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: ²³⁸U, ²³⁵U, ⁴⁰K, ⁸⁷Rb, ¹⁴⁷Sm 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).

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 значительно искажающих или сводящих на нет результаты определений возраста. Метод основан на распаде изотопа¹⁴⁷Sm с образованием в качестве конечного продукта распада ¹⁴⁴Nd.

Калий – аргоновый метод основан на распаде радиоактивного изотопа ⁴⁰К. 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 ¹⁴С, образующегося в верхних слоях атмосферы в результате воздействия космического излучения на атмосферные газы (азот, аргон, кислород). В последствии¹⁴С, как и нерадиоактивный изотоп углерода, образует углекислый газ СО₂, и в его составе вовлекается в фотосинтез, оказываясь таким образом в составе растений и, далее, пищевой цепочке передается животным. В гидросферу ¹⁴С попадает в результате обмена СО₂ 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 ¹⁴С в атмосфере, гидросфере и биосфере. Для живых организмов равновесное состояние достигается при удельной активности ¹⁴С, 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 ¹⁴N) удельная активность ¹⁴С уменьшается. Измерив значение активности в пробе и сопоставив её со значением удельной активности в живой ткани, несложно рассчитать время прекращения жизнедеятельности организма по специальной 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.

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.

Стратиграфическая шкала – 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.

Всем стратиграфическим подразделениям соответствуют подразделения геохронологической шкалы

Стратиграфические подразделения	Геохронологические позразделения
эонотема	эон
эратема (группа)	эра
система	период
отдел	эпоха
ярус	век
зона	фаза
звено	пора

При этом практически все стратиграфические подразделения крупнее яруса имеют единые общепринятые международные наименования.

Наиболее крупными стратиграфическими подразделениями являются эонотемы. Эонотема - это отложения, образовавшиеся на протяжении самой крупной геохронологической единицы - эона, длительностью которого составляет сотни миллионов и более лет. Выделяют три эонотемы: архейскую, протерозойскую и фанерозойскую. Архейскую и протерозойскую эонотемы 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 эонотемы и более 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 течение века; продолжительность веков составляет несколько миллионов лет. Решающим критерием для выделения яруса и обоснования его границ служат данные биостратиграфического анализа: каждый ярус характеризуется только ему присущими родами и видами организмов. В составе ярусов иногда выделяют подъярусы: нижний, средний и верхний или только нижний и верхний.

Зона является частью яруса и охватывает отложения, образовавшиеся в течение одной фазы, продолжительность около 1-3 млн. лет. Зона выделяется по комплексу видов быстро эволюционировавших ископаемых организмов, Название зоны и соответствующей фазы дается по наиболее характерному виду ископаемых организмов (вида-индекса).

В составе четвертичной системы выделяется специфичное стратиграфическое подразделение – звено. В звено объединяют горные породы, сформированные во время одного цикла климатических изменений: похолодания (ледниковье) и потепления (межледниковье). Временным аналогом звена в геохронологической шкале является пора. Четвертичная система включает четыре звена: нижнее-, среднее-, верхнее и современное. Необходимость выделения пор и звеньев связана со специфичностью четвертичного периода, заключающейся в следующем:

· малая длительность периода (1,65 млн. лет), объясняемая его незавершённостью;

· присутствие в отложениях четвертичной системы останков человека и следов его материальной культуры;

· резкие и многократные изменениями климата;

· повсеместное распространение четвертичных отложений на суше и дне морей и океанов, быстрое изменение их литологического состава и небольшая мощность.

Нужно отметить, что при расчленении четвертичных отложений используются два подхода: климатостратиграфический и биостратиграфический.

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» употребляется ещё в двух смыслах:

1) горизонт без географического названия - слой или пачка слоёв, выделяемые на основании каких-либо особенностей (палеонтологических или литологических), обозначение свободного пользования;

2) применительно к стратиграфии четвертичных отложений, горизонт – это отложения, сформированные на протяжении одного ледниковья или межледниковья и имеющие межрегиональное распространение.

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.).

Вся геологическая история Земли, (фиксируемая в минералах и горных породах), делится на две неравные части: более древний и более продолжительный криптозой (время скрытой жизни), или докембрий, охватывающий первые 3,5 млрд. лет геологической истории Земли, и значительно более короткий фанерозой (время явной жизни), к которому относят последние 540 млн. лет. Граница фанерозоя и докембрия постоянно уточняется, колеблясь от 590 до 542-535±1 млн. лет в наиболее современном варианте шкалы. Нижняя граница докембрия с появлением новых данных также может изменяться, смещаться вниз, в сторону удревнения.

Согласно современной международной стратиграфической (геохронологической) шкале самыми крупными ее подразделениями являются эонотемы (эоны). Их выделяют две (два) в докембрии – архей и протерозой, третья эонотема (третий эон) - фанерозой – включает в себя более молодые отложения, от кембрийских до четвертичных включительно. Эонотемы (эоны) делятся на эратемы (эры): четыре – в архее, три – в протерозое и три - в фанерозое. Эратемы (эры) фанерозоя делятся на системы (периоды), отделы (эпохи), ярусы (века).

В современном варианте стратиграфической шкалы докембрия (Стратиграфический кодекс России, Издание третье, 2006, Приложения) архей и протерозой получили новый статус более крупного подраздела – акротем, в пределах каждой из которых выделяются эонотемы: нижне - и верхнеархейские и нижне - и верхнепротерозойские (см. табл.8). Верхний протерозой делится на рифей и венд (последний - в ранге системы). Нижний и верхний архей и нижний протерозой и рифей подразделяются на эратемы, название которых соответствуют названиям толщ пород соответствующего возраста.

Фанерозойская эонотема подразделяется на три эратемы: палеозойскую, состоящую из шести систем, мезозойскую, состоящую из трех систем, и кайнозойскую (три системы). Название системам (периодам) обычно присваивалось по наименованию местности, где породы соответствующего возраста были впервые выделены и наиболее полно описаны. Так, кембрийский период носит старое название п-ва Уэльс; ордовикский и силурийский получили название по имени древних племен, живших в тех районах Англии, где эти отложения были описаны; девонский период был назван по графству Девоншир опять в Англии; пермский – по Пермской губернии в России; юрский – по Юрским горам в Швейцарии. Исключение составляют каменноугольный (карбоновый) и меловой периоды, названные по характерным породам, их слагающим, а также триасовый период, название которого произошло от объединения трех толщ в Европе, последовательно залегающих одна над другой. Палеогеновый и неогеновый периоды, ранее входившие в состав третичного периода, свои названия получили от местоположения в его составе: древний и молодой. Только название «четвертичный» сохранилось с XVIII века.

Все подразделения геохронологической и стратиграфической шкал ранга «период-система» обозначаются по первой букве латинского наименования, например девон - D, карбон – С, пермь – Р и т.д. (табл.6,7). Более мелкими единицами, чем период (система), в шкале являются эпохи (отделы). Их бывает две (два) или три с соответствующими названиями. Эпохи делятся на раннюю, среднюю и позднюю, отделы - – на нижний, средний и верхний; обозначаются цифрами – 1, 2, 3, которые ставятся справа от индекса периода или системы внизу, например: J₁ - раннеюрская эпоха (ранняя юра) или на карте - нижний отдел юрской системы (нижняя юра); К₂- поздний мел или на карте - верхний мел –и т.д. Каждая система слоев осадочных толщ на геологической карте имеет свой цвет: Эти цвета общеприняты и замене не подлежат. В пределах системы интенсивность окраски уменьшается от нижнего отдела к верхнему.

Геохронологическая шкала является важнейшим документом, удостоверяющим последовательность и время геологических событий в истории Земли.