условия накопления вещества в далекие времена. Важным обстоятельством является последовательность формирования толщ пород с заключенными в них органическими остатками, что дает возможность прослеживать эволюцию органического мира и осадконакопление с древнейших времен до наших дней.

В процессе образования горные породы подвергались мощным деформациям. В них внедрялись разнообразные интрузивные тела. Погружаясь на большую глубину и прогреваясь, горные породы испытывали метаморфизм; материки, литосферные плиты не оставались на одном месте, а перемещались на большие расстояния, как по широте, так и по долготе, океанические пространства то расширялись, то сужались, континенты смыкались.

При анализе толщ горных пород особое внимание обращается на взаимоотношения пластов и их пачек внутри толщ. Характер залегания молодых пластов на более древних и в обратном порядке может многое рассказать о тектонических движениях, их типе, знаке и других факторах.

Определение возраста горных пород и пластов производится как относительно друг друга (относительная геохронология), так и по абсолютному возрасту. Для прослеживания геологического развития всей Земли, земной коры и отдельных структур разработана геохронологическая шкала (табл. 4.1).

Относительная геохронология. Под относительным возрастом горных пород понимают соотношение возраста пород по времени их образования. Имеется несколько методов определения относительного возраста пород, основные из которых — стратиграфический и палеонтологический. Стратиграфический метод заключается в условии, что ненарушенные осадочные породы, чем ниже залегают, тем они более древние. В палеонтологическом методе для определения возраста горных пород изучаются остатки вымерших животных и растений, окаменелости. Органический мир в течение времени его развития непрерывно изменялся. Одни виды животных и растений вымирали и на смену им приходили другие, более приспособленные к новым условиям. Для определения возраста пород наибольшее значение принадлежит организмам, обитавшим на Земле сравнительно небольшой промежуток времени и имевшим большое географическое распространение. Такие ископаемые организмы называют руководящими. Для решения проблем определения возраста используются и остатки простейших организмов, споры и пыльцу древних растений, палеомагнитные свойства пород. Пласты пород с одинаковыми руководящими окаменелостями образовались одновременно.

Абсолютная геохронология. Абсолютный возраст горных пород выражается в годах, прошедших со времени образования этой породы. Для определения абсолютного возраста пород применяют радиометрические методы. В их основе лежит закон распада радиоактивных элементов: распад радиоактивных элементов идет с постоянной скоростью, не зависящей от внешних условий. В результате распада возникают устойчивые нерадиоактивные элементы, количество атомов которых зависит от количества атомов исходного вещества, периода его полураспада и прошедшего времени распада. В основе радиометрического метода определения абсолютного возраста горных пород лежит физическое явление радиоактивного распада изотопов ²³⁸U, ²³⁵U, ³²Тh, ⁴⁰К, ⁸⁷Sr, ¹⁴С, ³Н и других. Все эти изотопы нестабильны и обладают вполне определенной, выявленной экспериментально скоростью распада, обычно характеризуемой периодом полураспада, т.е. временем, в течение которого распадается половина атомов данного нестабильного изотопа. Период полураспада сильно варьирует у различных изотопов. Определение возраста заключается в том, чтобы найти отношение массы вновь образованного химического элемента к массе материнского изотопа.

Учитывая периоды полураспада, различные изотопы используются для определения возраста в разных временных диапазонах. Так, радиоактивный углерод ¹⁴C, образующийся в верхних слоях атмосферы в результате действия космических лучей на атом азота ¹⁴N, используется для определения возраста древесины, торфа и т.д. в пределах 50 000 лет, что позволяет успешно применять его в четвертичной геологии и археологии.

Изотопы с большим периодом полураспада с успехом применя­ются для определения возраста докембрийских пород, диапазон фор­мирования которых превышает 3,5 млрд лет. Используются уран-свинцовый, торий-свинцовый, калий-аргоновый, рубидий-строн­цие­вый, и другие методы, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки. Калий-аргоновый метод стал применяться одним из первых и именно ему мы обязаны в значительной мере шкалой геологического времени, хотя известны и многочисленные случаи ошибочных определений, нуждающихся в геологической корректировке.

Уран-свинцовый метод и рубидий-стронциевый, применяется для определения возраста в диапазоне от 100 млн лет до 5 млрд. лет.

Для правильного понимания абсолютной геохронологии кроме взаимного контроля разными методами необходимо проводить контроль геологическими данными, без которого, принимая результаты определения абсолютного возраста за кажущуюся истину, можно сделать ошибочные выводы. Радиометрические методы особенно важны для докембрийских образований, формировавшихся в течение очень длительного времени и лишенных палеонтологических остатков. Данные определения абсолютного возраста горных пород позволяют установить продолжительность подразделений международной геохронологической шкалы, разработанной на основе других принципов.

Уран 238 превращается в свинец с атомным весом 206. Превращения половины количества урана, содержащегося в породе в момент образования, продолжается 4,52 млрд лет. Уран с атомным весом 235 превращается в свинец 207. Период полураспада длится 891 млн. лет. Торий 232 при распаде, с периодом полураспада 13,9 млрд лет, превращается в свинец с атомным весом 208

По данным определения абсолютного возраста горных пород возраст Земли определен в 4,5-5,0 млрд лет; метеоритов — 4,5 млрд. лет; возраст пород Воронежского кристаллического массива – 2,25; Балтийского щита 1,8-3,1; Гренландии – 3,9 млрд. лет. С начала архейской эры прошло 4,0; протерозойской — 2,6 млрд. лет; палеозойской— 570; мезозойской — 230; кайнозойской — 130 млн лет. Первые водоросли появились около 2 млрд лет назад, а расцвет органического мира 600 млн лет назад.